能源力装置基础04a

《能源力装置基础04a》由会员分享，可在线阅读，更多相关《能源力装置基础04a（192页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、能源与动力装置基础能源与动力装置基础任任课课教师教师：刘刘 华华 堂堂华中科技大学 能源学院 文华学院2009年2月1 涡轮机又称涡轮机又称透平机透平机，它是，它是汽轮机、燃气轮机、透平膨胀汽轮机、燃气轮机、透平膨胀机、水轮机机、水轮机等旋转叶轮动力机械的总称，是输出动力的等旋转叶轮动力机械的总称，是输出动力的原动原动机机。 其中，其中，汽轮机汽轮机在火电厂、核电厂用作拖动发电机发电的原动机，现在火电厂、核电厂用作拖动发电机发电的原动机，现代大型火力发电机组给水泵的动力，也用汽轮机。代大型火力发电机组给水泵的动力，也用汽轮机。水轮机水轮机通常用作水电厂的动力。通常用作水电厂的动力。燃气轮机燃气

2、轮机用作燃气电厂的动力，也作为航空飞机、轮船的动用作燃气电厂的动力，也作为航空飞机、轮船的动力机械。力机械。透平膨胀机透平膨胀机用作能量回收和低温制冷领域之中。用作能量回收和低温制冷领域之中。第四章第四章 涡轮机涡轮机2 第第 一一 节节 概概 述述汽轮机、燃气轮机、透平膨胀机汽轮机、燃气轮机、透平膨胀机的工质都是气体，高温、高压的工质都是气体，高温、高压气体在通流部分膨胀做功，对外输出机械功率。气体在通流部分膨胀做功，对外输出机械功率。我国目前火电厂主要是燃煤电厂。在燃煤电厂中，汽轮机就是我国目前火电厂主要是燃煤电厂。在燃煤电厂中，汽轮机就是利用高温、高压气体在通流部分膨胀做功，使转轮旋转，

3、从而利用高温、高压气体在通流部分膨胀做功，使转轮旋转，从而拖动发电机发电拖动发电机发电。燃气轮机发电机组在以石油为主要能源的国家发展也很快。燃气轮机发电机组在以石油为主要能源的国家发展也很快。近年来，我国也开始建造近年来，我国也开始建造燃气燃气蒸汽联合循环蒸汽联合循环发电厂。发电厂。3 汽轮机、燃气轮机、透平膨胀机汽轮机、燃气轮机、透平膨胀机的的工质工质都是气体，都是气体，都是都是高温高压气体高温高压气体高温高压气体高温高压气体膨胀成膨胀成低温低压气体低温低压气体低温低压气体低温低压气体，同时对外输，同时对外输出机械功，气体涡轮机的主要结构形式有径流式和轴出机械功，气体涡轮机的主要结构形式有径

4、流式和轴流式，它们的结构尽管有很大不同，但是其基本工作流式，它们的结构尽管有很大不同，但是其基本工作原理是相同的。原理是相同的。本章以本章以轴流汽轮机为主轴流汽轮机为主，介绍其工作，介绍其工作原理原理。 汽轮机是电厂三大主机之一汽轮机是电厂三大主机之一4 汽轮机分类汽轮机分类（1 1）按）按作功原理作功原理分类分类可分为可分为冲动式、反动式汽轮机冲动式、反动式汽轮机。（2 2）按）按汽轮机功能汽轮机功能分类分类可分为可分为凝汽式、供凝汽式、供 热式汽轮机热式汽轮机 （3 3）按蒸汽）按蒸汽参数高低参数高低分类分类可分为可分为低压、中压、高压、超低压、中压、高压、超高压、亚临界压力、高压、亚临界

5、压力、 超临界压力汽轮机超临界压力汽轮机。 此外，还有此外，还有单缸、多缸汽轮机单缸、多缸汽轮机；按汽轮机轴的个数多少又；按汽轮机轴的个数多少又分为分为单轴、双轴汽轮机单轴、双轴汽轮机。56一、汽轮机级的工作原理一、汽轮机级的工作原理1, 汽轮机的级：汽轮机的级： 级级由一组由一组静叶静叶栅栅和一组和一组动叶栅动叶栅所所组成组成 。为汽轮机。为汽轮机最小作功单元最小作功单元图4178具有一定压力、温度的蒸汽首先在静具有一定压力、温度的蒸汽首先在静叶栅通道叶栅通道中中膨胀加膨胀加速速，将蒸汽的热能转化为高速汽流的，将蒸汽的热能转化为高速汽流的动能动能，然后进入然后进入动叶通道动叶通道，在其中，在

6、其中改变方向改变方向改变方向改变方向或者或者既改变方向同既改变方向同既改变方向同既改变方向同时又膨胀加速时又膨胀加速时又膨胀加速时又膨胀加速，推动叶轮旋转，将高速汽流的动能转变，推动叶轮旋转，将高速汽流的动能转变为为旋转机械能旋转机械能，完成利用，完成利用 蒸汽热能作功的任务。蒸汽热能作功的任务。2, 2, 级的工作原理级的工作原理9级中总的理想焓降：级中总的理想焓降： h ht t*反动度：反动度： 级的平均反级的平均反 动度为蒸汽在动度为蒸汽在动叶动叶 通道通道中膨胀时的中膨胀时的焓降焓降 h hb b和和 在在整个级整个级的的理想焓降理想焓降 h ht t* *之比，之比， 即：即：(4

7、-1) 级的热力过程曲线级的热力过程曲线（如图（如图42）图图4210 蒸蒸汽汽对对动动叶叶片片产产生生的的作作用力用力 冲冲动动力力：当当汽汽流流通通过过动动叶叶通通道道时时，由由于于受受到到动动叶叶通通道道形形状状的的限限制制而而弯弯曲曲被被迫迫改改变变方方向向，因因而而产产生生离离心心力力，离心力作用于叶片内弧上，被称为离心力作用于叶片内弧上，被称为冲动力冲动力。反反动动力力：当当汽汽流流通通过过动动叶叶通通道道时时，要要膨膨胀胀加加速速，会会对对叶片产生一个反叶片产生一个反 作用力，即作用力，即反动力反动力。11二、冲动级和反动级二、冲动级和反动级 1. 1. 冲动级的形式冲动级的形式

8、 1 1） 纯冲动级：纯冲动级：通常把反动度通常把反动度 m m等于零的级称为纯冲动级。对于纯冲动级等于零的级称为纯冲动级。对于纯冲动级来说，来说，p p1 1= p= p2 2、 h hb b=0=0、 h ht t* *= = h hs s* *= = h hn n* *， 余余速速损损失失：蒸蒸汽汽流流出出动动叶叶的的速速度度c c2 2, ,具具有有一一定定的的动动能能1/2 1/2 c c2 22 2未未被被利利用而损失，称这种损失为余速损失，用用而损失，称这种损失为余速损失，用 表示表示。2) 2) 带带反反动动度度的的冲冲动动级级：为为了了提提高高级级的的效效率率，通通常常使使冲

9、冲动动级级也也带带有有一一定定的的反反动动度度（ m m =0.05=0.05 0.200.20），这这种种级级称称为为带带反反动动度度的的冲冲动动级级，它它具具有有作作功能力大、效率高的特点。功能力大、效率高的特点。123）复速级：）复速级： 由由一一组组静静叶叶栅栅和和安安装装在在同同一一叶叶轮轮上上的的两两列列动动叶叶栅栅及及一一组组介介于于第第一一、二二列列动动叶叶栅栅之之间间、固固定定在在汽汽缸缸上上的的导导向向叶叶栅栅所所组组成成的级，称为复速级。的级，称为复速级。* * 蒸汽在复速级中的作功过程：蒸汽在复速级中的作功过程： * * 为了提高复速级的效率，也采用一定为了提高复速级的

