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1、 1 汽轮机原理 任课教师 李爱军 华中科技大学能源与动力工程学院 2005 7 2 绪论 1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 3 B 锅炉S 锅炉过热器 T 汽轮机 C 冷凝器P 水泵 S T C P B T S 1 2 3 4 1 2 4 3 火力发电厂示意图 4 我国电力事业发展概况 5 历年人均指标 6 历年主要技术经济指标 7 历年能源和电力弹性系数 8 我国能源供需变化情况 9 我国能源消费结构 10 我国能源
2、生产构成 11 2000年世界一次能源供给的构成 12 2000年全球电力生产的能源构成 13 中国2003年可再生能源开发利用量 14 15 2汽论机分类 16 汽轮机 冲动式汽轮机反动式汽轮机 背压式汽轮机调节抽汽式汽轮机 凝汽式汽轮机供热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 按作功原理分 按功能分按参数高低分 17 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 18 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
3、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 19 我国一次能源需求的情景预测 Mtce 20 我国电力生产的情景预测 TWh 21 3汽轮机的主要技术发展 采用大容量机组提高蒸汽初参数 采用联合循环系统提高效率提高机组的运行水平 4汽轮机制造工业 美国日本 通用电气公司 西屋电气公司日立制作所 东芝电器会社 三 菱重工株式会社 瑞士中国 BBC公司哈尔滨汽轮机厂 上海汽轮机 厂 东方汽轮机厂 北京重型电机厂 青岛汽轮厂 武汉汽轮发电机厂 杭
4、州汽轮机厂 南京汽轮发电机厂22 第一章 汽轮机级的工作原理 第一节概述一 汽轮机的级 级内能量转换过程1 汽轮机的级 静叶栅动叶栅是汽轮机作功的最小单元 23 24 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 25 26 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级所作的机械功等于蒸汽微团流进
5、 流出动叶通道时其动能的变化量 而这种级称为冲动级 27 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 28 ht hn hb hn 1 m ht m ht 29 二 反动度 m hb hb hb 纯冲动级来说 0 蒸汽流出动叶的1p2pbh nh th 三 冲动级和反动级 30 冲动级有三种不同的形式 1 纯冲动级 通常把反动度 等于零的级称为纯冲动级 对于 为了提高级的效率 通常 冲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
6、冲动级 它具有作功 能力大 效率高的特点 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 hc2表示 2 带反动度的冲动级 3 复速级 由一组静叶栅和安装在同一叶轮上的两列动叶栅及一组介于第一 二列动叶栅之间 固定在汽缸上的导向叶栅所组成的级 称为复速级 第一列动叶栅通道流出汽流 其流速还相当大 为了利用这一部分动能 在第一列动叶栅之后装上一列导向叶栅以改变汽流的方向 使之顺利进入第二列动叶栅通道继续作功 复速级也采用一定的反动度 复速级具有作功能力大的特点 4 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 hb hn
7、 12 ht 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 31 p1 p2 32 第二节 汽轮机级内能量转换过程 一 基本假设和基本方程式流过叶栅通道的蒸汽是具有粘性 非连续性和不稳定的三元流动的实际流体 为了研究方便 特作如下假设 1 蒸汽在叶栅通道的流动是稳定的 即在流动过程中 通道 中任意点的蒸汽参数不随时间变化而改变 2 蒸汽在叶栅通道的流动是一元流动 即蒸汽在叶栅通道中流动时 其参数只沿流动方向变化 而在与流动方向相垂直的截面上不变化 3 蒸汽在叶栅通道的流动是绝热流动 即蒸汽在叶栅通道中流动时与外界没有热交换 33 h0 2 能量方程式 34 基本
8、方程式 说明 这些基本方程式在 能源动力装置基础 一书中讲过 不过多重复 1 连续方程式G c A cA const v W c122 q h1 c0223 状态及过程方程式 pv RT4 动量方程式 pvk const cdc vdp cdp R1dk cdc5 气动方程式 ca M kvp a k p C1 C2 h0 h1 35 二 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121222对于过热蒸汽 可近似看做理想气体 则上式可写成 12
9、22 p0v0 p1v1 kk 1 p0v0 1 c2 36 一 喷嘴出口汽流速度计算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1 7所示 根据式 2 9 则喷嘴出口汽流理想速度为 蒸汽按等熵过程膨胀的终态焓 J kq 2 h0 h1t c02 c1t 0 p1 p0 2kk 1 或者式 2 10 为c1t k 1k 上二式中 c1t 蒸汽流出喷嘴出口的理想速度 m s h1t h0 C0 h0 hc0 p0v0 1 p1k p0 37 称为喷嘴的理想焓降 为了方便 引 用滞止参数 如图1 7所示 滞止焓值为 把相应的滞止
