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1、第二章第二章 单级蒸汽透平单级蒸汽透平 单级透平（汽轮机）：单级透平（汽轮机）： 单级蒸汽透平与透平级的单级蒸汽透平与透平级的区别区别 只有一个透平级的透平（汽轮机）。只有一个透平级的透平（汽轮机）。图2.1 轴流式汽轮机级与汽轮机纵剖面图 透平级透平级透平级透平级 从结构上：从结构上：透平级透平级: : 仅是蒸汽透平的一个组成部分（工作单元）；仅是蒸汽透平的一个组成部分（工作单元）；单级透平单级透平: :透平级透平级汽缸汽缸转子转子进汽管路进汽管路排汽管路排汽管路前后前后轴承轴承汽封汽封整机，它包括整机，它包括: : 透平级透平级（通流部分），（通流部分）， 汽缸、转子、进排汽管路、前后轴承
2、箱、汽缸、转子、进排汽管路、前后轴承箱、 汽封装置以及调节、保安系统等。汽封装置以及调节、保安系统等。 从流动过程、能量转换的损失、作功上：从流动过程、能量转换的损失、作功上： 级通流部分中的流动情况和能量转换级通流部分中的流动情况和能量转换 级的喷管级的喷管/ /动叶动叶1/1/导叶导叶/ /动叶动叶2 2/ /余速损失余速损失轮周功率和轮周效率轮周功率和轮周效率级前级前喷管喷管动叶动叶11导叶导叶动叶动叶2 2级后级后 蒸汽流程蒸汽流程：涉涉 及及: :考考 虑虑: :功率和效率功率和效率：透透平平级级涉及涉及: : 从从汽轮机汽轮机进口到排汽进口到排汽口口的流动情况和能量转换。的流动情况
3、和能量转换。考虑考虑: : 级的喷管级的喷管/ /动叶动叶1/1/导叶导叶/ /动叶动叶2 2/ /余速损失余速损失 其它能量损失（其它能量损失（如如：进排汽节流损失、：进排汽节流损失、 摩擦损失、摩擦损失、 鼓风损失、弧端损失、鼓风损失、弧端损失、湿汽损失、湿汽损失、漏汽损失等）漏汽损失等）功率和效率功率和效率：轮周功率、轮周功率、 内功率、内功率、 有用功率有用功率 轮周效率、轮周效率、 相对内效率等相对内效率等单单级级透透平平蒸汽流程蒸汽流程：阀前：阀前主汽阀主汽阀调节阀调节阀进汽部分进汽部分 透平级透平级排汽部分排汽部分汽缸外汽缸外 单级蒸汽透平的单级蒸汽透平的功率功率： 0.5 kW
4、 3000 kW 单级蒸汽透平的单级蒸汽透平的用途用途： 原动机：原动机： 发电：发电：驱动大型水驱动大型水 泵、给水泵、油泵、泵、给水泵、油泵、 引风机、鼓风机等设备；引风机、鼓风机等设备； 单级蒸汽透平单级蒸汽透平基本要求基本要求： 结构简单、轻巧，成本低，运行方便可靠；结构简单、轻巧，成本低，运行方便可靠； 热耗率、汽耗率低，效率高。热耗率、汽耗率低，效率高。 实例少实例少 单级蒸汽透平单级蒸汽透平基本特征基本特征： 采用双列复速级采用双列复速级 双列复速级所能利用的焓降大，作功能力大。双列复速级所能利用的焓降大，作功能力大。 高背压高背压 省略汽轮机凝汽系统，省略汽轮机凝汽系统， 减小
5、机组结构复杂性和运行维修工作量；减小机组结构复杂性和运行维修工作量； 通流部分出口比容小，容积流量也小，通流部分出口比容小，容积流量也小， 汽轮机的几何尺寸小，制造成本低。汽轮机的几何尺寸小，制造成本低。 大焓降大焓降 双列复速级所利用焓降约为单列级的双列复速级所利用焓降约为单列级的四倍四倍。 小流量小流量 在一定功率在一定功率 下，所需流量就小。下，所需流量就小。 部分进汽部分进汽 高转速高转速 单级蒸汽透平的单级蒸汽透平的类型与结构类型与结构四种类型（按蒸汽的流动方向）：四种类型（按蒸汽的流动方向）： 轴流式双列复速级轴流式双列复速级 新蒸汽通过主汽阀、引入蒸汽室，再经过调节阀新蒸汽通过主
