《汽轮机原理》讲稿第01章

《《汽轮机原理》讲稿第01章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《汽轮机原理》讲稿第01章（104页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、1,汽轮机原理,任课教师： 陈 志 强 集美大学 机械工程学院热能方向2011.2,2,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,火力发电厂示意图,4,2 汽轮机的主要技术发展,采用大容量机组 提高蒸汽初参数 普遍采用一次中间再热 采用燃气-蒸汽联合循环系统提高效率 提高机组的运行水平,5,3 汽轮机制造工业,美国 通用电气公司、西屋电气公司 日本 日立

2、制作所、东芝电器会社、三菱重工株式会社 瑞士 BBC公司 中国 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、杭州汽轮机厂、南京汽轮发电机厂,6,动叶栅,7,喷嘴叶栅,8,9,10,4 汽轮机分类：,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,按作功原理分,按功能分,按参数高低分,11,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,Turbin

3、e,12,按主蒸汽压力分类 低压汽轮机 主蒸汽压力小于1.5MPa 中压汽轮机 24MPa 高压汽轮机 610MPa 超高压汽轮机 1214MPa 亚临界汽轮机 1618MPa 超临界汽轮机 超过22.5MPa 超超临界汽轮机 超过32MPa,国产汽轮机型号,* 汽轮机类型/额定功率蒸汽参数变型设计次序 凝汽式N,背压式B,一次调节抽汽式C,二次调节抽汽式CC,抽汽背压式CB,船用H,移动式Y,13,汽轮机不同型号的参数表示,凝汽式 主蒸汽压力/主蒸汽温度 N50-8.82/535 中间再热式 主蒸汽压力/主蒸汽温度/中间再热温度 N300-16.7/537/537 一次调节抽汽式 主蒸汽压力

4、/调节抽汽压力二次调节抽汽式 主蒸汽压力/ 高压抽汽压力/低压抽汽压力背压式 主蒸汽压力/背压抽汽背压式 主蒸汽压力/抽汽压力/背压,14,汽轮机还可以按汽缸数目分类,300MW 亚临界 16.18/550/550 16.18/535/535 16.67/537/537 16.67/538/538 600MW 超临界 100MW 高压 有单缸单排汽、六级回热和 双缸双排汽、七级回热 200MW 超高压 三缸三排汽、三缸双排汽 均为八级回热,15,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。,16,2

5、，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 先在喷嘴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。,17,18,3，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进、出动叶通道时其动能的变化量。而这种级称为冲动级。,19,4，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

6、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。,20,二 ， 反 动 度,级的热力过程线,反动度表示级中反动力所占比例，即蒸汽在动叶中膨胀程度的大小。,21,三 ， 冲 动 级 和 反 动 级,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。对于纯冲动级来说， p1 =p2、hb= 0 、hn* =ht* ，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hc2 表示。 2 ，带反动度的冲动级 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 )

7、、p1 p2、 hn* hb ，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。,22,4. 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。,3 . 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p1p2，反动级是在冲动力和反动力同

8、时作用下作功。反动级的效率比冲动级高，但作功能力小。,23,*冲动级作功能力大，反动级效率高？对于相同的级焓降，冲动级喷嘴的焓降可以全部用 来作功，反动级喷嘴的焓降比冲动级小，动叶的焓 降一部分作功，一部分转化为动能； 冲动级动叶产生较厚的附面层，摩擦损失大，效率 较低。,24,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流动：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

9、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。,25,基本方程式,1连续方程式 2能量方程式3状态与过程方程式 4动量方程式 5气动方程式,26,喷嘴截面积的变化规律,(1)当汽流速度小于音速，即Ma0， 则必须dA/dx1时，若要使汽流能继续加速，即dc/dx0， 则必须dA/dx0，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Ma=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，

10、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，在喷嘴喉部正好达到 音速，然后在渐扩部分达到超音速。,27,喷嘴中气流的临界状态,1，临界速度 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状态。这时的参数为临界参 数，用 等表示。则临界速度为：,结合,28,2，临界压力 根据 ,临界压力为： 对于等熵膨胀过程来说，有 ，则上式为 上式表明，临界压力只与等熵指数k和初压有关。临界压力与初压之比称 为临界压力比，用 表示： 对于

11、过热蒸汽（k=1.3)则 对于饱和蒸汽（k =1.135 )则,29,图18 压力、焓降、截面积、汽流速度、音速、比容沿流动的变化规律,30,二，蒸汽在喷嘴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 对于过热蒸汽，可近似看做理想气体，则上式可写成：,31,（ 二 ） 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，其过程曲线如图所示，则喷嘴

12、出口理想速度为或者为 上二式中， c1t -蒸汽流出喷嘴出口的理想速度(m / s )；h1t - 蒸汽按等熵过程膨胀的终态焓(J/kq )。,32,图中， 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， 则,33,2，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hn 表 示 ： 喷嘴损失与喷嘴滞止理想焓降之比称为喷嘴能量损失系数，用n 表示：,34,(

13、 四 ) 喷 嘴 流 量 计 算,1，喷嘴的理想流量Gt 计算 喷嘴的理想流量Gt可用下式计算:式中， An - 喷嘴出口处截面积(m2) ;C1t- 喷嘴出口处理想汽流速度(m/s) ;1t -喷嘴出口处质量密度( kq/m3) 。 若用(2-12a)表示，又有 , 则上式为 称 为喷嘴后压力与喷嘴前滞止压力比。,35,2，喷嘴流量曲线 对于上面公式，当喷嘴前的参数 和喷嘴出口截面积 An一定时，通过喷嘴的流量 Gt只取决于喷嘴前后压力比。它们的关系如图 中ABC曲线所示。当压力比从1逐渐缩小时， 流量逐渐增加，当喷嘴前后压力比等于临,界压力比（n=cr) ， Gt 达最大值，如B所示。这时

14、的流量称为临界流量，用Gtcr 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：,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。,36,3，通过喷嘴的实际流量的计算 通过喷嘴的实际流量为： 式中， 称为喷嘴流量系数。对于过热蒸汽，取0.97；对于饱和蒸 汽，取1.02。 考虑了流量系数之后，通过喷嘴的实际流量为： 对于过热蒸汽： 对于饱和蒸汽： 另外还可以用单一的计算公式表示： 其中，称为彭台们系数。对于亚临界流动，1,对于临界流动，=1。,37,(五) 蒸汽在喷管斜切部分中的流动,为了使喷

15、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ABEF，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。,38,1，当喷嘴出口压力(背压)大于或等于临界压力时，AB截面上的流速小于或等于音速，喉部截面AB压力等于背压( )，汽流通过喷嘴，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运动方向成一角度(称为喷嘴出汽角 )。 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，并且汽流方向要发生扰动和偏转，如图1-14所示。,