10、效率，也采用一定 的的反动度反动度。* * 复速级具有作功能力大的特点，在复速级具有作功能力大的特点，在 中小型汽轮机中，中小型汽轮机中，通常用复速级作通常用复速级作 为为调节级调节级。132反动级：反动级：在汽轮机中通常把反动度在汽轮机中通常把反动度 m m =0.5 =0.5的级称为反动级。的级称为反动级。1)1) 对于反动级，蒸汽在对于反动级，蒸汽在静叶静叶和和动叶动叶通道的通道的膨胀程度相同膨胀程度相同，即，即， 反动级是在冲动力和反动力同时作用下作功。反动级是在冲动力和反动力同时作用下作功。2)2) 反动级的效率比冲动级高，但作功能力小。反动级的效率比冲动级高，但作功能力小。3)3)

11、 调节级调节级调节级调节级和和压力级压力级压力级压力级： 采用喷嘴调节功率大小的汽轮机，它采用喷嘴调节功率大小的汽轮机，它的第一级通常称为调节级，其余的级统称为压力级。的第一级通常称为调节级，其余的级统称为压力级。14作业与思考作业与思考1，叙述汽轮机级的工作原理；2，汽轮机的分类；3，解释专业名词：级，反动度，冲动级，反动级，复速级；4，画出级的热力过程曲线。15第第 二二 节节 级内能量转换过程及效率级内能量转换过程及效率 叶栅通道中流动具有叶栅通道中流动具有三元流动三元流动特性，但是，为了研究方特性，但是，为了研究方便，忽略蒸汽的粘性，并便，忽略蒸汽的粘性，并假设假设： 1 1蒸蒸汽汽在

12、在叶叶栅栅通通道道的的流流动动是是稳稳稳稳定定定定的的的的 即即在在流流动动过过程程中中，通通道中任意一点的蒸汽参数不随时间变化而改变。道中任意一点的蒸汽参数不随时间变化而改变。2. 2. 蒸汽在叶栅通道的流动是蒸汽在叶栅通道的流动是一元流动一元流动一元流动一元流动 即蒸汽在叶栅通道中即蒸汽在叶栅通道中流动时，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。的截面上不变化。3 3蒸汽在叶栅通道的流动是蒸汽在叶栅通道的流动是绝热流动绝热流动绝热流动绝热流动 即蒸汽在叶栅通道中流即蒸汽在叶栅通道中流动时与外界没有热交换。动时与外界没有

13、热交换。16基本方程式基本方程式 在汽轮机热力计算中，要用到可压缩气体的一元流动基本方程式有：在汽轮机热力计算中，要用到可压缩气体的一元流动基本方程式有：连续方程式：连续方程式：能量方程式：能量方程式：状态及过程方程式：状态及过程方程式：动量方程式：动量方程式：气动方程式：气动方程式：17一、蒸汽在静叶栅通道中的膨胀过程一、蒸汽在静叶栅通道中的膨胀过程喷喷嘴嘴的的作作用用：是是让让蒸蒸汽汽在在其其中中流流动动时时得得到到膨膨胀胀加加速速，将将热热能能转转变变为为动动能能。喷喷嘴嘴是是固固定定不不动动的的，蒸蒸汽汽流流过过时时，不不对对外外作作功功，W=0W=0；同时与外界同时与外界无热交换无热

14、交换，q=0q=0。根据能量方程式，则根据能量方程式，则根据能量方程式，则根据能量方程式，则(4-2)上式可写成：(43)18（一）喷嘴出口汽流速度计算一）喷嘴出口汽流速度计算1 1喷嘴出口的汽流理想速度喷嘴出口的汽流理想速度 已知条件已知条件已知条件已知条件：喷嘴前的参数：喷嘴前的参数 p p0 0 t t0 0 h h0 0 c c0 0。按等熵过按等熵过程膨胀（图程膨胀（图4343）。根据式（）。根据式（4242），则），则喷嘴出口汽喷嘴出口汽流理想速度流理想速度为为（4-4）19图图4-3 蒸汽在喷嘴中的膨胀过程曲线蒸汽在喷嘴中的膨胀过程曲线在焓熵图中表示为右图：在焓熵图中表示为右图：

15、其中，其中， 称为称为喷嘴的理想焓降喷嘴的理想焓降， 称为称为喷嘴滞止焓降喷嘴滞止焓降。20 利利用用滞滞止止点点0 0* *的的滞滞止止参参数数, ,分分别别代代入入式式(44) (44) ，则则 （4545） 2 2喷嘴出口的汽流实际速度喷嘴出口的汽流实际速度由于流动是有损失的，汽流实际速度小于理想速度。这样，喷由于流动是有损失的，汽流实际速度小于理想速度。这样，喷嘴出口的汽流实际速度为嘴出口的汽流实际速度为 (46)(46)其中，其中，为为喷嘴速度系数喷嘴速度系数，通常取，通常取=0.97。213喷嘴损失喷嘴损失喷喷嘴嘴损损失失：蒸蒸汽汽在在喷喷嘴嘴通通道道中中流流动动时时，动动能能的的

16、损损失失称称为喷嘴损失，用为喷嘴损失，用 h h表示：表示： (47)(47) 喷喷嘴嘴能能量量损损失失系系数数 喷喷嘴嘴损损失失与与喷喷嘴嘴理理想想焓焓降降之之比，用比，用 表示表示：(4-8)22(二二)喷嘴中汽流的临界状态喷嘴中汽流的临界状态1 1临界速度临界速度汽流音速汽流音速： 当用当用0 0* *点的滞止参数表示时，代入音速公式，则有点的滞止参数表示时，代入音速公式，则有 (49)(49) 临界状态、临界参数临界状态、临界参数 、临界速度、临界速度 当蒸汽在喷嘴通道中膨胀时，速度逐渐增加，压力和焓值逐渐降低，当蒸汽在喷嘴通道中膨胀时，速度逐渐增加，压力和焓值逐渐降低，音速也降低，如

17、图音速也降低，如图4444所示。到某一截面会出现汽流速度等于所示。到某一截面会出现汽流速度等于当地音速当地音速。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临界状态。这时的参。这时的参数为数为临界参数临界参数 。则则临界速度临界速度为为：(4-10)232临界压力临界压力根据根据(310),(310),临界压力为：临界压力为： (4-11)(4-11)对于等熵膨胀过程，则上式为对于等熵膨胀过程，则上式为 (4-12)(4-12)上式表明：上式表明： 临界压力只与蒸汽指数临界压力只与蒸汽指数 k k 和初压有关和初压有关。临界压力比临界压力

18、比： 临界压力与初压之比称为临界压力比临界压力与初压之比称为临界压力比 (4-13)(4-13)过热蒸汽过热蒸汽（k=1.3k=1.3）则则 =0.546=0.546；饱和蒸汽饱和蒸汽（k=1.135）则=0.577.24（三）喷嘴截面积的变化规律（三）喷嘴截面积的变化规律 根据根据连续性方程式连续性方程式的微分形式、的微分形式、动量方程式动量方程式和和等熵等熵过程方程式、马赫数过程方程式、马赫数可推出下式：可推出下式： (4-14)(4-14)上上式式可可看看到到，喷喷嘴嘴截截面面积积的的变变化化，不不仅仅和和汽汽流流速速度度有有关关，同同时时还还和和马马赫赫数数M M的的大小有关：根据上式

19、进行分析：大小有关：根据上式进行分析：（1 1）当当汽汽流流速速度度小小于于音音速速，即即M1M1M1时时：若要使汽流能继续加速，则喷嘴截面积：若要使汽流能继续加速，则喷嘴截面积必须沿流动方向逐渐增加，即做成渐扩喷嘴。必须沿流动方向逐渐增加，即做成渐扩喷嘴。（3 3）当汽流速度在喷嘴某截面上刚好等于音速，即当汽流速度在喷嘴某截面上刚好等于音速，即M=1M=1：表明横截面表明横截面A A达到最达到最小值，即喉部截面。小值，即喉部截面。25简单的渐缩喷嘴是得不到超音速汽流的。为了使喷嘴中的简单的渐缩喷嘴是得不到超音速汽流的。为了使喷嘴中的汽流达到超音速，除了喷嘴出口汽流达到超音速，除了喷嘴出口蒸汽

