汽轮机原理与设备汽轮机原理与设备陈永昌陈永昌环境与能源工程学院环境与能源工程学院 主要参考书主要参考书§汽轮机原理，黄树红汽轮机原理，黄树红 等编，中国电力出版社，等编，中国电力出版社，2008年§电场热力设备及系统，王祥电场热力设备及系统，王祥 等编，中国电力出版社，等编，中国电力出版社，2006年§锅炉原理，周强泰锅炉原理，周强泰 等编，中国电力出版社，等编，中国电力出版社，2009年§锅炉原理与设备，徐生荣，苏磊，卢平编，中国水利水电锅炉原理与设备，徐生荣，苏磊，卢平编，中国水利水电出版社，出版社，2009年 基本要求基本要求学习汽轮机的工作原理，认识汽轮机学习汽轮机的工作原理，认识汽轮机本体结构及工作特性，掌握汽轮机热本体结构及工作特性，掌握汽轮机热力性能的基本计算方法，提高热动力力性能的基本计算方法，提高热动力设备的认知和解决问题能力设备的认知和解决问题能力 绪绪 论论1、汽轮机装置在电厂中的地位、汽轮机装置在电厂中的地位 锅锅 炉炉汽轮机汽轮机发发 电电 机机 蒸蒸 汽汽化学能化学能(燃料燃料)热能热能机械能机械能电能电能 2、汽轮机发展概述、汽轮机发展概述1、1883年，Laval （瑞典）研制第一台冲动轴流式汽轮机； 1884年，Parsons（英国）发明第一台实用反动式汽轮机，申请专利。
2、1897年，美国WH公司制造美国第一台120kW反动汽轮机； 1901年，瑞士BBC公司生产了欧洲第一台汽轮机，250kW，3000r/min； 1901年，美国GE公司生产了第一台冲动式汽轮机，500kW，1800r/min； 1959年，美国投运世界第一台超临界机组，125MW-31MPa-621/566℃； 70年代，多缸、单轴、多级、大功率（ ～ 700MW）； 现在，主流600～1000MW，超超临界参数：31MPa，620℃ 以上3、汽轮机主要制造业：、汽轮机主要制造业：vGE Co.（General Electric Corporation) 美国通用电气公司（冲动式）vWH Co. (Westing House Electric Corporation)西屋→Siements （反动式）vBBC (Brown Boveri Co.) 瑞士→Alstom法国（反动式）vAA (Alsthon-Atlantague Co.) 法国 （冲动式、反动式）v其它（俄国列宁格勒金属厂LMZ、日本Hitachi、Toshiba、Mitsubishi等） 4、、1955年，我国上汽制造出第一台年，我国上汽制造出第一台 6MW汽轮机；汽轮机； ～～80年代，自主制造年代，自主制造100、、125、、200、、300MW；； 现在，生产现在，生产 600 ～～1000MW，超临界汽轮机。
超临界汽轮机v 我国三大动力设备厂：我国三大动力设备厂：哈汽、上汽、东汽哈汽、上汽、东汽 工业汽轮机：北京、杭州、武汉工业汽轮机：北京、杭州、武汉 燃气轮机：南京燃气轮机：南京 我国发电装机容量我国发电装机容量 8亿亿kW，世界第二世界第二 §燃煤发电：燃煤发电：主要方式，占发电容量主要方式，占发电容量70%70%以上效率以上效率超过超过40%40%，高压高温（，高压高温（～～35MPa35MPa，，～～700℃700℃）；）；§燃气燃气——蒸汽联合循环：蒸汽联合循环：效率高，超过效率高，超过60%60%；；§核能发电：核能发电：1kg1kg铀铀=2700t=2700t标煤；标煤；§地热发电：地热发电：地热能地热能= =煤的煤的1.71.7亿倍；亿倍；§太阳能集热发电：太阳能集热发电：能量巨大，无污染，前景广阔能量巨大，无污染，前景广阔3、汽轮机的热力发电方式、汽轮机的热力发电方式 §朗肯循环朗肯循环§回热循环回热循环§中间再热循环中间再热循环§汽轮机做功汽轮机做功Ø高压高温蒸汽高压高温蒸汽→多级膨胀多级膨胀→低压低温凝汽；低压低温凝汽；Ø热能热能→平动动能平动动能→转动动能；转动动能；4、汽轮机的蒸汽动力循环、汽轮机的蒸汽动力循环 §转动部分转动部分：动叶栅，叶轮，主轴，联轴器：动叶栅，叶轮，主轴，联轴器§固定部分：固定部分：气缸，蒸汽室，喷嘴，隔板，气缸，蒸汽室，喷嘴，隔板，隔板套，汽封，轴承，机座等；隔板套，汽封，轴承，机座等；§盘车装置盘车装置§调节和保护系统调节和保护系统5、汽轮机的基本构成、汽轮机的基本构成 6、汽轮机的分类和型号、汽轮机的分类和型号冲动式冲动式反动式反动式工作原理工作原理热力特性热力特性凝汽式凝汽式背压式背压式调节抽汽式调节抽汽式抽汽背压式抽汽背压式中间再热式中间再热式混压式混压式汽流方向汽流方向轴流式轴流式辅流式辅流式功率功率用用 途途凝汽式供暖凝汽式供暖电站电站工业工业船用船用超临界超临界进汽参数进汽参数低压低压中压中压高压高压亚临界亚临界超高压超高压大功率大功率小功率小功率 按蒸汽压力分类按蒸汽压力分类汽轮机类别汽轮机类别主蒸汽压力主蒸汽压力（MPa)低压汽轮机 0.12 ~ 1.5中压汽轮机 2 ~ 4高压汽轮机 6 ~ 10超高压汽轮机 12 ~ 14亚临界压力汽轮机 16 ~ 18超临界压力汽轮机 > 22.1超超临界压力汽轮机 > 32 汽轮机的型号表示如下：汽轮机的型号表示如下：汽轮机类型额定功率（MW)蒸汽参数变型设计次序注意：蒸汽参数表示法和汽轮机类型有关注意：蒸汽参数表示法和汽轮机类型有关例：N300-16.7/538/538300MW凝汽式汽轮机，主蒸汽压力为16.7MPa，温度为538ºC，再热蒸汽温度538ºC。
代号代号型式型式代号代号型式型式N凝汽式凝汽式CB抽汽背压式抽汽背压式B背压式背压式CY船用船用C一次调整抽汽式一次调整抽汽式Y移动式移动式CC两次调整抽汽式两次调整抽汽式HN核电汽轮机核电汽轮机 7、本课的内容、本课的内容内容Ø原理Ø结构Ø运行本体本体辅机辅机凝汽设备凝汽设备调节保护调节保护 第一章第一章 汽轮机级的工作原理汽轮机级的工作原理•级是汽轮机中最基本的级是汽轮机中最基本的工作单位工作单位•级由静叶栅（喷嘴栅）级由静叶栅（喷嘴栅）和动叶栅组成和动叶栅组成•本章着重阐述单级汽轮本章着重阐述单级汽轮机的工作原理机的工作原理 1.1 蒸汽在级内的流动蒸汽在级内的流动p蒸汽在汽轮机中将热能转换为机械功的过程：具有一定压蒸汽在汽轮机中将热能转换为机械功的过程：具有一定压力和温度的蒸汽流经固定的喷嘴，并在其中膨胀，蒸汽力和温度的蒸汽流经固定的喷嘴，并在其中膨胀，蒸汽的压力、温度不断降低，速度不断增加，使蒸汽的热能的压力、温度不断降低，速度不断增加，使蒸汽的热能转化为动能然后，喷嘴出口的高速汽流以一定的方向转化为动能然后，喷嘴出口的高速汽流以一定的方向进入装在叶轮上的动叶通道中，进入装在叶轮上的动叶通道中， 由于汽流速度的大小和方向改变，由于汽流速度的大小和方向改变， 汽流给动叶片一定的作用力，汽流给动叶片一定的作用力， 推动叶轮旋转做功。
