西安交通大学能源与动力工程学院热动力工程系王新军热力叶轮机械原理Principle of Thermal Turbomachinery4.5 湿蒸汽级的能量转换 （多级汽轮机特殊问题之四） ◆ 湿蒸汽：干蒸汽与水滴的混合物 ◆ 湿蒸汽汽轮机（级）： 在湿蒸汽区域工作的汽轮机（级） 包括：多级汽轮机最后几级、地热汽轮机、核电汽轮机（压水堆：饱和蒸汽）、核动力汽轮机 ◆ 水份将对汽轮机（级）的工作产生两个方面的影响： 1）湿汽损失：2）动叶和汽缸材料的磨蚀：水份使干蒸汽的工作受到一定的影响 透平（级）效率降低水滴高速冲击动叶和汽缸表面， 造成叶片或汽缸材料表面脱落—水蚀一、湿蒸汽在透平中的流动过程和湿汽损失产生的原因 图4.10 拉伐尔喷管中的蒸汽膨胀 图4.11 过饱和蒸汽的焓-熵图 1）湿蒸汽的流动过程→ 蒸汽按等熵过程方程规律膨胀，始终处于热力学平衡状态； a点→b点： → 随着膨胀进行，湿度理应不断增大，与i-s 图相一致； → 但蒸汽分子凝结成水珠的过程是需要一定的条件的； → 当两个或更多气态分子偶然碰在一起就可能形成热力学平衡的、具有一定半径的凝结核； → 这样，在膨胀汽流中蒸汽的凝结就需要一定的时间； → 因此，膨胀喷管中 各点实际状态，不可能与i-s 图上 b→c 点相对应。
→ 当自发生成的凝结核数目足够多时，其它蒸汽分子才能很快地以此为核心大量地凝结； b点→c点： ◆ 也就是说，当过热度不大的蒸汽在喷管中膨胀进入湿蒸汽区域时，如果蒸汽非常洁净，蒸汽不会立即凝结产生水分；蒸汽仍然按照过热蒸汽的膨胀规律进行膨胀，这种现象称为过饱和现象◆ 蒸汽状态称为过饱和状态或过冷状态，在热力学上是不平衡的状态 → 蒸汽中产生自发凝结（几乎是突然地），恢复到热力学上的平衡态； ◆ 当过饱和蒸汽继续膨胀到过饱和极限位置点（湿度约为3.5~4%）时，才会发生蒸汽的突然凝结，有凝结水珠产生水珠直径约为：0.01μmc点： ◆ 这个过饱和极限位置点称为Wilson点；◆ 各条等熵膨胀线的过饱和极限位置点的连线称为Wilson线 → 蒸汽以湿蒸汽平衡状态等熵膨胀点的湿度则与 c点→d点 的湿度对应 c点→d点： 2）湿汽损失产生的原因 湿蒸汽的流动过程相当复杂，涉及到蒸汽的过饱和现象、自发凝结以及水滴运动学、动力学等水滴的产生过程和引起损失的原因大致如下： ① 过饱和现象和过饱和损失 ◆ 蒸汽在透平级叶栅通道中膨胀进入湿蒸汽区域时，将产生过饱和现象 ◆ 由于过饱和现象的存在，在给定的压力范围（ ）内，理想焓降有所减小（ ），作功能力也相应减小。
◆ 代表一种能量损失——过饱和损失 ② 水珠的形成与生长 ◆ 蒸汽由亚平衡过饱和状态迅速变化到热力学平衡湿蒸汽状态水珠温度与蒸汽温度十分接近，水珠与蒸汽之间不断有传热传质一方面，一部分水珠很快再蒸发成蒸汽；另一方面，蒸汽又在水珠上继续凝结形成更大的水珠——这个过程称为水珠的生长 ◆ 蒸汽凝结形成水珠的过程很快，可以认为是一个瞬间的现象；而水珠的生长过程则需要较长的时间 ◆ 生长后的水珠直径在0.01~1.0μm之间——初次雾滴 ◆ 当过饱和蒸汽膨胀到过饱和极限位置Wilson点时，蒸汽自发凝结，才会有凝结水珠产生；水珠直径约为：0.01μm（1×10-8m）—— 凝结核； ◆ 运动中的水珠可能发生碰撞水珠表面张力作用将合并成一个较大水珠，这样将导致水珠数目减少 ③ 水珠的运动与沉积 ◆ 初次雾滴随着汽流在叶栅通道中运动，由于水珠的惯性作用和扩散作用，水珠或水滴都程度不同地从蒸汽中分离出来◆ 直径较大的水滴，惯性力大，保持水滴原来运动方向的能力大，脱离汽流也早，这种分离导致水滴撞击并沉积在叶片表面上——惯性沉积； ◆ 直径较小的水珠，一部分随主汽流向叶栅下游运动；另一部分受汽流旋涡影响被带入边界层附近，依靠Brownian运动而穿越边界层，撞击并沉积到叶片表面上——扩散沉积； 