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1、热力发电厂动力设备汽轮机 动力工程系 火电厂基本概念 一 能量转换过程燃料化学能 蒸汽热能 机械能 电能 二 火电厂三大主机锅炉 将燃料的化学能转变为蒸汽的热能汽轮机 将锅炉生产蒸汽热能转化为转子旋转机械能发电机 将旋转机械能转化为电能 第一节概述 B 锅炉S 锅炉过热器T 汽轮机C 冷凝器P 水泵 火力发电厂示意图 汽轮机是以蒸汽为工质的旋转式机械 主要用作发电原动机 也用来直接驱动各种泵 风机 压缩机和船舶螺旋桨等 特点 功率大 转速高 运行平稳 工作可靠 热经济性高等 一 汽轮机设备的主要组成 1 汽轮机本体 1 配汽机构 主要有主蒸汽导管 自动主汽门 调节阀等 2 汽轮机转子 主要有动
2、叶 叶轮 轴等 3 汽轮机静子 主要有静叶 汽缸 隔板 轴封 轴承等 2 调节保安油系统主要有调速器 油动机 调节阀 油箱 主油泵 辅助油箱和保安设备等 3 凝汽及抽汽系统主要有凝汽器 凝结水泵 抽气器 循环水泵和冷水塔等 4 回热加热系统主要有低压加热器 除氧器 高压加热器等 汽轮机本体结构 1 轴 2 叶轮 3 动叶片 4 喷嘴 1 油封环2 油封套3 轴4 动叶槽5 叶轮6 平衡槽 二 汽论机分类 汽轮机 冲动式汽轮机 反动式汽轮机 凝汽式汽轮机 供热式汽轮机 背压式汽轮机 调节抽汽式汽轮机 低压汽轮机 中压汽轮机 高压汽轮机 超高压汽轮机 亚临界压力汽轮机 超临界压力汽轮机 按作功原理
3、分 按功能分 按参数高低分 按热力特性分类 即汽轮机型式 凝汽式 中间再热式背压式调整抽汽式 供热 Turbine Turbine 热用户 Turbine 按主蒸汽参数分类低压汽轮机 小于1 47Mpa 中压汽轮机 1 96 3 92Mpa 高压汽轮机 5 88 9 81Mpa 超高压汽轮机 为11 77 13 93Mpa 临界压力汽轮机 15 69 17 65Mpa 超临界压力汽轮机 大于22 15Mpa 超超临界压力汽轮机 大于32Mpa XX XX XX 变型设计次序 蒸汽参数 额定功率 型式 例 N300 16 7 538 538300MW凝汽式汽轮机 主蒸汽压力为16 7MPa 温度
4、为538 C 再热蒸汽温度538 C 汽轮机型式代号见下表 三 汽轮机型号 一 汽轮机的级 级内能量转换过程1 汽轮机的级 静叶栅动叶栅级是汽轮机作功的最小单元 第二节汽轮机的基本原理和主要结构 2 级内能量转换过程 具有一定压力 温度的蒸汽通过汽轮机的级时 首先在静叶栅通道中得到膨胀加速 将蒸汽的热能转化为高速汽流的动能 然后进入动叶通道 在其中改变方向或者既改变方向同时又膨胀加速 推动叶轮旋转 将高速汽流的动能转变为旋转机械能 汽轮机做功过程 3 冲动级 当汽流通过动叶通道时 由于受到动叶通道形状的限制而弯曲被迫改变方向 因而产生离心力 离心力作用于叶片上 被称为冲动力 这时蒸汽在汽轮机的
5、级所作的机械功等于蒸汽微团流进 流出动叶通道时其动能的变化量 而这种级称为冲动级 4 反动级 当汽流通过动叶通道时 一方面要改变方向 同时还要膨胀加速 前者会对叶片产生一个冲动力 后者会对叶片产生一个反作用力 即反动力 蒸汽通过这种级 两种力同时作功 通常称这种级为反动级 4 反动度 反动度表明蒸汽在叶片中的膨胀程度 定义 指工作叶片焓降与级的总焓降之比 5 冲动级和反动级 冲动级有三种不同的形式 纯冲动级 通常把反动度 等于零的级称为纯冲动级 对于纯冲动级来说 0 蒸汽流出动叶的速度C 具有一定的动能C未被利用而损失 称这种损失为余速损失 用表示 带反动度的冲动级 为了提高级的效率 通常 冲
