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1、第三章 汽轮机的变工况特性汽轮机的热力设计就是在已经确定初终参数、功率和转速的条件下，计算和 确定蒸汽流量，级数，各级尺寸、参数和效率，得出各级和全机的热力过程线等。 汽轮机在设计参数下运行称为汽轮机的设计工况。由于汽轮机各级的主要尺寸基 本上是按照设计工况的要求确定的，所以一般在设计工况下汽轮机的内效率达最 高值，因此设计工况也称为经济工况。汽轮机运行时所发出的功率，将根据外界的需要而变化，汽轮机的初终参数 和转速也有可能变化，从而引起汽轮机的蒸汽流量和各级参数、效率等变化。汽 轮机在偏离设计参数的条件下运行，称为汽轮机的变工况。 ， 汽轮机工况变动时，各级蒸汽流量、压力、温度、比焓降和效率
2、等都可 能发生变化，零、部件的受力、热膨胀和热变形也都有可能变化。为了保证汽轮 机安全、经济地运行，就必须弄清汽轮机的变工况特性。电站汽轮机是固定转速汽轮机，限于篇幅，这里仅讨论等转速汽轮机的 变工况。主要讨论蒸汽流量变化和初终参数变化时的变工况，其中也就包含了功 率变化问题。汽轮机变工况是以级的交工况和喷嘲、动叶的变工况为基础的，因 此，必须首先介绍喷嘴、动叶的变工况。第一节 喷嘴的变工况特性缩放嘴嘴的交工况已由流体力学介绍道了，其中一个重要概念，就是缩放 喷嘴背压逐渐高于设计值时，将先在喷嘴出口处，后在喷嘴渐放段内产生冲波（或 称激波）。超音速汽流经过冲波，流速大为降低，损失很大。所以，缩
3、放喷嘴处 于背压高于设计值的工况下运行时效率很低。缩放喷嘴的速度系数申与压比、膨胀度f的关系如图3.1.1所示。膨n胀度f二An，A，表示缩放喷嘴出口而积A，与喉部临界截面而积A之比。每条/ Ancc曲线上甲最高的点（图示a,b,c,d）是该缩放喷嘴的设计工况点。由图可见，缩放喷 嘴设计压比越小，膨胀度f越大，而f越大的缩放喷嘴在实际压比增大时,nn19降得越多，因而喷嘴效率也降得越多。3.1.1中最上面一根虚线所示，因而变工况效率仍然较高，仅在小于临界压比 n时，9与效率才下降。一、渐缩喷嘴初压不变时背压与流量的关系喷嘴的流量公式为3.1.1)G PG 匕An芒綁片)2 k - ( fk+1
4、)k ” 0 0 7 0对于渐缩喷嘴，在定熵指数k和流量系数卩都一定的条件下，若喷嘴前滞 n止参数po、vo和出口而积a都不变，则喷嘴流量G与背压p的关系如图3. 1. 200n1中的曲线 ABC 所示。r 1尸4PI图3.1.2渐箱喷嘴的流与背压关系曲线当P P时，G= G不变，如直线AB所示；当pP时，流量沿曲线1 C C 1 CBC变化，曲线BC是根据式(3. 1. 1)画出的。曲线BC段与椭圆的1 / 4线段相当近似，若用椭圆曲线代替它，误差较小，故可用椭圆方程表示BC段的G件，关)2nc1 -)2 =卩3.1.2)nc式中，0是彭台门系数，各文字代号均同第一章式(1. 2. 19)。
5、式(3. 1. 2)比式(3.1.1)简便得多。下面分析式(3. 1. 2)的误差，将式(3， 1. 1)除以式(1. 2. 24) 得2(K+1K 一1 0 , E = p /p0 ； A是喷嘴进口面积，因是假想膨胀，并无损00*00101 01n失，效流量系数从卩=1。上两式相比得UU根据式（3.1.4）得E /e(k+1Vkk.0404 = 1E0 = E01是上式得解，即p代入式（314）与式（33.1.6)3.1.7)Gp严=01（3.1.8）Gpc0表明不同工况下的喷嘴临界流量正比于初压或滞止初压，反比于喷嘴前热力学温度的平方根或滞止热力学温度的平方根。若喷嘴前压力变动是由节流引起