20、压力必须小于临界压力蒸汽压力必须小于临界压力外，外，还必须在还必须在喷嘴形状上加以保证喷嘴形状上加以保证，即作成，即作成缩放喷嘴缩放喷嘴。缩放喷嘴是。缩放喷嘴是由渐缩和渐扩喷嘴组合而成的。汽流通过缩放喷嘴时，在喷嘴由渐缩和渐扩喷嘴组合而成的。汽流通过缩放喷嘴时，在喷嘴喉部达音速，然后在渐扩部分达超音速。喉部达音速，然后在渐扩部分达超音速。根据上述分析可知根据上述分析可知：26（四）喷嘴流量计算（四）喷嘴流量计算1 1喷嘴的理想流量喷嘴的理想流量q qmthmth计算计算 喷嘴的理想流量喷嘴的理想流量q qmthmth可用下式计算可用下式计算: : (4-15) (4-15)式中，式中， 喷嘴出

21、口处截面积，喷嘴出口处截面积，(m)(m)； 喷嘴出口处理想汽流速度，喷嘴出口处理想汽流速度，(m/s)(m/s)； 喷嘴出口处比容，（喷嘴出口处比容，（m/kqm/kq）。）。2 2喷嘴流量曲线喷嘴流量曲线 喷嘴理想流量（喷嘴理想流量（ ）也可用下式计算）也可用下式计算 （416416）式中，式中， 称为称为喷嘴前后压力比喷嘴前后压力比27用式用式(416)来计算通过喷嘴的流量可得出：来计算通过喷嘴的流量可得出： 当喷嘴前的当喷嘴前的参数参数和喷和喷嘴嘴出口截面积出口截面积（ ）一定时，通过喷嘴的一定时，通过喷嘴的流流流流量量量量只取决于只取决于喷嘴前后压喷嘴前后压喷嘴前后压喷嘴前后压力比力

22、比力比力比（ ）。它们的）。它们的关系如图关系如图4-54-5中中ABCABC曲线曲线所示。即：所示。即：图 4-5281.1.当压力比当压力比 =1=1时，喷嘴前后压力时，喷嘴前后压力相等相等，则流量，则流量 =0=0；2.2.当压力比（当压力比（ ）从）从1 1 逐渐缩小时（逐渐缩小时（ ），）， 流量逐渐增加；流量逐渐增加；3.3.当当喷喷嘴嘴前前后后压压力力比比（ ）等等于于临临界界压压力力比比（ ）， 达达最最大大值值，如如B B点所示。这时的流量称为点所示。这时的流量称为临界流量临界流量，用，用 表示。表示。4.4.当喷嘴前后压力比（当喷嘴前后压力比（ ）小于小于临界压力比（临界压

23、力比（ ）时，流量保持最大值）时，流量保持最大值不变，如不变，如ABAB所示，其值为：所示，其值为： (4 -17)(4 -17)式中，式中， 只与只与k k值有关。值有关。对于对于过热蒸汽，过热蒸汽，（k=1.3k=1.3）, , =0.667=0.667；对于对于饱和蒸汽饱和蒸汽（k=1.135k=1.135）, , =0.635=0.635。293通过喷嘴的实际流量的计算通过喷嘴的实际流量的计算 通过喷嘴的实际流量为：通过喷嘴的实际流量为：(418)式中：式中： 称为称为喷嘴流量系数喷嘴流量系数喷嘴流量系数喷嘴流量系数。对于对于过热蒸汽过热蒸汽，取，取 = 0.97= 0.97； 饱和蒸

24、汽饱和蒸汽，取，取=1.02。30(五）蒸汽在喷嘴斜切部分的流动五）蒸汽在喷嘴斜切部分的流动图图46 46 带带斜切部分斜切部分斜切部分斜切部分的喷嘴的喷嘴为为了了使使喷喷嘴嘴中中流流出出的的汽汽流流顺顺利利进进入入动动叶叶通通道道，在在喷喷嘴嘴出出口口处处必必须须有有一一段段斜斜斜斜切切切切部部部部分分分分, ,如如图图4-64-6所所示示。实实际际喷喷嘴嘴由由两两部部分分所所组组成成：一一部部分分是是渐渐缩缩部部分分ABDEABDE，ABAB为为最最小小截截面面处处；另另一部分为斜切部分一部分为斜切部分ABCABC。图46311,1,当当斜斜切切压压力力等等于于背背压压（ ）时时，汽汽流流

25、只只在在渐渐缩缩部部分分膨膨胀胀加加速速，而而在在斜斜切部分切部分ABCABC处不膨胀处不膨胀，斜切部分只起，斜切部分只起导向作用导向作用。2,2,当喷嘴出口压力（背压）小于临界压力时，汽流在当喷嘴出口压力（背压）小于临界压力时，汽流在ABAB截面上截面上达临界状态达临界状态，汽，汽流在斜切部分要流在斜切部分要继续膨胀加速继续膨胀加速，蒸汽压力由临界压力下降为，蒸汽压力由临界压力下降为 ，汽流速度由汽流速度由临界速度临界速度到到大于音速，并且由于垂大于音速，并且由于垂直于汽流方向的压力不直于汽流方向的压力不平衡，气流发生了平衡，气流发生了偏转偏转，如图如图4747所示。所示。分析分析：32二、

26、蒸汽在动叶栅中的流动与能量转换过程二、蒸汽在动叶栅中的流动与能量转换过程1 1，动动叶叶进进、出出口口速速度度三三角角形形 汽汽轮轮机机级级的的动动叶叶进进、出出口口速速度度三三角角形形如如图图4848所示。所示。其中，其中， 为喷嘴出口汽流速度，为喷嘴出口汽流速度， 为喷嘴为喷嘴出汽角，出汽角， 为动叶进口相对速度，为动叶进口相对速度， 为动叶进汽方向角，为动叶进汽方向角，u u为圆周速度。为圆周速度。其动叶进口其动叶进口相对速度相对速度相对速度相对速度 和和方向角方向角方向角方向角 为：为： (419)(420)33 蒸汽最后以蒸汽最后以相对速度相对速度相对速度相对速度 和和方向角方向角方

27、向角方向角 流出动叶通道。对于冲动级来说，流出动叶通道。对于冲动级来说， 比比 小小, , 的大小取决于反动度的大小，一般来说，的大小取决于反动度的大小，一般来说， 。C C2 2和可和可用下式求得：用下式求得：其动叶其动叶出口绝对速度出口绝对速度出口绝对速度出口绝对速度和和方向角方向角方向角方向角 （421421） （422422）2 2，动叶栅出口汽流相对理想速度为，动叶栅出口汽流相对理想速度为 因因 则有：则有： 343，动叶出口的动叶出口的实际相对速度实际相对速度实际相对速度实际相对速度 w w2 2 动叶中的动叶中的热力过程曲线热力过程曲线如右图如右图4848354，轮周功和轮周功率

28、，轮周功和轮周功率轮周功轮周功: :蒸汽通过汽轮机的级在动叶片上所作的有效机械功称为蒸汽通过汽轮机的级在动叶片上所作的有效机械功称为轮周功轮周功。轮周功率轮周功率: :而单位时间内作出的轮周功称为而单位时间内作出的轮周功称为轮周功率轮周功率。每。每1kq1kq蒸汽所作出蒸汽所作出的轮周功的轮周功WuWu： 或者或者 一般来说，一般来说，冲动级冲动级的的 比比反动级反动级的小，所以冲动级的作功能力比的小，所以冲动级的作功能力比反动级大。反动级大。 轮周功轮周功轮周功轮周功WuWuWuWu也可以用下式表示：也可以用下式表示：36动叶栅的能量损失系数动叶栅的能量损失系数定义为定义为 通常取通常取 =