推动叶轮旋转做功p作用原理：作用原理： 冲动作用冲动作用 反动作用反动作用 基基本本方方程程式式（1）状态方程—— pv=RT（2）等熵过程方程—— pvk=常数（3）连续性方程—— Gv=Ac（4）能量守恒方程——Ø基本假设基本假设 （1）蒸汽在级内的流动是稳定流动 （2）蒸汽在级内的流动是一元流动 （3）蒸汽在级内的流动是绝热流动 喷嘴中的热力过程喷嘴中的热力过程§P0,P1分别是喷嘴进出口压力§理想热力过程从0→1§实际热力过程是0→2§0*点是0的滞止参数点hsh1p112h1t∆hn∆hc00p0P0*0*h0h0* 蒸汽滞止和喷嘴出口参数计算蒸汽滞止和喷嘴出口参数计算 喷嘴出口汽流速度的计算喷嘴出口汽流速度的计算 喷嘴出口的理想速度c1t为：喷嘴实际出口速度为：喷嘴速度系数动能损失为： 喷嘴动能损失滞止理想比焓降喷嘴的能量损失系数 ：与蒸汽之比 喷嘴截面积的变化规律喷嘴截面积的变化规律 喷嘴中的临界状态喷嘴中的临界状态 临界压力比临界压力比 只取决于蒸汽本身的性质，与喷嘴的结构无关。
只取决于蒸汽本身的性质，与喷嘴的结构无关 对于过热蒸汽：对于过热蒸汽： 对于干饱和蒸汽：对于干饱和蒸汽： 喷嘴中的蒸汽流量喷嘴中的蒸汽流量 （1）理想情况理想情况下，当喷嘴前后的压力比 大于临界压力比时，由连续性方程 有：实际流量：实际流量： 称为喷嘴流量系数，主要与蒸汽状态及蒸汽在喷嘴中的膨胀程度有关 （2）当喷嘴前后的压力比小于或等于临界压力比时，通过喷嘴的流量将保持不变，即为临界流量：实际临界流量：实际临界流量：对于过热蒸汽，对于饱和蒸汽， 由以上分析可知，通过喷嘴的最大蒸汽流量（即临界流量），在喷嘴出口面积和蒸汽性质确定后，只与蒸汽的初参数有关；只要初参数已知，则通过喷嘴的临界流量即为定值5、彭台门系数彭台门系数β 当喷嘴进出口压力比处于某个数值时，其相应的流量Gn与同一初状态下的临界流量Gnc之比值称为流量比，也称为彭台门系数，记为β 6、蒸汽在斜切部分的膨胀p0ptαtct 如图所示， AB为渐缩喷嘴的出口截面，即吼口截面，ABC 即为斜切部分当喷嘴出口压力p1大于临界压力p1c时，蒸汽在斜切部分不发生膨胀。
但当p1d
2、级的轮周效率和最佳速度比、级的轮周效率和最佳速度比一、速度三角形一、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： 当蒸汽以速度c2离开本级时，蒸汽所带走的动能不能本级利用，称为该级余速损失余速损失 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μ1表示被利用的部分，则为： 二、轮周功率和轮周功二、轮周功率和轮周功 单位时间内蒸汽推动叶轮旋转所做的机械功，称为轮周功率根据动量方程，叶片对蒸汽周向力为： 则轮周功率轮周功率为：1kg/s 蒸汽产生的有效功，称为级的做功能力级的做功能力，为： 由上式可以看出：单位蒸汽流量在一级内所做轮周功等于冲动力作功和反动力作功之和冲动力作功冲动力作功反动力作功反动力作功 三、级的轮周效率和最佳速度比三、级的轮周效率和最佳速度比蒸汽在级内的焓降计算公式 级的有效焓降等于级的做功能力轮周效率和速度比的定义轮周效率和速度比的定义 根据能量平衡，级的有效焓降为 单位蒸汽量流过某级所产生的轮周功与蒸汽在该级中理想可用能之比，称为该级的轮周效率。