10、参数 式 1 17 和 1 20 则 122 h0 c1t 2 hn k 1 2kk 1 c1t 图1 7 图1 7中 hn h0 h1t p0 v0 h0 分别代入 图1 8 压力 焓降 截面积 汽流速度 音速 比容沿流动的变化规律38 hn C1t C1 C1t 1 2 1 2 hn 2 喷嘴出口的汽流实际速度 3 喷嘴损失 1 26 1 26a 39 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c1 c1t 121212222 蒸汽在喷嘴通道中流动时 动能的损失称为喷嘴损失 用 hn表示 1
11、2 n hn hn 喷嘴损失与喷嘴理想焓降之比称为喷嘴能量损失系数 用 n表示 a C a0 p0 v0 知时 a0一定值 40 二 喷嘴中汽流的临界状态1 临界速度 当在式 2 12 中用滞 止参数表示有关参数时 代入音速公式 则有 为滞止状态下的音速 当 在膨胀过程中 到某一截面会出现汽流速度等于当地音速 当汽流速度等于当地音速时 则称此时的流动状态为临界 等表示 汽流的音速为a kpv kRT 22 2k 1 2k 1 上式中 0 a 状态 这时的参数为临界参数 用pcr vcr ccr若以代入 2 16 则临界速度为 ccr p0 v0 kpcrvcr a0 2kk 1 2k 1 pc
12、rk pcr p0 2 临界压力 对于等熵膨胀过程来说 有 则上式为 v0 vcr p0 2k 1 根据 2 17 临界压力为 pcr 1 v0 vcr p0 k k 1 2k 1 上式表明 临界压力只与蒸汽指数k和初压有关 临界压力与初压之比称为临界压力比 用 cr表示 kk 1p0k 1对于过热蒸汽 k 1 3 则 cr 0 546 对于饱和蒸汽 k 1 135 则 cr 0 577 41 M 1 三 喷嘴截面积的变化规律 1 当汽流速度小于音速 即M0 则必须dA dx 0 也就是说喷嘴截面积必须沿流动方向逐渐减 小 即做成渐缩喷嘴 2 当汽流速度大于音速 即M 1时 若要使汽流能继续加
13、速 即dc dx 0 则必须dA dx 0 也就是说喷嘴截面积必须沿流动方向逐渐增 加 即做成渐扩喷嘴 3 当汽流速度在喷嘴某截面上刚好等于音速 即M 1 这时 dA dx 0 表明横截面A不变化 即A达到最少值 根据上述分析可知 简单的 渐缩喷嘴是得不到超音速汽流的 为了达到超音速 除了喷嘴出口蒸汽压力必须小于临界压力外 还必须在喷嘴形状上加以保证 即作成缩放喷嘴 汽流通过缩放喷嘴时 在喷嘴喉部达音速 然后在渐扩部分达超音速 42 1dccdx 1dAAdx 1 310 2 Gt An p0 G1 An 2k k k 1 v0 四 喷嘴流量计算 43 计算 1 32 喷嘴出口处理想汽流速度
14、m s 称 c1t v1t 喷嘴出口处比容 m kq 1若用 2 12a 表示 又有 1 k 则上式为v1tv0p0 2k 1knn n p1p0为喷嘴前后压力比 1 喷嘴的理想流量Gt 喷嘴的理想流量Gt可用下式计算 c1tv1t式中 An 喷嘴出口处截面积 m p0 2 喷嘴流量曲线 对于式 1 33 当喷嘴前的参数 只取决于喷嘴前后压力比 它们的关系如 图1 11中ABC曲线所示 当压力比从1逐渐 图1 11 1 36 式中 只与k值有关 对于过热蒸汽 k 1 3 0 667 饱和蒸汽 k 1 135 0 635 44 缩小时 流量逐渐增加 当喷嘴前后压力比等于临界压力比 n cr Gt
15、达最大值 如B所示 这时的流量称为临 p0 v0 和 喷嘴出口截面积An一定时 通过喷嘴的流量Gt 界流量 用Gcrt表示 当喷嘴前后压力比小于临界压力比时 流量保持最大值不变 如AB所示 其临界流量为 p0 v0 k 2k 1 Gcrt An k 1 k 1 Anv0 c1 c1tv1t n 称为喷嘴流量系数 对于过热蒸汽 取 n 式中 对于过热蒸汽 Gcr 0 648An Gcr 0 647An 45 3 通过喷嘴的实际流量的计算 动 1 Gt Gt v1tv1 通过喷嘴的实际流量为 G An Anv1v1v1t 1 39 v1tv10 97 对于饱和蒸汽 取 n 1 02 考虑了流量系数
16、之后 通过喷嘴的实际流量为 p0 v0 p0 v0 对于饱和蒸汽 另外还可以用单一的计算公式表示 p0 v0 其中 称为彭台们系数 对于亚临界流动 1 对于临界流 46 五 蒸汽在喷嘴斜切部分的流动为了使喷嘴中流出的汽流顺利进入动叶通道 在喷嘴出口处必须有一段斜切部分 如图1 14所示 这样 实际喷嘴由两部分所组成 一部分是渐缩部分ABDE AB为最小截面处 另一部分为斜切部分ABC 由于斜切部分的存 在 它将给汽流产 生影响 47 1 当喷嘴出口压力 背压 大于或等于临界压力时 AB截面 流通过喷嘴 只在渐缩部分膨胀加速 而在斜切部分ABC处不 膨胀加速 斜切部分只起导向作用 从喷嘴流出的汽流与动叶 2 当喷嘴出口压力 背压 小于临界压力时 汽流在AB截 面上达临界状态 汽流在斜切部分要继续膨胀加速 蒸汽压力 且汽流方向要发生扰动和偏转 如图1 14所示 上的流速小于或等于音速 喉部压力等于背压 p1 p1b 汽 运动方向成一角度 称为喷嘴出汽角 1 由临界pcr压力下降为p1 汽流速度由临界速度到大于音速 并 三 蒸汽在动叶栅中的流动与能量转换过程 一 动叶进出口速度三角形 从喷嘴