6、汽阀、引入蒸汽室，再经过调节阀 和喷管汽室进入喷管；和喷管汽室进入喷管； 全部喷管位于上汽缸的一个圆弧段，全部喷管位于上汽缸的一个圆弧段， 部分进汽度小于部分进汽度小于0.50.5； 蒸汽在动叶栅中作功后经排汽管离开透平。蒸汽在动叶栅中作功后经排汽管离开透平。 单级蒸汽透平的单级蒸汽透平的类型与结构类型与结构四种四种类型（按蒸汽的流动方向）：类型（按蒸汽的流动方向）： 轴流式双列复速级轴流式双列复速级 新蒸汽通过新蒸汽通过主汽阀主汽阀、引入、引入蒸汽室蒸汽室，再经过，再经过调节阀调节阀 和和喷管汽室喷管汽室进入进入喷管喷管； 全部喷管位于上汽缸的一个圆弧段，全部喷管位于上汽缸的一个圆弧段， 部
7、分进汽度部分进汽度小于小于0.50.5； 蒸汽在动叶栅中蒸汽在动叶栅中作功作功后经排汽管后经排汽管离开透平离开透平。 图2.2 轴流式单级汽轮机纵剖面图 回流式透平回流式透平 流动特征是：蒸汽流动特征是：蒸汽先向前先向前流动；流动； 然后然后再向后再向后流动；流动； 接着接着又向前又向前流动；流动； 最后最后排出排出汽缸。汽缸。 图2.3 回流式透平通流部分圆周截面图2.3 回流式透平速度三角形 特点特点： 只有一排动叶栅，发挥三列复速级的作用；只有一排动叶栅，发挥三列复速级的作用； 蒸汽双向流过一列动叶栅。动叶是完全对称的。蒸汽双向流过一列动叶栅。动叶是完全对称的。 有：有： 动叶叶高不变（
8、动叶叶高不变（ ），）， 但进汽速度差别很大（但进汽速度差别很大（ ），）， 相应的部分进汽度变化也很大（相应的部分进汽度变化也很大（ ）。）。 图2.4 回流式汽轮机纵剖面图 周向旋流式透平（周向旋流式透平（Terry 透平）透平） 特点特点： 透平动叶汽道是在轮缘上直接铣出来的半圆形透平动叶汽道是在轮缘上直接铣出来的半圆形 斜槽，汽流通过动叶栅时的流动方向是圆周向斜槽，汽流通过动叶栅时的流动方向是圆周向 （同动叶旋转方向一致）；（同动叶旋转方向一致）； 这种透平可以利用较大的焓降，且结构简单。这种透平可以利用较大的焓降，且结构简单。 图2.5 周向旋流式汽轮机纵剖面图 辐流式速度级透平辐流
9、式速度级透平 只适用于功率要求很小的场合。只适用于功率要求很小的场合。 图2.6 辐流式汽轮机纵剖面图 单级透平的损失、功率和效率单级透平的损失、功率和效率 单单级级透透平平 由于结构和流动而产生能量损失的地方也多，由于结构和流动而产生能量损失的地方也多， 导致能量转换效率低。导致能量转换效率低。 包含主汽阀、进排汽部分、透平级等许多零部件。包含主汽阀、进排汽部分、透平级等许多零部件。 蒸汽流经的路程和零部件多。蒸汽流经的路程和零部件多。 节流损失节流损失 原原 因因：是由于进汽阀门和进汽管道引起的能量损失。：是由于进汽阀门和进汽管道引起的能量损失。影响因素影响因素：与排汽管的直径和结构、排汽
10、速度有关。：与排汽管的直径和结构、排汽速度有关。 计算公式计算公式： 进汽节流损失：进汽节流损失： 图2.7 多级汽轮机示意图和焓-熵图 排汽节流损失排汽节流损失 原原 因因：主要是排汽管道中的摩擦损失。：主要是排汽管道中的摩擦损失。 影响因素影响因素：与排汽管的直径和结构、排汽速度有关。：与排汽管的直径和结构、排汽速度有关。 计算公式计算公式： 式中：式中： 与排汽管结构形式和汽流速度有关的与排汽管结构形式和汽流速度有关的 阻力系数，阻力系数， =0.050.1（速度高取偏大值速度高取偏大值） 排汽管中的汽流速度。排汽管中的汽流速度。 凝汽汽轮机凝汽汽轮机： m/s； 背式汽轮机：背式汽轮机