直径为0.1m的水滴运动轨迹图 直径为25m的水滴运动轨迹图 内弧沿叶高的一次水滴相对沉积量 背弧沿叶高的一次水滴相对沉积量 内弧沿轴向位置的一次水滴相对沉积量 背弧沿轴向位置的一次水滴相对沉积量 内弧沿叶高的二次水滴相对沉积量 背弧沿叶高的二次水滴相对沉积量 内弧沿轴向位置的二次水滴相对沉积量 背弧沿轴向位置的二次水滴相对沉积量 内弧沿叶高的水滴相对沉积量 背弧沿叶高的水滴相对沉积量 内弧沿轴向位置的水滴相对沉积量 背弧沿轴向位置的水滴相对沉积量 ④ 水膜的运动、撕裂及二次水滴的形成 ◆ 从汽流分离出来的水滴，撞击并沉积在叶片表面上，形成厚度为10~300μm 水膜； ◆ 沉积在静叶表面上的水膜，受汽流切应力作用向静叶出口边运动，并在静叶出口边附近撕裂形成大分散度的粗糙水滴（d>10μm），最大水滴直径可达毫米级——粗糙水滴（二次水滴）。
◆ 沉积在动叶上的水膜，受离心力作用被甩向汽缸壁面而排出； 图4.12 汽轮机中水份的图解形式 ⑤ 摩擦阻力损失一般来看，透平中的水滴大体分为两类： ◆ 大部分是通过蒸汽自发凝结、生长过程而形成的水珠直径d 22.2 MPa，初温565℃⑥ 超超临界系列：初压 > 25 MPa，初温~600℃ ◆ 排汽参数（pz）：分为几个选择范围,主要与:凝汽器的换热面积、冷却水温度（环境）有关◆ 热力系统与给水温度： 热力系统: 与蒸汽的初参数、机组容量、抽汽级数有关抽汽级数与给水温度: 分为几个范围（可查相应的标准） ◆ 转速： 发电汽轮机 —— n = 3000 r/min；或:n = 1500 r/min（双极发电机）；或:n = 5600 r/min（用变速箱）；◆ 在满足汽轮机功率要求的前提下：→ 有许多热力设计方案，→ 但每个方案的技术经济性（如：相对内效率等）、制造成本各不相同，→ 需要进行方案比较驱动汽轮机 —— 根据实际驱动对象来确定；或采用变转速汽轮机 二、主要参数之间的关系在多级汽轮机的热力设计过程中： → 需要考虑的因素是多方面的， → 并且这些参数之间是相互关联、相互影响的。
→ 有必要分析各参数之间的相互关系1）转速 与透平重量 之间的关系 汽轮机的重量与 转速的 m 次方成反比： 提高转速的优点： 1）透平重量越轻，材料消耗越少，制造成本降低；2）透平级数 z 和平均直径 dm 都可以适当减小 n↑-→ u↑------→ c1↑-→ hs↑-→ z ↓或：u↓---------------------→ dm↓ 3）叶高 l 和部分进汽度 e 增大，汽轮机效率提高 n↑-→ dm↓ -→(A = const) l ↑/ e↑透平设计第一原则： 在多级汽轮机的设计中， 选择高转速有利于提高方案的经济性 转速选取的限制：转速的选择还取决于外界负荷的影响① 发电用汽轮机 → 受发电机工作特性限制汽轮机转速 n = 3000 r/min；→ 核电汽轮机：叶片高度大（保证通流面积和流量、功率）可采用半转速 n =1500 r/min(发电机电极为两对)；→ 小功率汽轮机：为减小尺寸采用较高转速 n = 5600 r/min，或n = 9000~10000 r/min，但需要减速器将转速降到 n = 3000 r/min与发电机连接② 驱动用汽轮机 → 受被驱动负荷工作特性曲线的影响，选择范围很大。