29、0.85-0.95=0.85-0.95。6 6，余速损失，余速损失: : 蒸汽在动叶栅中作功之后，最后以绝蒸汽在动叶栅中作功之后，最后以绝对速度对速度C C离开动叶，其具有的动能称为余速损失：离开动叶，其具有的动能称为余速损失： 在多级汽轮机中，余速可以被下一级所利用，其利在多级汽轮机中，余速可以被下一级所利用，其利用程度用用程度用余速利用系数余速利用系数 = 01= 01表示。表示。 5， 动叶损失：动叶损失：377，级的过程曲线，级的过程曲线 考虑了喷嘴损失、动叶损失考虑了喷嘴损失、动叶损失和余速损失之后，汽轮机的级在和余速损失之后，汽轮机的级在h-h-s-s图上的过程曲线如图图上的过程曲

30、线如图411411所示。所示。8，级的轮周有效焓降，级的轮周有效焓降：= 38三、级的轮周效率和速度比三、级的轮周效率和速度比 为了描述蒸汽在级内能量转换的完善程度，通常用各种不为了描述蒸汽在级内能量转换的完善程度，通常用各种不同的效率来加以说明。同的效率来加以说明。 1,1,级级的的轮轮周周效效率率 蒸蒸汽汽在在汽汽轮轮机机级级内内所所作作出出轮轮轮轮周周周周功功功功WuWu与与它它在在级内所具有的级内所具有的理想能量理想能量理想能量理想能量E E0 0之比称为之比称为级的轮周效率级的轮周效率级的轮周效率级的轮周效率, ,即即 (431)(431)2 2，级的理想能量，级的理想能量一般来说，

31、级的理想能量是级的理想焓降、进入本级的动能和一般来说，级的理想能量是级的理想焓降、进入本级的动能和本级余速动能被下一级所利用部分的代数和，即本级余速动能被下一级所利用部分的代数和，即 39 为了研究方便，这里引入一个级的理想速度为了研究方便，这里引入一个级的理想速度, , 这样，这样，级的轮周效率级的轮周效率可用下式表示：可用下式表示： 或者或者 式中，式中， 分别称其为喷嘴、动叶和余速能量损失系数分别称其为喷嘴、动叶和余速能量损失系数分别称其为喷嘴、动叶和余速能量损失系数分别称其为喷嘴、动叶和余速能量损失系数，它们分别为喷嘴损失、动叶损失和余速损失与级的理想能量之它们分别为喷嘴损失、动叶损失

32、和余速损失与级的理想能量之比。比。3，级的理想速度，级的理想速度40 为了提高轮周效率，则应减少喷嘴损失、动叶损失和余为了提高轮周效率，则应减少喷嘴损失、动叶损失和余速损失。如果选定了动、静叶栅的叶型，系数速损失。如果选定了动、静叶栅的叶型，系数 、 就确定了。就确定了。则只能减少余速损失（则只能减少余速损失（ 使使C C2 2 最小）。由最小）。由速度三角形速度三角形( (图图4410)10)可以知道，图可以知道，图b b中速度中速度C C2 2刚好为刚好为轴向排汽轴向排汽，其余速损失最，其余速损失最少。因此，只要少。因此，只要u/ Cu/ C1 1选用合理，就能做到轴向排汽。选用合理，就能

33、做到轴向排汽。（图（图410） 不同速度比下纯冲动级的速度三角形不同速度比下纯冲动级的速度三角形（图b）为轴向排汽4 4，最佳速度比，最佳速度比41 而图而图a a、b b中的中的u/ Cu/ C1 1都不可能使都不可能使C C2 2轴向排汽轴向排汽，就不可能使余，就不可能使余速损失最少。而能使速损失最少。而能使C C2 2达到轴向排汽的达到轴向排汽的速度比速度比u/ Cu/ C1 1称为称为最佳最佳速度比速度比，用，用 表示。级的速度比通常用表示。级的速度比通常用 X X 表示。表示。不同级的最佳速度比不同级的最佳速度比：纯冲动级纯冲动级 （435435）复速级复速级 (436)(436)反

34、动级反动级(437)42四、级内损失和级效率四、级内损失和级效率（一）级内损失（一）级内损失 前面提到的前面提到的喷嘴损失喷嘴损失、动叶损失动叶损失、余余速损失速损失都是级内损失。除此之外，都是级内损失。除此之外，还存在着其他方面的损失。当然，不是每一个级都同时具有这所有损失，还存在着其他方面的损失。当然，不是每一个级都同时具有这所有损失，而是根据具体情况而定。下面简单地介绍这些损失及产生原因。而是根据具体情况而定。下面简单地介绍这些损失及产生原因。 1 1，叶高损失，叶高损失: : 将喷嘴和动叶中将喷嘴和动叶中与叶高有关与叶高有关的损失称为级的的损失称为级的叶高损失叶高损失、或、或叫端部损失

35、，通常用叫端部损失，通常用 h hl l表示。它是由汽道上下端面附面层内的表示。它是由汽道上下端面附面层内的摩擦损失摩擦损失和和端部的端部的二次流涡流二次流涡流所引起的。试验证明，所引起的。试验证明，叶高损失与高度有密切关系叶高损失与高度有密切关系叶高损失与高度有密切关系叶高损失与高度有密切关系，当，当叶片较长时，二次涡流对主汽的影响较少，故叶高损失小。相反，当叶片叶片较长时，二次涡流对主汽的影响较少，故叶高损失小。相反，当叶片较短（叶高较短（叶高l12-15mm)l12-15mm)时，叶高损失明显增加。这时，必须采用部分进汽，时，叶高损失明显增加。这时，必须采用部分进汽，以增加叶高，减小叶高

36、损失。以增加叶高，减小叶高损失。43 由由于于汽汽轮轮机机的的叶叶栅栅是是呈呈环环形形。汽汽流流参参数数和和叶叶片片几几何何参参数数（节节距距、进进汽汽角角）沿沿叶叶高高是是变变化化的的。叶叶片片越越长长，诸诸参参数数变变化化越越大大。在在进进行行汽汽轮轮机机设设计计时时，通通常常以以级级的的平平均均直直径径处处的的各各种种参参数数作作为为依依据据的的。对对于于叶叶高高不不太太长长的的级级，其其计计算算结结果果的的误误差差不不大大。但但对对于于叶叶片片较较长长的的级级，其其计计算算结结果果的的误误差差就就会会很很大大，不不能能满满足足设设计计要要求求。这这是是因因为为，只只有有在在平平均均直直

37、径径处处，设设计计条条件件才才能能得得到到满满足足。而而其其他他截截面面上上，由由于于偏偏离离设设计计条条件件将将会会引引起起附附加加损损失失。这这个个附附加加损损失失称称为为扇扇扇扇形形形形损损损损失失失失，通通常常用用 h h 表表示示。为了减少扇形损失，对于为了减少扇形损失，对于径高比径高比 101215mm,L1215mm,设计时，就得采用部分进汽以减小叶高损设计时，就得采用部分进汽以减小叶高损失。但采用部分进汽，又产生了部分进汽损失。部分进汽损失是由失。但采用部分进汽，又产生了部分进汽损失。部分进汽损失是由鼓鼓风风损失损失和和斥汽斥汽损失损失所组成的。所组成的。鼓风鼓风损失发生在没有

38、喷嘴叶片损失发生在没有喷嘴叶片的弧段内。斥汽损失发生在安装有喷嘴叶片的弧段内。另外，如图的弧段内。斥汽损失发生在安装有喷嘴叶片的弧段内。另外，如图4-134-13由于叶轮作高速旋转，这样，在喷嘴出口端由于叶轮作高速旋转，这样，在喷嘴出口端的的A A点存在着点存在着漏汽漏汽；而在；而在B B点点又存在着又存在着抽吸抽吸作用，将一部分蒸汽吸入动叶道，干扰主流。这样就形成作用，将一部分蒸汽吸入动叶道，干扰主流。这样就形成了斥汽损失了斥汽损失。4，部分进汽损失he 图图 413 部分进汽时蒸汽部分进汽时蒸汽 流动流动示意图示意图46隔板漏汽损失隔板漏汽损失（ h hp p）。 汽轮机动静之间有间隙。由