11、： m/s。 在汽流速度范围内，在汽流速度范围内，排汽管压力损失：排汽管压力损失： 轮周损失轮周损失 流动损失：喷管能量损失流动损失：喷管能量损失 动叶动叶能量损失能量损失 导叶能量损失导叶能量损失 动叶动叶能量损失能量损失 余速能量损失：余速能量损失： 透平结构损失透平结构损失 原因原因：考虑汽流的不稳定性以及通流部分中（动叶叶顶）：考虑汽流的不稳定性以及通流部分中（动叶叶顶） 漏汽等结构因素产生的损失；漏汽等结构因素产生的损失；大小大小：结构损失使双列复速级的轮周效率下降约结构损失使双列复速级的轮周效率下降约2.5%2.5%， 其结构损失系数为：其结构损失系数为： 轮面摩擦损失：轮面摩擦损
12、失： 蒸汽分子对环形叶轮产生蒸汽分子对环形叶轮产生的摩擦引起的损失。的摩擦引起的损失。 部分进汽损失：部分进汽损失： 由于部分进汽引起的能量损失。由于部分进汽引起的能量损失。 在不进汽弧段区域，在不进汽弧段区域，动叶栅的风扇作用所消耗能量；动叶栅的风扇作用所消耗能量； 鼓风损失：鼓风损失： 弧端损失：弧端损失：高速汽流将动叶中高速汽流将动叶中“呆滞呆滞”的蒸的蒸汽汽推动起来所消耗的能量。推动起来所消耗的能量。 机械损失：机械损失：透平轴承、齿轮箱、调速器、附属油泵透平轴承、齿轮箱、调速器、附属油泵等机械设备所消耗的能量。等机械设备所消耗的能量。 实线：机械效率与有效功率的关系曲线；实线：机械效
13、率与有效功率的关系曲线； 虚线：变速齿轮效率与机组功率的关系曲线虚线：变速齿轮效率与机组功率的关系曲线图图2.8 2.8 汽轮机机械效率与有效功率的关系曲线汽轮机机械效率与有效功率的关系曲线 汽轮机组的效率及动力装置的评价指标汽轮机组的效率及动力装置的评价指标 汽轮机的汽轮机的轮周效率轮周效率： 考虑损失考虑损失： 轮周损失轮周损失 评价对象评价对象：喷管损失喷管损失 、动叶、动叶损失损失导叶损失导叶损失 、动叶、动叶损失损失余速损失余速损失汽轮机汽轮机通流部分通流部分设计制造的设计制造的先进性指标先进性指标 汽轮机的相对内效率：汽轮机的相对内效率： 考虑损失考虑损失： 轮周损失（喷管轮周损失
14、（喷管/ /动叶动叶/导叶导叶/ /动叶动叶/余速）余速） 结构损失、轮面摩擦损失、结构损失、轮面摩擦损失、鼓风损失、弧端损失鼓风损失、弧端损失 评价对象评价对象：透平级内能量转换过程完善程度的指标透平级内能量转换过程完善程度的指标 汽轮机的内效率：汽轮机的内效率： 考虑损失考虑损失： 包括：包括：进排汽节流损失、轮周损失、进排汽节流损失、轮周损失、结构损失、结构损失、 轮面摩擦损失、鼓风损失、弧端损失等。轮面摩擦损失、鼓风损失、弧端损失等。 机组的所有内部损失。机组的所有内部损失。评价对象评价对象：汽轮机内能量转换过程完善程度的指标。汽轮机内能量转换过程完善程度的指标。 汽轮机的有用效率（发