大型舰艇用汽轮机的转速可达 n = 6000~8000 r/min2）级数 与平均直径 的关系：按照现代蒸汽透平的设计实践，在转速一定下，透平级数与平均直径也要保持一定的比例原因： ① 如果级数 z 超过一定限度，将带来：◆ 转子细长，转子强度和振动不合适 ◆ 的比值增大，需要更多的扭叶片； ② 如果级数 z 太少→ 平均直径增大将导致： ◆ 叶高 l 和部分进汽度 e 大大减小，严重影响透平效率； ◆ 叶轮（叶片）的离心力增大，受到材料限制 3）各级平均直径的关系 ① 等内径整锻转子 用途：主要用于绝热焓降较小的背压透平特点：通流部分内径相同，各级的平均直径从高压到低压逐渐增大，各级的绝热焓降也逐渐增大优点：平均直径逐渐增大，叶高增大不多，叶片扭曲不剧烈缺点：透平径向尺寸变化剧烈，易造成汽流脱离，增大气动损失 ② 等外径整锻转子 用途：主要用于燃气透平 特点：通流部分外径相同，各级的平均直径和绝热焓降逐渐减小 优点：机组径向尺寸变化较小，流动性能好 缺点：平均直径逐渐减小，叶片越来越长，扭曲剧烈 ③ 等平均直径 其优、缺点介于等内径转子和等外径转子之间 ④ 内径、平均直径、外径逐渐增大 对于蒸汽透平，尤其是大功率凝汽式蒸汽透平，→蒸汽的膨胀程度很大，相应的容积流量也越来越大。
→因而通流面积也越来越大→需要同时增大级的平均直径和叶高来保证通流面积 图4.22 汽轮机通流部分变化规律 4）各级焓降分配和级数的确定 ◆ 在最佳速比下，任何一级的焓降可用公式表示： 其中： 图4.24 确定汽轮机级数用图 焓降分配具体过程和步骤：① 确定多级汽轮机的第一级平均直径和末级平均直径第一级平均直径:末 级平均直径: ② 初步确定通流部分形状（平均直径的变化规律）③ 确定/选择各级速比的变化规律（在最佳速比范围内）④ 确定（选择）各级反动度Ω的变化规律 ⑤ 将平均直径、速比、反动度的变化按比例画在图上 ⑥ 将图分为若干等距离段，分别量出各点的dm、x1和Ω根据公式：计算出各点的焓降hs，并画出焓降的变化规律 ⑧ 计算所需的级数 取整⑦ 计算各级的平均焓降 ⑨ 将上图重新分为z-1段（z个点），重新查出各级的焓降 5）汽轮机的分缸 汽轮机的分缸，取决于汽轮机功率的大小 ① 对小功率汽轮机： 一般为单缸； ② 对中等功率汽轮机：可以分为两个汽缸，即高压缸和低压缸；③ 对大功率汽轮机： 可以分为高压缸、中压缸和低压缸双排汽/四排汽 6）级的结构选取① 调节级：在通流部分最前面，它通过调节汽轮机的参数或流量 来调节汽轮机功率。
调节级均设计成冲动式，有单列/双列调节级：单列调节级:利用的理想焓降约为：84 ~ 147 kJ/kg适用于对经济性要求高的机组（如：核电汽轮机、大功率发电汽轮机）双列调节级:利用的理想焓降约为：167 ~ 418 kJ/kg适用于对经济性要求较低的中、小汽轮机组 ② 压力级：调节级之后的所有压力级有两种选择：冲动式/反动式：各有优、缺点根据生产厂习惯决定三、一定转速下的透平极限功率 是指在一定转速和蒸汽进、排汽参数下:一台单排汽口汽轮机在转子叶片材料所能安全承受 的最大应力值时，所能发出的最大功率透平极 限 功 率 1）透平极限功率 对一台单排汽口、无抽汽的汽轮机，其内功率Ni 为： 三个影响 功率因素： ① 汽轮机的蒸汽流量 G ； ② 汽轮机的总绝热焓降 Hs ；③ 汽轮机的相对内效率 分析1：总绝热焓降Hs↑—→ 汽轮机功率Ni↑◆ 多级汽轮机总绝热焓降: 1680 ~2100 kJ/kg 与进、排汽参数有关 ◆ 在汽轮机进、排汽参数给定下， Hs 已确定 分析2：透平内效率 ↑—→ 汽轮机功率Ni↑ ◆ 透平内效率变化很小（ ）； ◆ 大功率机组内效率高，小功率机组内效率低。
分析3：蒸汽流量 G↑—→ 汽轮机功率Ni↑◆ 汽轮机功率的增大主要是靠流量增大来实现的 ◆ 流量↑极限 —→ Ni↑极限 在多级汽轮机中：→ 流量对各级基本相同，但容积流量对各级却相差很大→ 随着蒸汽在汽轮机中的膨胀，汽流压力逐渐降低，末级的压力最低，比容最大，相应容积流量也最大→ 显然，末级的通流能力决定了整个透平的功率 ◆ 当末级流量增大到最大流量（极限流量）时，末级的通流面积也增大到最大面积， 末级连续方程： 其中：c2 —— 代表末级排汽速度 c2↑ —→ G↑—→ Ni↑ —→ hc2↑—→ 。