39、于压差的作用，蒸汽就会漏过间隙，汽轮机动静之间有间隙。由于压差的作用，蒸汽就会漏过间隙，如图如图413413所示。在隔板前后有很大的压差，又有间隙。就必然有一部分所示。在隔板前后有很大的压差，又有间隙。就必然有一部分蒸汽通过隔板间隙流到级后。这部分蒸汽蒸汽通过隔板间隙流到级后。这部分蒸汽不作功不作功不作功不作功，减少了作功蒸汽量。，减少了作功蒸汽量。另外漏汽不是从喷嘴中以正确方向流入动叶通道，它不但不做功，反而另外漏汽不是从喷嘴中以正确方向流入动叶通道，它不但不做功，反而要要干扰主流干扰主流干扰主流干扰主流，就形成了就形成了隔板漏汽损失隔板漏汽损失（ h hp p）。 为了减少部分进汽损失，则

40、部分进汽度为了减少部分进汽损失，则部分进汽度e e不宜太大；不宜太大； 但在有些级中，但在有些级中，为了减小叶高损失为了减小叶高损失，部分进汽度部分进汽度e e又不又不宜太小。因此，二者应综合考虑。宜太小。因此，二者应综合考虑。5，漏汽损失 （两部分组成） 47 叶顶损失叶顶损失（ht） 另外，由于反动度，另外，由于反动度，动叶动叶前后有压力差前后有压力差。蒸汽必然有。蒸汽必然有一部分漏汽不通过动叶通道一部分漏汽不通过动叶通道而从叶顶间漏到级后。这部而从叶顶间漏到级后。这部分蒸汽也分蒸汽也不作功不作功不作功不作功，形成了，形成了叶叶顶损失顶损失（ h ht t）。图41348 为了减少漏汽损失

41、，就应该减小间隙面积和蒸汽压力为了减少漏汽损失，就应该减小间隙面积和蒸汽压力差。通常采用差。通常采用齿形轴封齿形轴封。蒸汽每通过一个齿就有一次。蒸汽每通过一个齿就有一次节流节流过程过程，压力降低一次，从而减小了漏汽速度，从而减小了，压力降低一次，从而减小了漏汽速度，从而减小了漏汽量。漏汽量。 6 6，湿汽损失，湿汽损失 h hk k 蒸汽在汽轮机中最后几级时便进入蒸汽在汽轮机中最后几级时便进入湿湿湿湿蒸汽区蒸汽区蒸汽区蒸汽区，将产生湿汽损失（，将产生湿汽损失（ h hk k）。）。 湿汽损失的原因湿汽损失的原因：（1 1）一部分蒸汽凝结成水滴，减少了作功蒸汽量）一部分蒸汽凝结成水滴，减少了作功

42、蒸汽量（2 2）水滴不作功，反而要为高速汽流所夹带前进，要消耗一）水滴不作功，反而要为高速汽流所夹带前进，要消耗一部分轮周功；部分轮周功；（3 3）由于水滴前进速度低于蒸汽速度。）由于水滴前进速度低于蒸汽速度。 齿形轴封的采用齿形轴封的采用49水滴冲蚀叶片水滴冲蚀叶片 这样，从速度三角形上分析：这样，从速度三角形上分析：水滴从喷嘴中流出时，正好水滴从喷嘴中流出时，正好打击动叶背弧打击动叶背弧，阻止动叶前进，阻止动叶前进，减小了有用功；减小了有用功；而水滴从动叶流出之后又而水滴从动叶流出之后又打击下一级喷嘴的背弧打击下一级喷嘴的背弧。 水滴长期冲蚀叶片，形成水滴长期冲蚀叶片，形成麻点麻点，严重时

43、会打穿叶片。，严重时会打穿叶片。 去湿措施去湿措施去湿措施去湿措施采用去湿装置，如采用去湿装置，如捕水槽、捕水室捕水槽、捕水室等，以减少蒸汽中的水分。等，以减少蒸汽中的水分。提高叶片本身的抗湿能力，主要是设法增强叶片进汽边背弧提高叶片本身的抗湿能力，主要是设法增强叶片进汽边背弧的抗湿性能。如，在动叶片进汽边背弧的抗湿性能。如，在动叶片进汽边背弧加焊硬质合金、电火加焊硬质合金、电火花处理花处理等。等。50（二）级的相对内效率和内功率（二）级的相对内效率和内功率 根据前面的分析，级内存在着许多损失。因此，进入级的根据前面的分析，级内存在着许多损失。因此，进入级的蒸汽所具有的蒸汽所具有的理想能量理想

44、能量理想能量理想能量就不可能百分之百地转化为就不可能百分之百地转化为有效功有效功有效功有效功。由于。由于损失的存在，损失又转换为热能，反过来加热蒸汽本。从而，使损失的存在，损失又转换为热能，反过来加热蒸汽本。从而，使动叶出口动叶出口排汽焓值排汽焓值升高。升高。考虑了各种损失之后级的考虑了各种损失之后级的实实实实际热力过程曲线际热力过程曲线际热力过程曲线际热力过程曲线如图如图416416所示。所示。 0 0点为级前滞止状态点，点为级前滞止状态点，3 3为有为有余速利用时的下一级级前进口余速利用时的下一级级前进口状态点。状态点。 为级的为级的有效焓降有效焓降。51式中，式中， 级内各项损失之和。级

45、内各项损失之和。 级效率是衡量级内能量转换完善成度的最后指标。在进级效率是衡量级内能量转换完善成度的最后指标。在进行汽轮机热力设计时，只有合理地选用叶型、速度比、反动行汽轮机热力设计时，只有合理地选用叶型、速度比、反动度、进汽度、叶高和有关结构才能得到较高的级效率。度、进汽度、叶高和有关结构才能得到较高的级效率。级的内功率为：(kw)(455)式中，式中， -级的蒸汽量，级的蒸汽量，(kg/h)(kg/h)； -级的有效焓降，级的有效焓降，(kJ/Kg)。= 级的相对内效率（级效率）52五、长叶片五、长叶片级级（一）长叶片的采用（一）长叶片的采用 前面讨论级的气动特性和几何参数时，都是以前面讨

46、论级的气动特性和几何参数时，都是以一元流一元流动动模型为理论依据，以级的平均直径截面上的参数作为代模型为理论依据，以级的平均直径截面上的参数作为代表来进行研究和计算的。这种计算方法对于叶片高度不太表来进行研究和计算的。这种计算方法对于叶片高度不太长的级来说，所引起的误差是不太大的。按这种计算方法长的级来说，所引起的误差是不太大的。按这种计算方法设计的叶片，称为设计的叶片，称为等截面直叶片等截面直叶片等截面直叶片等截面直叶片，即叶片的几何参数沿叶，即叶片的几何参数沿叶高不变。高不变。 显然，这种设计方法计算方便，叶片加工简单。显然，这种设计方法计算方便，叶片加工简单。53 如果长叶片级仍然按等截

47、面直叶片进行设计，则级的实际轮周效率比计如果长叶片级仍然按等截面直叶片进行设计，则级的实际轮周效率比计算值要低得多。其原因就在于：算值要低得多。其原因就在于：1 1， 圆周速度相差很大造成的损失圆周速度相差很大造成的损失 从叶根到叶顶，其相应的从叶根到叶顶，其相应的圆周速度圆周速度相差很大。相差很大。 如果仍以平均直径处如果仍以平均直径处的速度三角形有关参数作为依据来进行设计，并采用等截面直叶片。那么，的速度三角形有关参数作为依据来进行设计，并采用等截面直叶片。那么，除了平均直径附近处之外，其余直径处的汽流在进入动叶通道时，都会有除了平均直径附近处之外，其余直径处的汽流在进入动叶通道时，都会有

