汽轮机变工况概要

《汽轮机变工况概要》由会员分享，可在线阅读，更多相关《汽轮机变工况概要（165页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、汽轮机变工况 设计工况：汽轮机在设计参数（进行汽轮机热力设 计时确定的各参数）下运行为设计工况，也称经济 工况（在此工况下运行效率最高）。（汽轮机的热 力设计：给定初终参数、功率和转速的条件下，计 算和确定蒸汽流量、级数、各级尺寸、蒸汽参数、 反动度、功率和效率等，进而得出各级和全机的热 力过程线等。）唯一。 变工况：汽轮机在偏离设计参数的条件下运行的 工况。 本章任务：研究汽轮机在偏离（流量、进汽温度、压 力、转速、排汽压力等）设计(off-design)工况下各级 流量与热力参数（主要是蒸汽压力）的相对变化关系 ，以及反动度、内功率、效率和轴向推力等的变化， 分析计算这些参数变化对机组安全

2、性、经济性的影响 。研究等转速的情况。 研究顺序： 喷嘴（动叶）、级、多级（级组）、整机。 汽轮机内喷嘴有两种型式：渐缩喷嘴和缩 放喷嘴。由于两种喷嘴的结构不同，其变工况 特性差别很大。 第一节 喷嘴的变工况特性 气体在渐缩喷管中的流动 气体在缩放喷管中的流动 第一节 喷嘴的变工况特性 图3.1.1可见，对缩放喷嘴， 喷嘴膨胀度f （f=An/Ac） 越大，缩放喷嘴设计压比越 小，在实际压比增大时速度 系数 降低的越多，即效率 下降越多。但渐缩喷嘴在背 压高于设计值时不会出现激 波，效率仍然较高，只在设 计压比小于临界压比时，效 率才下降。 缩放喷嘴在变工况时，由于背 压升高，会在渐扩段某处出

3、现 激波，产生损失，效率下降。 汽轮机中多采用渐缩喷嘴 （一般只在调节级采用缩 放喷嘴），本节主要分析 渐缩喷嘴的变工况特性。 对渐缩喷嘴，在定熵指数k和流量系 数n都不变的条件下，若喷嘴前滞止 参数p00、v00和出口面积An都不变，喷 嘴的流量G与背压pc的关系如图所示。 当 时， 不变，如直线AB所 示；当 时，流量沿曲线BC变化。 曲线BC段与椭圆的1/4线段相当近似，若 椭圆曲线代替它，误差较小，故可用椭 圆方程表示BC段的G-P1关系： 图3.1.2 渐缩喷嘴的流量与背压 关系曲线 第一节 喷嘴的变工况特性 一、渐缩喷嘴初压不变时背压与流量的关系 第一章给出了通过渐缩喷嘴的流量与喷

4、嘴前后参数关系为 的精确计算式： 第一节 喷嘴的变工况特性 用椭圆方程计算得的流量比略小于精确值，约千分之几 ，满足工程要求。 压比 0.6000.7000.7500.8000.8500.8750.9000.9250.9500.9750.9850.9901.000 误差-0.35-2.26-3.34-4.36-5.96-6.64-7.56-7.99-8.66-9.33-9.60-11.20 表3.1.1 以椭圆公式代替精确公式计算流量比的误差（） 第一节 喷嘴的变工况特性 二、 渐缩喷嘴前后参数都变化时的流量变化 1. 设计工况与变工况下喷嘴均为临界工况 存在三种情况：设计工况与变工况下喷嘴均

5、为临界工况 、均为亚临界工况、设计工况为临界变工况为亚临界 忽略温度的影响，有 临界工况：喷嘴出口流速达到或超过临界速度。若设 计工况和变工况下，喷嘴内流速均达到或超过临界速 度，则此两种工况下的临界流量之比为： 滞止参数不易获得 若(1) 喷嘴前压力变动由节流引起( )，(2) 喷嘴前温度不变（如滑压运行），(3) 温度变化很小可 以忽略，(4) 近似计算忽略温度变化。（后面凡是变工 况时不考虑温度变化都是这四方面的原因，不再重复 ） 假想由喷嘴入口的滞止状态点到入口实际状态点的 等熵过程线是在一个假想喷嘴中完成的，则这个假想 喷嘴的出口截面即为实际喷嘴的入口截面 ，其流量等 于实际喷嘴的流