15、电效率）：汽轮机的有用效率（发电效率）： 考虑损失考虑损失： 机组的所有内部损失机组的所有内部损失机械损失机械损失发电机损失发电机损失 评价对象评价对象：汽轮发电机组工作完善程度的指标。汽轮发电机组工作完善程度的指标。过 热 蒸 汽汽轮机冷却水给水泵 燃 料(煤、油气等)凝结水主汽阀发电机2.2 2.2 双列复速级的通流部分和轮周效率双列复速级的通流部分和轮周效率 一、叶栅特性数据一、叶栅特性数据 双列复速级，有双列复速级，有四排叶栅四排叶栅： 喷管叶栅喷管叶栅/ /第一列动叶栅第一列动叶栅/ /导向叶栅导向叶栅/ /第二列动叶栅第二列动叶栅 四排叶栅工作条件相差很大，叶型几何特性和空气四排叶
16、栅工作条件相差很大，叶型几何特性和空气 动力特性也有很大不同，动力特性也有很大不同，不能通用不能通用； 为减小双列复速级通流部分中的流动损失，为减小双列复速级通流部分中的流动损失，有必要有必要 选用四种特性不同选用四种特性不同高效率叶栅高效率叶栅组成复速级通流部分；组成复速级通流部分； 双列复速级的四个叶型总是双列复速级的四个叶型总是成套使用成套使用， 每个叶栅都有各自的几何特性和气动特性。每个叶栅都有各自的几何特性和气动特性。二、通流部分结构参数二、通流部分结构参数 选择双列复速级的叶栅型式（成套选择），选择双列复速级的叶栅型式（成套选择）， 确定四列叶栅的高度；确定四列叶栅的高度； 进行双
17、列复速级的热力计算（速度三角形、轮周功率进行双列复速级的热力计算（速度三角形、轮周功率 和轮周效率等的计算）。和轮周效率等的计算）。两方面的工作：两方面的工作：已知已知参数：参数： 复速级的进口蒸汽状态参数：复速级的进口蒸汽状态参数： 复速级的出口压力：复速级的出口压力： 复速级的转速：复速级的转速： 复速级的流量或功率：复速级的流量或功率：初步计算：初步计算： 首先不考虑叶栅的流动损失，取：首先不考虑叶栅的流动损失，取： 确定或选定透平级的基本参数，包括：确定或选定透平级的基本参数，包括： 等熵滞止焓降等熵滞止焓降 、速比、速比 、平均直径、平均直径 、 圆周速度圆周速度 、反动度、反动度
18、和反动度的分配和反动度的分配 汽流出口角汽流出口角 等。等。 进行双列复速级速度三角形计算。进行双列复速级速度三角形计算。 初步确定四排叶栅的出口面积和叶片高度初步确定四排叶栅的出口面积和叶片高度 喷管喷管面积面积： 动叶动叶面积面积： 导叶导叶面积面积： 动叶动叶面积面积： 几几计计何何算算参参面面数数积积 喷管喷管叶高叶高： 动叶动叶叶高叶高： 导叶导叶叶高叶高： 动叶动叶叶高叶高： 选择双列复速级的叶栅型式，选择双列复速级的叶栅型式， 初步确定四排叶栅的相对节距，并查出安装角初步确定四排叶栅的相对节距，并查出安装角 从叶栅特性图查出并取定相对节距为：从叶栅特性图查出并取定相对节距为： 相
19、对节距相对节距： 保证：保证： 利用选取的汽流出口角：利用选取的汽流出口角： 查出四排叶栅的安装角：查出四排叶栅的安装角： 初步确定四排叶栅的流动损失系数和速度系数初步确定四排叶栅的流动损失系数和速度系数 根据叶栅特性曲线和计算数据，根据叶栅特性曲线和计算数据， 查出四排叶栅的能量损失系数：查出四排叶栅的能量损失系数： 计算四排叶栅的速度系数：计算四排叶栅的速度系数：迭代计算：迭代计算： 利用初步计算得到的四排叶栅的速度系数利用初步计算得到的四排叶栅的速度系数 进行复速级实际速度三角形计算，并确定相应参数。进行复速级实际速度三角形计算，并确定相应参数。 重新计算四排叶栅的出口面积（重新计算四排