48、撞撞击现象击现象发生，在小于平均直径的地方，汽流将发生，在小于平均直径的地方，汽流将撞击动叶背弧撞击动叶背弧，而在大于平均，而在大于平均直径的地方，汽流将直径的地方，汽流将撞击动叶内弧撞击动叶内弧。这样都会造成损失。这样都会造成损失。2 2，节距沿叶高变化很大造成的损失，节距沿叶高变化很大造成的损失 由于叶片是安装在叶轮上的，呈环形，径高比很小时由于叶片是安装在叶轮上的，呈环形，径高比很小时, ,节距沿叶高变化节距沿叶高变化很大。根据叶栅试验得知，每一种叶栅都有一个很大。根据叶栅试验得知，每一种叶栅都有一个最佳的相对节距最佳的相对节距。当相对节。当相对节距为最佳值时其叶栅的效率最高。只要偏离这

49、一最佳值，都会引起损失，造距为最佳值时其叶栅的效率最高。只要偏离这一最佳值，都会引起损失，造成效率下降。成效率下降。按等截面叶片设计长叶片级所造成的损失按等截面叶片设计长叶片级所造成的损失按等截面叶片设计长叶片级所造成的损失按等截面叶片设计长叶片级所造成的损失543 3，径向流动造成损失，径向流动造成损失 蒸蒸汽汽从从动动、静静叶叶栅栅通通道道中中流流出出后后，在在动动、静静轴轴向向间间隙隙中中必必然然产产生生离离心心力力作作用用。有有离离心心力力，就就会会产产生生径径径径向向向向流流流流动动动动。径径向向流流动动就就会会造造成成损损失失。而而且且，叶叶片片越长，径向流动造成的损失就越大。越长

50、，径向流动造成的损失就越大。 综综合合上上述述分分析析，对对于于长长叶叶片片级级来来说说，就就不不能能采采用用短短叶叶片片级级的的来来进进行行设设计计。为为了了得得到到效效率率较较高高的的长长叶叶片片级级，就就必必须须把把长长叶叶片片级级设设计计成成型型线线沿沿叶叶高高变变化化的的变变变变截截截截面面面面叶叶叶叶片片片片，即即扭扭扭扭叶叶叶叶片片片片。扭扭叶叶片加工困难，制造成本高。片加工困难，制造成本高。55（二）（二）长叶片级的设计方法长叶片级的设计方法 长叶片级的设计普遍采用长叶片级的设计普遍采用径向平衡法径向平衡法。其核心问题。其核心问题就是确定动、静叶栅轴向间隙汽流的平衡条件（径向平

51、衡条就是确定动、静叶栅轴向间隙汽流的平衡条件（径向平衡条件），建立径向平衡方程式，然后求解径向平衡方程式。由件），建立径向平衡方程式，然后求解径向平衡方程式。由此得出汽流参数沿叶高的变化规律。径向平衡法有此得出汽流参数沿叶高的变化规律。径向平衡法有简单径向简单径向平衡法平衡法和和完全径向平衡法完全径向平衡法。 简简单单径径向向平平衡衡法法是是假假设设动动、静静叶叶栅栅轴轴向向间间隙隙中中汽汽流流作作轴轴对对称称的的圆圆柱柱面面流流动动，其其径径向向分分速速为为零零，子子午午线线曲曲线线半半径径无无穷穷大大。完完全全径径向向平平衡衡法法认认为为，在在动动、静静叶叶栅栅轴轴向向间间隙隙中中，圆圆周

52、方向的流面是一个周方向的流面是一个轴对称的任意回转面轴对称的任意回转面。5657作业与思考作业与思考1.写出喷嘴出口速度计算式：喷嘴出口理想速度，喷嘴出口实际速度，临写出喷嘴出口速度计算式：喷嘴出口理想速度，喷嘴出口实际速度，临界速度；界速度；2.写出流量计算式：喷嘴理想流量，实际流量；写出流量计算式：喷嘴理想流量，实际流量；3.写出喷嘴损失、动叶损失、余速损失的计算式；写出喷嘴损失、动叶损失、余速损失的计算式；4.画出动叶进出口速度三角形；画出动叶进出口速度三角形；5.画出渐缩喷嘴的流量曲线；画出渐缩喷嘴的流量曲线；6.画出级的实际热力过程曲线；画出级的实际热力过程曲线；7.叙述蒸汽在喷嘴斜

53、切部分的流动规律；叙述蒸汽在喷嘴斜切部分的流动规律；8.叙述喷嘴截面积变化规律；叙述喷嘴截面积变化规律；9.叙述汽轮机级内各种损失产生的原因叙述汽轮机级内各种损失产生的原因.58第第 三三 节节 多多 级级 汽汽 轮轮 机机多级汽轮机的示意图一、多级汽轮机的特点和工作过程一、多级汽轮机的特点和工作过程1 1，多级汽轮机的采用，多级汽轮机的采用 为了提高功率，就必须增加进汽量和理想焓降。从经为了提高功率，就必须增加进汽量和理想焓降。从经济、安全考虑，只有一个级的汽轮机是不可能有效地利用很济、安全考虑，只有一个级的汽轮机是不可能有效地利用很大的理想焓降的。大的理想焓降的。为了为了为了为了有效地利用

54、理想焓降，提高功率有效地利用理想焓降，提高功率有效地利用理想焓降，提高功率有效地利用理想焓降，提高功率，采，采用多级汽轮机。每一级只利用总焓降中的一部分。这样，用多级汽轮机。每一级只利用总焓降中的一部分。这样，59（1 1）使每一级都能在）使每一级都能在最佳速度比最佳速度比最佳速度比最佳速度比附近工作，以提高效率。附近工作，以提高效率。（2 2）只有采用多级汽轮机，）只有采用多级汽轮机，才能把做成多排汽口，才能把做成多排汽口，才能把做成多排汽口，才能把做成多排汽口，实现提高新蒸汽的参数实现提高新蒸汽的参数（提高理想焓降提高理想焓降），），增加机组总进汽量增加机组总进汽量，达到提高汽轮机，达到提

55、高汽轮机单机功率单机功率单机功率单机功率的目的。的目的。多级汽轮机的分类多级汽轮机的分类： 有有冲动式冲动式冲动式冲动式和和反动式反动式反动式反动式两种。两种。国产国产100MW100MW、125MW125MW、 200MW200MW汽轮机都是冲动式多级汽轮机；汽轮机都是冲动式多级汽轮机；国产国产300MW300MW汽轮机有冲动和反动式汽轮机两种（但是反动式汽轮机的第一级汽轮机有冲动和反动式汽轮机两种（但是反动式汽轮机的第一级为冲动级）。为冲动级）。调节级与压力级：调节级与压力级：多级汽轮机通常采用多级汽轮机通常采用喷嘴调节喷嘴调节（控制进汽量），故称这种（控制进汽量），故称这种汽轮机的第一级

56、为汽轮机的第一级为调节级调节级，而把其余的级称为，而把其余的级称为压力级压力级。对于中小型汽轮机，。对于中小型汽轮机，通常采用通常采用双列级双列级作为调节级，大功率汽轮机多用作为调节级，大功率汽轮机多用单列级单列级作调节级。作调节级。602 2，多级汽轮机的工作过程，多级汽轮机的工作过程 蒸蒸汽汽进进入入汽汽轮轮机机后后，依依次次通通过过各各级级膨膨胀胀作作功功，压压力力和和温温度度逐逐级级降降低低，比比容容不不断断增增加加。通通流流部部分分尺尺寸寸是是逐逐级级增增大大的的，特特别别是是在在低低压压部部分分，平平均直径增加很快。即叶片的高度越来越长。均直径增加很快。即叶片的高度越来越长。由由于