6、动级也带有一定的反动度 0 05 0 20 这种级称为带反动度的冲动级 它具有作功能力大 效率高的特点 反动级 通常把反动度 0 5的级称为反动级 对于反动级来说 蒸汽在静叶和动叶通道的膨胀程度相同 即是 反动级是在冲动力和反动力同时作用下作功 反动级的效率比冲动级高 但作功能力小 蒸汽在静叶栅通道中的膨胀过程 喷嘴的作用是让蒸汽在其通道中流动时得到膨胀加速 将热能转变为动能 喷嘴是固定不动的 蒸汽流过时 不对外作功 W 0 同时与外界无热交换 q 0 则根据能量方程式 则 1 喷嘴出口的汽流理想速度在进行喷嘴流动计算时 喷嘴前的参数p 初速 是已知的条件 按等熵过程膨胀 其过程曲线如图所示
7、根据上式 则喷嘴出口汽流理想速度为 蒸汽进入喷嘴时的速度 m s 蒸汽进入喷嘴时的焓 J kq 蒸汽按等熵过程膨胀的终态焓 J kq 称为喷嘴的理想焓降 为了方便 引用滞止参数 如图所示 滞止焓值为 把相应的滞止参数分别代入式 则 2 喷嘴出口的汽流实际速度实际流动是有损失的 汽流实际速度小于汽流理想速度 通常用喷嘴速度系数 来考查两者之间的差别 通常取 0 97 这样 喷嘴出口的汽流实际速度为 3 喷嘴损失蒸汽在喷嘴通道中流动时 动能的损失称为喷嘴损失 用表示 喷嘴损失与喷嘴理想焓降之比称为喷嘴能量损失系数 用表示 蒸汽在喷管中从压力p0膨胀到出口压力p1 以速度c1流向动叶栅 当蒸汽通过动
8、叶时 一般还要继续膨胀 压力由p1降到p2 如图所示级的热力过程 则此时级的滞止理想比焓降 ht 为 蒸汽在动叶通道中的膨胀过程 动叶内理想比焓降 hb与级滞止理想比焓降 ht 之比 表示蒸汽在动叶内的膨胀程度 1 反动度 m m 0时称为纯冲动级 m 0 5时称为典型反动级 2 动叶出口的速度计算 由能量平衡方程可知 由于存在不可逆损失 则动叶出口实际相对速度为 动叶速度系数 动叶进出口速度三角形 u 动叶的圆周速度 c1 w1 u构成动叶栅的进口速度三角形 c2 w2 u构成动叶栅的出口速度三角形 则各个速度矢量之间的关系式为 3 动叶进出口速度三角形 当蒸汽以速度c2离开本级时 蒸汽所带
9、走的动能不能本级利用 称为该级余速损失 在多级汽轮机中 前一级的余速损失常可以部分或全部被下一级所利用 用余速利用系数 1表示被利用的部分 则为 二 多级汽轮机 离心力增大 叶片 叶轮强度不允许 二 多级汽轮机的优缺点1 多级汽轮机每级的焓降较小 有可能使速度比设计在最佳速度比附近 同时c1小 u也小 即直径小 叶高或部分进汽度相应大 这些都使效率增大 2 各级余速动能可以部分的被利用 3 多级汽轮机可以实现回热循环和中间再热循环 4 由于重热现象 多级汽轮机前面级的损失部分的被后面各级所利用 5 多级汽轮机的轴向推力是各级轴向推力之和 必须采取措施平衡轴向推力 三 汽轮机主要结构 汽轮机装置
10、由汽轮机本体 辅助设备及调节和供油系统三大部分组成 汽轮机本体包括静止部分 固定件 转动部分 转子组体 及支承部分 轴承 三部分 汽轮机静止部分包括基础 台板 机座 汽缸 喷嘴 隔板 隔板套 汽封等固定件 汽轮机转动部分总称为转子 主要由主轴 叶轮 或轮鼓 动叶及联轴器等组成 一 喷嘴 隔板 1 喷嘴和隔板的作用和特点 喷嘴是组成汽轮机的主要部件之一 它的作用是把蒸汽的热能转变为高速汽流的动能 使高速汽流以一定的方向从喷嘴喷出 进入动叶栅 推动叶轮旋转做功 第一级喷嘴直接安装在汽缸高压端专门的喷嘴室上 第二级及以后各级喷嘴安装在各级隔板上 隔板用来安装喷嘴 并将各级叶轮分隔开 冲动式汽轮机每一
11、级由一个隔板和一个叶轮组成 冲动式汽轮机的隔板可分为焊接隔板和铸造隔板 反动式汽轮机不采用隔板式结构 各级喷嘴片 也叫静叶栅 直接安装在汽缸上 二 汽缸 汽缸的作用和组成 汽缸是汽轮机的外壳 汽轮机本体的主要零部件几乎包含在汽缸内 汽缸的作用是将汽轮机的通流部分与大气隔开 形成封闭的汽室 保证蒸汽在汽轮机内完成能量转换过程 汽缸内部装有喷嘴室 喷嘴 隔板 隔板套和汽封等零部件 汽缸外部装有调节汽阀及进汽 排汽和回热抽汽管道等 三 汽封的作用汽轮机通汽部分的动静部分之间 为了防止碰擦 必须留有一定的间隙 而间隙的存在必将导致漏汽 使汽轮机的经济性下降 为了解决这一矛盾 在汽轮机动 静部件的有关部