速度比 x1=u/c1——反映了余速损失的大小假想速度比 xa=u/ca，其中假想速度轮周效率与喷嘴能量损失、动叶能量损失和余速损失有关轮周效率与喷嘴能量损失、动叶能量损失和余速损失有关 能量损失与速度系数有关能量损失与速度系数有关 叶栅确定以后，速度系数也就确定叶栅确定以后，速度系数也就确定 余速损失最小，轮周效率最大余速损失最小，轮周效率最大 如下图，为纯冲动级的情况如下图，为纯冲动级的情况 u轮周效率与速度比之间的关系轮周效率与速度比之间的关系纯冲动级的最佳速度比（孤立级）纯冲动级的最佳速度比（孤立级） 反动级的最佳速度比反动级的最佳速度比所以：则由 可得： 速度级（复速级）的最佳速度比速度级（复速级）的最佳速度比为便于分析，对速度级做如下假设：（1）蒸汽只在喷嘴中膨胀（2）在级中没有能量损失（3）各个进出口角度相等经过同样的分析可以得到：最佳假想速度比为 叶栅几何特性叶栅几何特性一、部分进汽度的定义 在确定喷嘴的尺寸之前，首先应根据喷嘴前后压力比的大小确定喷嘴的型式 二、流管的计算截面、叶高或宽度 1、n > cr2、 cr> n> 1d3、n< 1d 三、长叶片级的设计三、长叶片级的设计1、叶片径高比和相对节距的定义8~10的叶片就成为长叶片，其特点为：（1）圆周速度沿叶高不同，气流冲击背弧或凹弧；（2）叶栅存在最佳相对节距，大于或小于（（x1））op造成损失；（3）c1较c0、c2要大得多，受c1u离心力产生径向压力梯度的 影响，p1沿叶高是增加的，径向流动产生损失； 综合以上特点，可知长叶片要按二元或三元流进行设计2、二元流设计（简单径向平衡法cr=0） （1）理想等环量流型（cz=const→c1ur =const） （2）等1角流型(cos 1=c1u/c1 =const→c1urcos 1 =const）3、完全径向平衡法 （1）三元流流型 （2）可控涡流型（反动度沿叶高可按需要进行控制） 3、级内各项损失和级效率、级内各项损失和级效率一、级内损失一、级内损失 1、喷嘴能量损失、动叶能量损失和余速损失 喷嘴能量损失和动叶能量损失又称为叶栅损失，叶栅损失又可分 （1）叶型边界层的摩擦损失 （2）边界层脱离引起的涡流损失 （3）尾迹损失 （4）流道中有超音速时可能存在激波损失 2、叶高损失 3、撞击损失4、扇形损失5、叶轮摩擦损失6、部分进汽损失（1）鼓风损失（2）斥汽损失 7、湿汽损失hx8、漏汽损失h二、级效率 级的有效焓降 第二章第二章 多级汽轮机多级汽轮机本章主要讨论多级汽轮机中蒸汽的进、排汽损失，轴向推力以及轴封系统等问题 2.1 多级汽轮机的优越性及其特点多级汽轮机的优越性及其特点一、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，这些都是效率增大；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。