57、于受受到到材材料料强强度度的的限限制制，叶叶片片不不可可能能太太长长，故故大大型型汽汽轮轮机机都都采采用用多多排汽口：排汽口：如国产如国产200MW200MW汽轮机，原设计为汽轮机，原设计为三排汽口三排汽口，后改为，后改为两排汽口两排汽口；国产国产300MW300MW汽轮机采用汽轮机采用两排汽口两排汽口。61623 3，多级汽轮机的，多级汽轮机的热力过程曲线热力过程曲线进汽机构的进汽机构的节流损失节流损失排汽机构的排汽机构的压力损失压力损失 级实际膨胀过程级实际膨胀过程 总的总的理想焓降理想焓降 整机的整机的有效焓降有效焓降 余速动能有效地利用余速动能有效地利用63二、多级汽轮机的损失二、多级

58、汽轮机的损失（一）前后端轴封的漏汽损失（一）前后端轴封的漏汽损失 1，前后端轴封的采用，前后端轴封的采用 由由于于结结构构要要求求，大大轴轴必必须须从从汽汽缸缸内内向向外外伸伸出出，使使汽汽轮轮机机支支持持在在轴轴承承座座上上。有有间间隙隙存存在在。汽汽缸缸的的高高压压端端，蒸蒸汽汽向向外外泄泄漏漏。减减少少了了作作功功蒸蒸汽汽量量，降降低低了了机机组组的的经经济济性性。在在排排汽汽端端，缸缸内内为为真真真真空空空空，空空气气将将通通过过间间隙隙流流入入汽汽缸缸内内，破破坏坏真真空空，也会降低机组的经济性。，也会降低机组的经济性。 为了防止或减小这种漏进、漏出现象，在汽轮机的两端漏气（汽）处装

59、为了防止或减小这种漏进、漏出现象，在汽轮机的两端漏气（汽）处装设汽封。这种汽封称为设汽封。这种汽封称为前后端轴封前后端轴封前后端轴封前后端轴封。高压端的汽封称为高压端的汽封称为前轴封前轴封，作用是减少蒸汽向外泄漏；，作用是减少蒸汽向外泄漏；低压端的汽封称为低压端的汽封称为后轴封后轴封，作用是防止外界空气漏向汽缸，保证汽缸内的，作用是防止外界空气漏向汽缸，保证汽缸内的真真真真空度空度空度空度。642 2 ， 齿齿 形轴封形轴封 汽轮机中常见的端轴封汽轮机中常见的端轴封是齿是齿 形轴封，它是由许多固形轴封，它是由许多固定在汽缸上的金属片组成。其定在汽缸上的金属片组成。其高低齿与轴或者轴套上的高低齿

60、与轴或者轴套上的凸肩凸肩凸肩凸肩、沟槽沟槽沟槽沟槽相错对应，使两者之间保相错对应，使两者之间保持一较小的间隙持一较小的间隙 ，以形成许，以形成许多多汽封齿隙汽封齿隙汽封齿隙汽封齿隙。图41965 轴轴 封封 两齿之间为一环形汽室，如图两齿之间为一环形汽室，如图419419所示。漏汽依次通过各所示。漏汽依次通过各齿齿隙隙和和环形汽室环形汽室。为了减少漏汽量，这里借用喷嘴流量公式。为了减少漏汽量，这里借用喷嘴流量公式 可以减少齿隙可以减少齿隙面积面积A A、汽流速度汽流速度C C和增大和增大比容比容。但，。但，比容比容是由蒸汽流动状态来决定，不可任意改变。是由蒸汽流动状态来决定，不可任意改变。而而

61、面积面积决定于轴封直径、间隙，它们是由大轴的强度确定。间隙决定于轴封直径、间隙，它们是由大轴的强度确定。间隙 不能太不能太小（一般取小（一般取 =0.30.6mm =0.30.6mm ），），太小可能摩擦，大轴弯曲，机组振动。太小可能摩擦，大轴弯曲，机组振动。这样，唯一可行的办法是减小这样，唯一可行的办法是减小汽流速汽流速度度C C。C C取决于轴封齿两侧的压力差。取决于轴封齿两侧的压力差。 3 3，减少漏汽量的办法，减少漏汽量的办法66 从从图图419419可可看看到到，蒸蒸汽汽通通过过第第一一环环形形齿齿隙隙时时，由由于于通通道道面面积积小小，汽汽流流速速度度增增加加，压压力力降降低低。但

62、但进进入入小小汽汽室室时时，通通道道面面积积突突然然增增加加，汽汽流流速速度度大大为为减减小小。由由于于涡涡流流和和碰碰撞撞，蒸蒸汽汽的的动动能能被被消消耗耗而而转转变变为为热热能能，蒸蒸汽汽焓焓值值又又回回升升到到原原值值。也也就就是是说说，蒸蒸汽汽通通过过轴轴封封的的热热力力过过程程为为一一节节流流过过程程。其其后后，每每通通过过一一齿齿隙隙，都都重重复复这这一一节节流流过过程程，压压力力不不断断降降低低，一一直直降降到到轴轴封封后后的的压压力力为为止止。 所所以以，轴轴封封的的作作用用是是让让蒸蒸汽汽通通过过时时，逐逐级级节节流流到到最最低低的的压压力力，将将一一个个较较大大的的压压力力

63、差差，分分割割为为许许多多较较小小的的压压力力差差。从从而而达达到到降降低低漏漏汽汽速速度度，减减少少漏漏汽汽量量的的目的。这就是齿形轴封的目的。这就是齿形轴封的工作原理工作原理工作原理工作原理。4 4，齿形轴封的工作原理，齿形轴封的工作原理67（二）汽轮机进、排汽机构的压力损失（二）汽轮机进、排汽机构的压力损失为了使蒸汽进入汽轮机作功，必须有为了使蒸汽进入汽轮机作功，必须有进汽机构进汽机构。而在汽轮机中作过。而在汽轮机中作过功的蒸汽，又必须从排汽管中排出。汽轮机进汽机构由主汽阀、调节阀、功的蒸汽，又必须从排汽管中排出。汽轮机进汽机构由主汽阀、调节阀、导汽管和蒸汽室组成。汽轮机的导汽管和蒸汽室

64、组成。汽轮机的排汽机构排汽机构是一个扩散形的排汽管所构成。是一个扩散形的排汽管所构成。蒸汽通过汽轮机进、排汽机构时，由于摩擦和涡流的存在，会使压力降低，蒸汽通过汽轮机进、排汽机构时，由于摩擦和涡流的存在，会使压力降低，形成损失。形成损失。1 1进汽机构中的压力损失进汽机构中的压力损失 由于摩擦和涡流，蒸汽由于摩擦和涡流，蒸汽通过通过进汽管道进汽管道有压降。压力有压降。压力降低不作功，是一损失。降低不作功，是一损失。 图42168进汽机构中由于进汽机构中由于节流节流所引起的所引起的压力损失压力损失对对于于大大型型汽汽轮轮机机（如如国国产产200MW200MW、300MW300MW汽汽轮轮机机），

65、中中、低低压压缸缸之间有之间有低压导汽管，其压力损失为：低压导汽管，其压力损失为：692 2排汽管道中的压力损失排汽管道中的压力损失 作过功的乏汽由汽轮机的末级动叶排出，经排汽管到凝汽器或者供热管道。作过功的乏汽由汽轮机的末级动叶排出，经排汽管到凝汽器或者供热管道。也因摩擦和涡流等原因，造成压力损失，即排汽管道中的也因摩擦和涡流等原因，造成压力损失，即排汽管道中的压力损失压力损失 式中，式中， 阻力系数阻力系数，一般取，一般取 =0.050.1=0.050.1； CC排汽管道中的汽流速度排汽管道中的汽流速度，对于凝汽机，对于凝汽机，C=80120m/sC=80120m/s；对于背压机，；对于背

66、压机，C=4060m/sC=4060m/s。70（三）机械损失（三）机械损失 汽轮机在工作时，要克服支持轴承、推力轴承的汽轮机在工作时，要克服支持轴承、推力轴承的摩擦摩擦，带动带动主油泵主油泵和和调速系统调速系统工作，要工作，要消耗功率消耗功率。通常用。通常用机械损失机械损失机械损失机械损失来描述。考虑了机械损失之后，汽轮机联轴节端的输出功率来描述。考虑了机械损失之后，汽轮机联轴节端的输出功率将小于汽轮机的内功率。汽轮机的机械损失一般用将小于汽轮机的内功率。汽轮机的机械损失一般用机械效率机械效率来计算。这样，来计算。这样，式中，式中， _分别为汽轮机的轴端功率、内功率；分别为汽轮机的轴端功率、