6、量，这个假想喷嘴的出口处于亚临界 工况，按亚临界喷嘴流量计算公式分别写出变工况前 后这个假想喷嘴的流量计算式，实际喷嘴在变工况前 后都是临界工况的流量比还可写为： 由此可知，喷嘴临界流量仅正比与初压或滞止初压 第一节 喷嘴的变工况特性 v而 第一节 喷嘴的变工况特性 P16(1.2.19) 第一节 喷嘴的变工况特性 近似认为 ，有 忽略温度变化则有： 第一节 喷嘴的变工况特性 结论：喷嘴的临界流量正比于初压或滞止初压， 反比于喷嘴前热力学温度的平方根或制止热力学 温度的平方根。 在电站汽轮机中，只有凝汽式汽轮机的最末一 两级和调节级的喷嘴流速可能达到临界速度。对于 调节级，不论定压运行还是滑压

7、运行，新蒸汽温度 都不变，且调节级喷嘴进口初速为0，有 ， 故有 。 第一节 喷嘴的变工况特性 假设带来误差的讨论： 对于凝汽式汽轮机的最末一两级，它们都处于 湿蒸汽区，即前后压力和温度都很低，这种假设造 成的误差很小，如流量由设计值增大20%， 误差仅 为0.19%。 关于 2. 设计工况与变工况下喷嘴均为亚临界工况 喷嘴出口流速小于临界流速时，称喷嘴处于亚临界 工况。若设计工况与变工况下，喷嘴都是亚临界工况 ，流量比为： 若不考虑温度的变化，则有 用临界工况公式算到 处，再用亚临界工况公式由 算到变动后的工况。若相反，则计算方法相反。 第一节 喷嘴的变工况特性 3. 若工况变动前为临界工况

8、，变动后为亚临界工况 4. 渐缩喷嘴初压，背压与流量的关系 图中AOB区域是临界工况区，临 界流量与初压成正比，BOC区域是 亚临界工况区，同一初压下流量与 背压近似成椭圆曲线关系。若各初 压下的临界压力比不变，则各曲线 水平段与椭圆段的交点必位于同一 直线OB上，因这些交点的横坐标 成正比。该图可以很直观的看出不 考虑初温变化时的流量与初压、背 压的相互关系。 第一节 喷嘴的变工况特性 图3.1.3 渐缩喷嘴初压、背 压与流量的关系 若渐缩喷嘴前后的蒸汽参数都变化，仅初温不变或不 考虑温度变化的影响，则对与每一个初压都可以画出 一条流量与背压关系曲线，示于图3.1.3中。 第一节 喷嘴的变工

9、况特性 图3.1.2 渐缩喷嘴的流量与背压 关系曲线 图3.1.2中虚线BO, 虽然对 于渐缩喷嘴没有实际意义，但 对于缩放喷嘴是有实际意义的 。CBO曲线上各点，表示蒸汽 初参数、物性和喷嘴出口面积 给定时，不同背压时，各缩放 喷嘴的设计工况点。 喷嘴入口蒸汽参数不变，背 压越低，喷嘴的膨胀度 f=An/Ac就会越大，出口截面 积An维持不变，喷嘴喉部截面 Ac也就越小。当P10时， f， Ac 0，Gc0。 渐缩喷嘴流量锥 第一节 喷嘴的变工况特性 作业： 习题集第90页，第155题。 155. 渐缩喷嘴在设计工况下，喷嘴前的蒸汽压力p0=2.16MPa， 温度t0=350，喷嘴后的压力p

10、1=0.589MPa，流量为3kg/s。 如蒸汽流量保持为临界值，则最大背压(p1)max可以为多少？ 若流量减少为原设计值的1/3，则在初温、初压不变时，背压 应为多少？ 若背压维持0.589MPa不变，则初压p0应为多少，才能使流量变 为原设计值的4/7？ 第一节 喷嘴的变工况特性 上节课回顾 （1）缩放喷嘴的变工况性能较差，只要偏离设计工 况，效率就下降；渐缩喷嘴只有在压比小于临界压比 试，效率才下降。 （2）渐缩喷嘴变工况前后均为临界时，喷嘴流量与 喷嘴前蒸汽（滞止）压力成正比，与喷嘴前（滞止） 热力学温度的平方根成反比。 （3）渐缩喷嘴变工况前后均为亚临界时，喷嘴流量 与喷嘴前蒸汽（