二、重热现象和重热系数 ΔhmactΔht’1Δht’2Δht’3Δht’4Δht，2Δht，3Δht，4Δhi，1Δhi，2Δhi，3Δhi，4Δhmaci在h-s图上，等压线沿着比熵增大的方向是逐渐扩张的，所以，多级汽轮机中上一级损失的一部分可以在以后各级中得到利用的现象 无损失和有损失时的理想焓降分别为：重热系数为： 全机有效比焓降则全机的相对内效率为：各级平均的相对内效率： 从以上分析可知，重热现象使全机的相对内效率高于各级平均的相对内效率但并不是说α越大，全机的效率就越高因为重热现象的存在只不过是使多级汽轮机能回收其损失的一部分而已 三、汽轮机装置的评价指标三、汽轮机装置的评价指标蒸汽的热能内功率Pi电功率Pel轴功率Pax1、汽轮机的相对内效率、汽轮机的相对内效率2、机械效率、机械效率3、发电机效率、发电机效率则汽轮发电机组的相对和绝对电效率为： 4、汽耗率、汽耗率——机组每生产机组每生产1KWh电能所消耗的蒸汽量电能所消耗的蒸汽量5、热耗率、热耗率——机组每生产机组每生产1 KWh电能所需的热量电能所需的热量 2.2 汽轮机进汽、排汽损失和热力过程线汽轮机进汽、排汽损失和热力过程线一、进汽损失一、进汽损失 进汽速度40~60m/s，进汽压力损失p0=0.03~0.05p0 优化阀的型线，使其带扩压管，把部分蒸汽的动能转化为压力能。
二、排气损失二、排气损失 凝汽机组的cex<100~120m/s，背压机组cex<40~60m/s 当进入排汽管的汽流速度较低，即M<0.3时，可以将蒸汽视为不可压缩流体，对其进出口建立能量平衡方程： 两边同除以 ，则有：静压恢复系数能量损失系数 当排汽管进口汽流 M>0.3时，就必须考虑其压缩性，但仍然有：三、多级汽轮机的热力过程线 2.3 多级汽轮机的轴向推力及其平衡多级汽轮机的轴向推力及其平衡 反动式汽轮机的轴向力有100~200T，冲动式汽轮机的轴向力有40~80T一、冲动式汽轮机的轴向推力 1、作用在动叶上的轴向推力2、作用在叶轮轮面上的轴向推力 隔板轴封漏汽量为通过平衡孔的漏汽量为动叶根部轴向间隙处的漏汽量为如动叶稍有漏气，其流量平衡为(d → pd→Fz,2) 3、作用在轴封凸肩上的轴向推力4、转子凸肩上的轴向力二、轴向推力的平衡 1、设置平衡活塞p121 2、采用具有平衡孔的叶轮p117 3、利用汽轮机分缸的反向平衡p121 4、采用推力轴承 2.4 轴封及其系统轴封及其系统一、轴封类型 1、高低齿曲径轴封；2、平齿光轴轴封。
二、芬诺曲线 等流量曲线 芬诺曲线 三、轴封漏汽量的计算 1、最后一个齿隙的汽流速度低于临界速度2、最后一个齿隙的汽流速度等于临界速度 第三章第三章 汽轮机在变工况下的工作汽轮机在变工况下的工作§汽轮机喷嘴变工况§级变工况§机组变工况§调节级变工况 一、渐缩喷嘴的变工况一、渐缩喷嘴的变工况 对于渐缩喷嘴，当其初参数及出口面积不变时，通过喷嘴的流量为：ACBGGcrG1PcrP1P1=PcP 在流量与出口压力的关系曲线图中，BC段近似于椭圆曲线，则： β即为彭台门系数，此时通过喷嘴的任意流量G可表示为：当蒸汽的参数发生改变时，喷嘴流量为：1、当初压不变时2、喷嘴前后压力同时变化时Ø流量锥的概念流量锥的概念 在实际计算中，大都采用图解法计算流量，即使用流量锥或是流量网图假设最大初压为p0m，相应的最大临界流量为G0m m、1、 0之间关系的三维显示为流量锥，二维表示为流量网图oad为等腰直角三角形） 渐缩喷嘴流量锥如右图所示abdc相对初压相对背压 二、缩放喷嘴的变工况（极限压力）1、当初压不变时 2、初终参数同时改变时 三、汽轮机级的变工况三、汽轮机级的变工况 喷嘴前、后压力发生变化引起流量的变化。