20、叶栅的出口面积（ ） 和叶片高度（和叶片高度（ ） 核算四排叶栅的相对节距（核算四排叶栅的相对节距（ ）三、双列复速级的轮周效率三、双列复速级的轮周效率喷管损失：喷管损失： 动叶动叶损失：损失： 导叶损失：导叶损失： 动叶动叶损失：损失： 余速损失：余速损失： 轮周效率：轮周效率： 2.3 2.3 摩擦损失、鼓风损失和弧端损失摩擦损失、鼓风损失和弧端损失 一、叶轮摩擦损失一、叶轮摩擦损失图2.9 叶轮摩擦损失示意图 摩擦损失摩擦损失原因原因： 蒸汽蒸汽粘性粘性、汽流速度沿轴向、汽流速度沿轴向梯度梯度 叶轮表面的摩擦阻力消耗部分轮周功。叶轮表面的摩擦阻力消耗部分轮周功。A-A汽缸壁面汽缸壁面静静
21、 止止叶轮壁面叶轮壁面旋旋 转转A-AA-A 截面截面周向周向 叶轮两侧的旋涡区，产生涡流，也消耗一部分轮周功。叶轮两侧的旋涡区，产生涡流，也消耗一部分轮周功。径径向向 摩擦损失摩擦损失位置位置：叶轮的两个端面叶轮的两个端面/ /叶轮前后的两个空间。叶轮前后的两个空间。 汽缸壁面汽缸壁面静静 止止叶轮壁面叶轮壁面旋旋 转转A-AA-A 截面截面周向周向 摩擦损失：摩擦损失：克服叶轮摩擦阻力和涡流所消耗的轮周功。克服叶轮摩擦阻力和涡流所消耗的轮周功。 摩擦损失功率的计算方法（通常用实验方法来确定）：摩擦损失功率的计算方法（通常用实验方法来确定）：斯托道拉（斯托道拉（Stodola）整理的经验公式
22、：）整理的经验公式： 摩擦损失功率影响因素：摩擦损失功率影响因素： 转速转速 n 级平均直径级平均直径 dm 密度密度 叶轮摩擦损失系数：叶轮摩擦损失系数：二、鼓风损失二、鼓风损失原因原因: : 鼓风损失是部分进汽透平级所特有的一种损失。鼓风损失是部分进汽透平级所特有的一种损失。 当透平级是部分进汽（当透平级是部分进汽（ ）时，）时， 喷管叶栅是布置喷管叶栅是布置在某一弧段上；在某一弧段上； 从喷管流出的高速蒸汽也仅仅分布在这一弧段上。从喷管流出的高速蒸汽也仅仅分布在这一弧段上。 动叶布置在叶轮整个圆周上的。动叶布置在叶轮整个圆周上的。这种情况下，动叶通道不是连续地通过工作汽体。这种情况下，动
23、叶通道不是连续地通过工作汽体。 对应进汽弧段的动叶栅，对应进汽弧段的动叶栅， 就有高速汽流进入，就有高速汽流进入， 汽流膨胀、作功。汽流膨胀、作功。 该进汽部分的动叶栅正常工作。该进汽部分的动叶栅正常工作。 对应非进汽弧段的动叶栅，没有汽流进入，对应非进汽弧段的动叶栅，没有汽流进入， 但该部分叶栅通道内存在着但该部分叶栅通道内存在着“基本静止的汽体基本静止的汽体”。 这部分的动叶栅就像这部分的动叶栅就像“风扇叶片风扇叶片”一样起鼓风作用，一样起鼓风作用， 使使“基本静止基本静止的汽体的汽体”通过动叶通道。通过动叶通道。 非进汽弧段的动叶起了风扇作用，非进汽弧段的动叶起了风扇作用， 相应地就消耗
24、了一部分能量，称为鼓风损失。相应地就消耗了一部分能量，称为鼓风损失。 鼓风损失产生的位置：鼓风损失产生的位置： 非进汽弧段非进汽弧段 鼓风损失功率（半经验公式）鼓风损失功率（半经验公式）: : 对单列有护罩的透平级（用护罩相当于鼓风区域减小）：对单列有护罩的透平级（用护罩相当于鼓风区域减小）： 图2.10 采用护罩的部分进汽级的示意图 对双列复速级（有护罩）：对双列复速级（有护罩）： 鼓风损失系数：鼓风损失系数： 摩擦鼓风损失：摩擦损失和鼓风损失合称摩擦鼓风损失：摩擦损失和鼓风损失合称其中其中: : k3 3 考虑工质性质系数考虑工质性质系数 （过热蒸汽：（过热蒸汽：k3 3 =1.0 =1.