11、滞止）压力与该工况下彭台门系数 的乘积成正比，与喷嘴前（滞止）热力学温度的平 方根成反比。 。 一、 级内压力与流量的关系 1. 级内为临界 工况 级的临界工况：级内的喷嘴叶栅或动叶栅两者之一 的流速达到或超过临界速度，称该工况为级的临界工 况。级的喷嘴或者动叶的汽流速度刚达到临界速度时 ，级前后的压力比称为级临界压力比。 第二节 级与级组的变工况特性 分两种情况讨论: 级内为临界工况、级内为亚临界工况 分两种情况讨论：喷嘴为临界和动叶为临界。 第二节 级与级组的变工况特性 1.1 喷嘴为临界 忽略温度的影响有： 无论动叶是否为临界，均有如下关系 即，通过级的流量，与滞止初压或初压成正比， 与

12、滞止初温或初温的平方根成反比。 1.2 动叶为临界 如级变工况前后喷嘴均为亚临界，动叶均为临 界，则仿照喷嘴的变工况公式，以动叶的相对热力 参数带入，得到变工况前后动叶临界流量的比值： 略去温度影响，得 第二节 级与级组的变工况特性 动叶前参数不易获得 第二节 级与级组的变工况特性 由于叶顶漏汽不大，可认为喷嘴流量等于动叶流 量。这时喷嘴在设计工况和变工况下的连续方程之比 为（设计工况和变工况下，喷嘴均为亚临界工况，故 蒸汽在喷嘴斜切部分不发生膨胀，喷嘴出口面积An不 变 ）： 设计工况： 变工况： 两式相比有 第二节 级与级组的变工况特性 等于流过动叶的流量之比 对于实际汽轮机，动叶为临界而

13、喷嘴为亚临界 的情况，仅出现在汽轮机的末两级，此处蒸汽温度 已经很低，且工况变化时，蒸汽温度变化较小，可 以认为（流量增大20%，误差为0.24%）： 上式变为， 第二节 级与级组的变工况特性 于是有 上式的解为： 也就是， 带入到动叶临界流量的比表达式，并近似认为 第二节 级与级组的变工况特性 有， 即，通过级的流量，与滞止初压或初压成正比， 与滞止初温或初温的平方根成反比。 忽略温度的影响有： 结论：由以上分析可知，如果变工况前后级均为临 界工况，无论是喷嘴或动叶为临界，通过级的流量 ，与滞止初压或初压成正比，与滞止初温或初温的 平方根成反比。 第二节 级与级组的变工况特性 级内喷嘴和动叶

14、出口的流速均小于临界速度， 则该级为亚临界工况。 2. 级内为亚临界工况 喷嘴出口的连续性方程为 设 代入连续性方程得 ，则有 上式中括号内部分为假想级的理想比焓降全部发生在喷嘴 内时的假想流量，用G表示， 为由级的入口状态等比熵膨胀 到P2的假想出口比容。 G 第二节 级与级组的变工况特性 设全部焓降都发生在喷嘴中时，喷嘴为亚临界，则 全级肯定为亚临界。通过喷嘴的假想流量为 设计工况下，通过喷嘴流量为 变工况下，通过喷嘴流量为 第二节 级与级组的变工况特性 两式相比，经化简可得（P136） 该式用于级亚临界变工况计算，是较为准确的。在不进 行精确计算，用于级的变工况估算时，该式显得较繁琐 。

15、如对级的变工况进行估算，可以对该式进行简化。 为简化该式两点近似假定：（1）工况变化时，级的 反动度不变。工况变动时，反动级的反动度基本不变 ；当速比变化不大时，冲动级的反动度变化也很小。 （2）级处于亚临界工况时，压降较小，p2/p0较大， （p0-p2)较小，（p02-p22) (p0-p2)2。上式可以简化 为 略去温度的影响，有 第二节 级与级组的变工况特性 在得到上述关系式时，由于进行了一些假定，因此 利用它们计算得到是近似值，但误差不大。如，对 BP-25型背压式汽轮机进行全机变工况计算表明，在 流量比设计值小于30% 时，计算误差为3.14% ；偏 离设计值越近，误差越小。 结论：如果变工况前后级均为亚临界工况，通过级 的流量，与初压和背压平方差的平方根成正比，与 初温的平方根成反比。 第二节 级与级组的变工况特性 二、级组压力与流量的关系 级组：流量相等而依次串联排列的若干级称为一个 级组。 当级组内各级均为亚临界工况时，称级组为亚临界 工况；当级组内至少有一列叶栅(如某一级的喷嘴或 动叶)的出口流速达到或超过临界速度时，称级组为 临界工况。 同样也分别对级组为临界与亚临界两种工况进行讨论。 1.工况变化前后级组均为临界工况 在各级通流面积不变的条件下，处于亚临界工况的 级组，若级组前后