12、位设有密封装置 通常称为汽封 可分为轴端汽封 又称轴封 隔板汽封和围带汽封三种 四 轴承 轴承的作用与类型汽轮机工作时其转子受蒸汽的作用以高速旋转着 这时将产生各种不同方向的作用力 因此汽轮机必须有可靠的支承装置 轴承 汽轮机采用的轴承有径向支持轴承和推力轴承两种 径向支持轴承的作用是支承转子的质量及由于转子质量不平衡引起的离心力 并确定转子的径向位置 使其中心与汽缸中心保持一致 推力轴承的作用是承受蒸汽作用在转子上的轴向推力 确定转子的轴向位置 使转子与静止部分间的轴向间隙保持一定数值 一般单轴汽轮机的一端采用径向支持轴承 也称主轴承 另一端采用径向 推力联合轴承 五 动叶片 动叶片安装在转
13、子叶轮或转鼓上 由叶型 叶根 叶顶三部分组成 1 叶型部分 按照蒸汽经过叶片时的膨胀程度来分为冲动式叶片和反动式叶片 按照截面积变化来分为等截面叶片和变截面叶片 2 叶根部分 T型 叉型和枞树型 3 叶顶部分 安装围带 也称复环 和拉金 拉筋 安装围带是为了减小叶片工作弯应力 调整叶片自振频率 减少叶顶漏汽 不同形式的叶型 六 转子冲动式汽轮机采用轮式转子 反动式汽轮机采用鼓式转子 鼓式转子上的动叶直接安装在转鼓上 轮式转子可分为 整锻式 套装式 组合式和焊接式 整锻转子通常有中心孔 除调节级外都开有平衡孔 套装叶轮采用热套加纵向键固定 大型汽轮机后装叶轮用互相交错布置的端面键连接 最后套装的
14、汽封用纵向键与轴相连接 七 联轴器联轴器又称对轮或靠背轮 作用是传递扭矩 1 刚性联轴器 结构简单 能够承受相邻转子分配来的重量 减少支撑轴承数 并缩短机组长度 缺点是传递振动和轴向位移 对找中心要求高 2 半挠性联轴器 两半联轴器之间加了一段波形圆筒 他在传递扭矩时是呈刚性的 还能传递一定轴向推力 部分吸收转子之间传递的振动 它也允许相邻两轴端之间有少许的不同心度和端面瓢偏度 3 挠性联轴器 一般有齿轮式和弹簧式两种 这类联轴器不传递轴向推力 基本不传递振动 对中要求低 但易磨损 需要润滑 造价高 多用于小型汽轮机 四 汽轮机内部损失效率 一 汽轮机的内部损失喷管损失 动叶损失 余速损失 摩
15、擦鼓风损失 漏汽损失和湿气损失 1 余速损失蒸汽从工作叶片流出的速度C2所具有的动能未被这一级所利用形成的损失 叫余速损失 即2 摩擦鼓风损失蒸汽在通道内流动时 为克服气动阻力 摩擦阻力所消耗的机械功的损失成为摩擦损失 蒸汽从叶片的一侧移向另一侧所耗机械功的损失成为鼓风损失 二者合起来成为摩擦鼓风损失 3 级内漏汽损失当蒸汽从隔板和转轴之间或工作叶片和汽缸之间通过时 以及蒸汽从高压侧至低压侧时 不参加做功所造成的损失叫做级内漏气损失 4 湿汽损失当汽轮机末几级工作于湿蒸汽区域时 用于带动水珠旋转和克服水珠撞击叶片背部所消耗的机械功叫做湿汽损失 二 汽轮机的效率1 汽轮机的相对内效率级的相对内效
16、率是级的有效焓降与理想焓降之比 即 对于多级汽轮机 汽轮机的相对内效率是总有效焓降与总理想焓降之比 即 式中 hi 汽轮机的总有效焓降 kJ kg h0 汽轮机的总理想焓降 kJ kg 二 汽轮机的效率2 汽轮机的机械效率汽轮机的有效功率 轴功率 汽轮机内功率与机械损失之差 即 式中 Pe 汽轮机的轴功率 kW Pm 汽轮机的机械损失 kW Pi 汽轮机的内功率 kW 汽轮机的机械效率是轴功率与内功率之比 即 二 汽轮机的效率3 发电机效率发电机发出的电功率Pel与汽轮机所供给的有效轴功率Pe之比成为发电机效率 即例 已知N300 16 7 537 537型汽轮机某级蒸汽流量G 43 0kg s 该级的理想焓 h0 50 16kJ kg 级的有效焓 hi 37 62kJ kg 求级的相对内效率 ri和内功率Pi 第三节汽轮机的调节 火力发电厂的生产目标 以经济 环保的生产方式提供合格的电能 满足电力用户的需要 对于供热式机组 还要供出一定数量和质量的蒸汽 数量上 根据用户的需要来改变发电量 质量上 两个指标 1 电压 通过励磁电流调节220V 2 频率 由转速决定50Hz机转速组300