25、0 ；饱和蒸汽：；饱和蒸汽：k3 3 = =1.21.3） A，B 经验系数（经验系数（A = 1.0，B = 0.4） 平均密度。单列级：平均密度。单列级： 双列级：双列级：图2.11 喷管组两端的不稳定汽流三、弧端损失三、弧端损失 原因原因: : 弧端损失也是部分进汽透平级所特有的一种损失。弧端损失也是部分进汽透平级所特有的一种损失。 当透平级是部分进汽（当透平级是部分进汽（ ）时，）时，动叶栅不是连续工作。动叶栅不是连续工作。 当动叶栅转到当动叶栅转到进汽弧段进汽弧段时，汽流在动叶内膨胀、时，汽流在动叶内膨胀、作功作功； 当动叶栅转到当动叶栅转到非进汽弧段非进汽弧段时，没有汽流进入动叶栅
26、时，没有汽流进入动叶栅作功作功。 对应非进汽弧段：动叶通道内充满了对应非进汽弧段：动叶通道内充满了“呆滞呆滞”的汽体。的汽体。 当动叶栅当动叶栅从非进汽弧段从非进汽弧段转向转向进汽弧段进汽弧段时，时， 从喷管出来的高速汽流为了能够进入动叶通道，从喷管出来的高速汽流为了能够进入动叶通道， 就必须推动和加速就必须推动和加速 “ “呆滞呆滞”在动叶通道中的汽体，在动叶通道中的汽体， 消耗一部分能量。消耗一部分能量。 图2.11 喷管组两端的不稳定汽流 当动叶栅从当动叶栅从进汽弧段进汽弧段转向转向非进汽弧段非进汽弧段时，时， 由喷管组最后一个喷管通道出来的蒸汽，由喷管组最后一个喷管通道出来的蒸汽， 受
27、到动叶栅旋转的影响以及汽流的不稳定性，受到动叶栅旋转的影响以及汽流的不稳定性， 也引起一部分能量损失。也引起一部分能量损失。图2.11 喷管组两端的不稳定汽流 这两种能量损失合称为透平级的弧端损失（斥汽损失）。这两种能量损失合称为透平级的弧端损失（斥汽损失）。 弧段损失产生的位置：弧段损失产生的位置： 1 1）从）从非进汽弧段非进汽弧段向向进汽弧段进汽弧段的过渡区域；的过渡区域；2 2）从）从进汽段进汽段向向非进汽段非进汽段的过渡区域。的过渡区域。 弧段损失的功率（半经验公式）：弧段损失的功率（半经验公式）： 弧段能量损失系数：弧段能量损失系数： 双列复速级：双列复速级： 单列级：单列级： 0
28、.6 四、级的相对内效率四、级的相对内效率 轮周损失：轮周损失： 喷管损失喷管损失 、动叶、动叶损失损失 、导叶损失导叶损失 、动叶、动叶损失损失 、 余速损失余速损失 结构损失：结构损失： 摩擦损失：摩擦损失： 鼓风损失：鼓风损失： 弧端损失：弧端损失： 透平透平级的理想焓降级的理想焓降（作功能力）：（作功能力）： 1 1）透平级相对内效率）透平级相对内效率 2 2） 、 、 对相对内效率对相对内效率 的影响的影响 从前面的分析来看：从前面的分析来看： 图2.12 三项损失对相对内效率的影响 可以看出：可以看出： 级相对内效率级相对内效率 0.25 mm 实际运行一段时间后：实际运行一段时间后： 0.6 0.8 mm 漏汽量漏汽量 和汽封片数和汽封片数 的的设计原则设计原则 要求：汽封总漏汽量不超过汽轮机进汽量的要求：汽封总漏汽量不超过汽轮机进汽量的1%。 措施：措施： 压力较高的汽封，将汽封分为压力较高的汽封，将汽封分为23个压力段；个压力段； 将压力较高的漏汽到可以利用的地方；将压力较高的漏汽到可以利用的地方； 漏汽信号：从汽封管中冒出的漏汽量极少；漏汽信号：从汽封管中冒出的漏汽量极少；