反之，当流经喷嘴的流量变化时，喷嘴和动叶前后的压力也要随之变化，从而引起级内各个参数发生变化本节主要研究级中诸参数随流量变化而变化的基本规律一）设计工况和变动工况均为临界工况1、喷嘴在临界状态2、动叶在临界状态 若近似认为 ，则有：用喷嘴参数表示则同理有：小结： 当级在临界状态下工作时，不论临界状态是发生在喷嘴中还是动叶中，其流量均与级前压力成正比，而与级后压力无关当c0变化不大 （二）设计工况及变工况均为亚临界状态 当级在亚临界状态下工作时，通过级的流量与级前后的压力均有关 动叶进口的撞击损失动叶进口的撞击损失一、冲角 正冲角时，气流冲击内弧面；负冲角时，气流冲击动叶的背弧面 级负荷变化，是由于流量变化，压力和焓降随之发生变化于是发生冲击损失二、撞击损失 焓降增大，导致正冲角； 焓降减小，导致负冲角 级内反动度的变化级内反动度的变化设计工况下的连续性方程焓降减小时的连续性方程，理论上有从p139b图上可以看出，实际情况是因此，级的反动度要增加 焓降减小，速度比增大，级内反动度增大；焓降增大，速度比减小，级内反动度减小； 四、汽轮机级组的变工况四、汽轮机级组的变工况（一）机组前、后压力与流量的关系 机组可以看作一个当量喷嘴 假设最大初压为p0m，相应的最大临界流量为G0m级组前压力的相对值级组后压力的相对值相对流量级组临界压力比 试验证明：试验证明： 工况变动时，机组前后的压力与流量的关系可用斯托多拉流量锥表示，即0、2、m组成流量锥； 级数越多，机组的临界压力比就越小； 初参数不同的同一级组具有相同的临界压力比。
无穷级数的级组中各级均处于亚临界时的流量比为佛留格尔公式，如下 亚临界变工况的流量与机组前后压力平方差的开方成正比级组中的末级均到达临界状态：级组中的末级均到达临界状态：例如级组由三级组成,如图示P0P1P2P3P4P5P6GⅠⅠⅢⅢⅡⅡ对第二级有： 同理有：（二）机组压力与流量公式的应用条件（二）机组压力与流量公式的应用条件 1、通过同一级组中各级的流量相等； 2、不同工况级组中各级的通流截面保持不变； 3、通过各级的汽流是一股均质流； 4、佛留格尔公式只适用于无穷级数的情况，有限级数时的精确计算要考虑级组的临界压力比 五、汽轮机的配汽方式和调节级的变工况目前常用的配汽方式有：喷嘴配汽和节流配汽一）喷嘴配汽333322221GØ工作过程：Ø主要特点：①机组在部分负荷时，效率较高②机组的高压部分在工况变化时温度变化很大，从而引起较大的热应力 喷嘴调节级压力与流量的关系 分析过程中，为了突出调节级主要变工况特点首先对上页所示的调节级的工作 过程作如下假定：1）忽略调节级后温度变化的影响，调节级后压力P2正比于全机流量；2）各种工况下级的反动度都等于零，p11=p21；3）四个调节汽门依次开启，没有重叠度；4）凡全开调节汽门后的喷嘴组前压力均为p0不变。
喷嘴组压力分配曲线（158页）喷嘴组流量分配曲线调节剂效率与流量的关系（160页）调节级、系数，焓降反动度、压力反动度和轮轴效率计算（162~163页） pG018765432调节级出口压力线G10.8G0.4GGQULIMKNVJGⅡ简化的调节级的压力与流量的关系 （三）节流配汽工作过程：进入汽轮机的所有蒸汽都通过一个调节汽门，然后进入汽轮机调节汽门控制流量大小GP0,t0主汽门调节汽门汽轮机hsh0t0p0p”0p’0pc 工作特点：1）机组在低负荷时调节汽门中节流损失较大，使扣除进汽机构节流损失后的理想比焓降减小得较多节流效率ηth ）2）没有调节级，结构比较简单；3）在工况变动时，各级比焓降变化不大，同时级前温度变化也较小。