6、 的，或喷嘴前温度未变（如滑压运行），或因温度变化很小而可以忽略，或因近似 计算而可以忽略温度变化（包括级和级组，后面凡不考虑温度变化时都是这四个 方面的原因不再重复），则喷嘴临界流量仅正比于初压或滞止初压。关于JOT冷 所带来的误差问题，在电站汽轮机中只有凝汽式汽轮 01 01机的最末一两级和调节级的喷嘴流速可能超过临界速度。对于调节级，不论定压 运行还是滑压运行，新蒸汽温度都应不变，且调节级喷嘴进口韧速c沁0，T = T0，0 0 0故 隔。：tt ；对于凝汽式汽轮机最末一两级，它们都处于湿蒸汽区，级前 01 01后压力和温度都很低，例如，流量由没计值增大20%时，久0-T，的01 01误
7、差仅为 0.19%左右。2设计工况与变工况下喷嘴均为亚临界工况喷嘴出口流速小于临界速度时，称喷嘴处于亚临界工况。若设计工况与变工况下喷嘴都是亚临界工况，流量比为(3.1.9)若不考虑温度变化，则3.1.10)Gp P 0p P=101 = 101Gp P 0p P00若工况变动前为临界工况，变动后为亚临界工况，则可用临界工况公式算到E =E处再用亚临界工况公式由E =8算到变动后的工况。若相反，则计算 n ncn nc方法也相反。3渐缩喷嘴初压、背压与流量的关系若渐缩喷嘴前后的蒸汽参数都变化，仅初温不变或不考虑初温变化的影响， 则对于每一个初压都可画出一条与图3. 1. 2中曲线ABC相似的流
8、量与背压的 关系曲线，示于图3. 1. 3中。图中力AOB区域是临界工况区，临界流量与初 压成正比。 BOC 区域是亚临界工况区，同一初压下流量与背压近似成椭圆曲线关系。若各初压下的临界压力比e不变，则各曲线水平段与椭圆段的交点必位nc于同一直线OB上，因这些交点的纵横坐标成正比。由图3. 1. 3可一目了然地 看出不考虑初温变化时流量与初压、背压的相互关系。因从相对运动的观点来分析，动叶栅中的流动与喷嘴叶栅中的流动是完全一样的 只要把喷嘴前的热力参数换为动叶前的相对热力参数即可。附带说明一点，固3. 1. 2中的虚线B0,虽对渐缩喷嘴不适用，但它适用于缩放喷嘴的各设计工况。因虚线BO是根据式
9、（3. 1. 1）在k与卩都一定旦p0、 n0vo与喷嘴出口面积A都不变的条件下画出的p p的G一 p关系曲线，而式0 n 1 c 1（2. 1， 1）是由连续方程、能量方程与等比嫡过程方程严密推导而得的，因此曲线BO应该有物理意义。疑问在于po、vo与A都不变时，p减小为什么会使喷 0 0 n 1嘴流量降低?原因是po,vo不变时，随着设计背压P1的减小，设计压比减小， o onA缩放喷嘴的膨胀度f二f 必然增大（见图3. 1. 1），而出口而积A已规定不变， Anc故f增大必然使缩放喷嘴喉部面积A减小，如图3. 1. 4所示，于是缩放喷嘴流c量G二G二o.648A Jpo/将随A减小而减小。另外，也可从连续方程 ncc * / V oc1 oG二A 来分沂：由于超音速区域随着压比减小，即随着比焓降增大，比容vtn / V1t 增大得较大而流速c相对地增大得较小（见图1. 2. 3）,因此，当p0、V0一定的1t0 0缩放喷嘴的设计背压p降低时，若连续方程中A不变，则G必将减小。当p0不1 n t 0变而p T 0时，f t I 而A为定值，只能使A T 0 ,则缩放顷嘴流量G T 0。1nc达就表明图3. 1. 2中的虚线BO是各缩放喷嘴设计背压p与流量的关系曲线,1这些缩放喷嘴的出口面积A不变，但喉部截面A将随p减小而减小，因而nc1这些缩放喷嘴的流量也将随p的减小而减小。