67、内功率； _为机械损失。为机械损失。71三、汽轮机装置的效率和功率三、汽轮机装置的效率和功率 火火力力发发电电厂厂的的生生产产过过程程，要要经经过过一一系系列列的的能能量量转转换换之之后后，最最后后才才能能将将矿矿物物燃燃料料的的化化学学能能转转变变为为电电能能。在在这这些些转转换换过过程程中中，要要用用各各种种效效率率来来描描述整个能量转换过程中的完善成度。述整个能量转换过程中的完善成度。1 1汽轮机的相对内效率汽轮机的相对内效率 汽汽轮轮机机的的相相对对内内效效率率是是衡衡量量汽汽轮轮机机内内能能量量转转换换完完善善程程度度的的重重要要指指标标。它它是是整整机机的的有有效效焓焓降降与与理想

68、焓降理想焓降之比，即之比，即72 汽轮机的汽轮机的内功率内功率内功率内功率等于汽轮机的等于汽轮机的进汽量进汽量与与有效焓降有效焓降之乘积。之乘积。对于对于无回热加热系统无回热加热系统的汽轮机，它的内功率为：的汽轮机，它的内功率为：对于对于有回热加热系统有回热加热系统的汽轮机，它的内功率为：的汽轮机，它的内功率为：3 3汽轮机的轴端功率汽轮机的轴端功率 对于无回热加热系统的汽轮机，它的轴端功率为：对于无回热加热系统的汽轮机，它的轴端功率为：2 2汽轮机的内功率汽轮机的内功率73 汽轮机以轴端功率来拖动发电机发电，还要考虑发电机的汽轮机以轴端功率来拖动发电机发电，还要考虑发电机的机械损失机械损失和

69、和电气损失电气损失。用。用 表示发电机的效率，则在发表示发电机的效率，则在发电机的出线端所获得的电功率为：电机的出线端所获得的电功率为： 其中，其中， ，称为，称为相对电效率相对电效率。它表示每。它表示每kgkg蒸汽所蒸汽所具有的理想焓降中最后转变为电能的份额，是衡量汽轮发电机具有的理想焓降中最后转变为电能的份额，是衡量汽轮发电机组经济性的一项重要指标。组经济性的一项重要指标。4 4，电功率，电功率74四、多级汽轮机的轴向推力四、多级汽轮机的轴向推力1 1，轴向推力的组成，轴向推力的组成 蒸蒸汽汽对对叶叶片片的的作作用用力力由由圆圆周周分分力力和和轴轴向向分分力力所所组组成成。圆圆周周分分力力

70、推推动动叶叶轮轮作作功功，轴轴向向分分力力产产生生轴轴向向推推力力。轴轴向向推推力力由由4 4部部分所组成：分所组成：1.1.作用在作用在动叶片上动叶片上动叶片上动叶片上的轴向力；的轴向力；2.2.作用在作用在叶轮面上叶轮面上叶轮面上叶轮面上的轴向力；的轴向力；3.3.作用在作用在轮毂上轮毂上轮毂上轮毂上或者或者转子凸肩转子凸肩转子凸肩转子凸肩上的轴向力；上的轴向力；4.4.作用在作用在轴封凸肩轴封凸肩轴封凸肩轴封凸肩上的轴向力。上的轴向力。这样多级汽轮机这样多级汽轮机总的轴向推力总的轴向推力总的轴向推力总的轴向推力为各级轴向推力之和。即为各级轴向推力之和。即752 2，轴向推力平衡办法，轴向

71、推力平衡办法 在在多多级级汽汽轮轮机机中中，总总的的轴轴向向推推力力是是很很大大的的。特特别别是是反反动动式式汽汽轮轮机机，其其总总的的推推力力可可达达200300T200300T；冲冲动动式式汽汽轮轮机机，其其总总的的轴轴向向推推力力可可达达4080T4080T。这这样样大大的的轴轴向向推推力力是是推推力力轴轴承承所所不不能能承承受受的的。因此，必须设法对汽轮机总的轴向推力应加与平衡。因此，必须设法对汽轮机总的轴向推力应加与平衡。常见的轴向推力平衡办法有：（1）采用平衡孔平衡轴向推力在叶轮上开设平衡孔可以在叶轮上开设平衡孔可以减少减少叶轮两侧的压力差叶轮两侧的压力差，从而可以减，从而可以减少

72、作用在叶轮上的轴向力。少作用在叶轮上的轴向力。76（2）设置平衡活塞 由于平衡活塞上装有齿形轴封，当蒸汽由活塞的高压侧向由于平衡活塞上装有齿形轴封，当蒸汽由活塞的高压侧向低压侧流动时，低压侧流动时，压力由压力由 降为降为 。在压力差作用下，。在压力差作用下，就产生了一个向左的作用力。这个力刚好与方向相反，起到就产生了一个向左的作用力。这个力刚好与方向相反，起到了平衡轴向了的作用。了平衡轴向了的作用。 （3 3）采用多缸反向布置）采用多缸反向布置 对于多缸汽轮机，可以对于多缸汽轮机，可以采用多缸反向布置，汽流采用多缸反向布置，汽流作反向流动作反向流动, ,其轴向力方向其轴向力方向相反，达到了相互

73、平衡的相反，达到了相互平衡的目的。目的。 77（4）推力轴承所承担的轴向推力 通常，汽轮机的运行要求通常，汽轮机的运行要求推力轴承推力轴承承担一部分轴向推力，以保证汽轮机运承担一部分轴向推力，以保证汽轮机运行工况发生变化时，轴向推力方向不变，行工况发生变化时，轴向推力方向不变，使汽轮机不发生使汽轮机不发生窜轴现象窜轴现象，达到机组稳，达到机组稳定运转的目的。定运转的目的。 78五、提高汽轮机单机容量五、提高汽轮机单机容量（一）单缸单排汽汽轮机的极限功率（一）单缸单排汽汽轮机的极限功率 一般来说，凝汽式汽轮机的功率可用下式表示：一般来说，凝汽式汽轮机的功率可用下式表示：其中，其中，整机的焓降整机

74、的焓降取决于取决于初终参数初终参数。在常见条件下，。在常见条件下， =10001500kJ/kg=10001500kJ/kg左右；左右；而三个效率而三个效率 的变化也不大；的变化也不大；所以，汽轮机最大功率就决定于进汽量所以，汽轮机最大功率就决定于进汽量D D。79而最大流量又决定于而最大流量又决定于末级叶片的几何尺寸末级叶片的几何尺寸。在汽轮机中，蒸。在汽轮机中，蒸汽膨胀到末级时，其汽膨胀到末级时，其容积流量容积流量达最大值。要求通流面积也最达最大值。要求通流面积也最大。因此，大。因此，末级动叶片末级动叶片必须做得必须做得很长很长很长很长。由于汽轮机转子作高速旋转，长叶片将产生由于汽轮机转子

75、作高速旋转，长叶片将产生巨大的离心力巨大的离心力。叶片材料的强度是有限的，因此，末级叶片的叶高将受到限叶片材料的强度是有限的，因此，末级叶片的叶高将受到限制。这就是说，单缸单排汽的汽轮机的功率是有限的，其最制。这就是说，单缸单排汽的汽轮机的功率是有限的，其最大功率称为汽轮机的大功率称为汽轮机的极限功率极限功率。通常，单缸单排汽的汽轮机。通常，单缸单排汽的汽轮机的极限功率可达的极限功率可达100MW100MW（对于高压机组而言）。对于高压机组而言）。80（二）提高汽轮机单机功率的措施 由于单缸单排汽汽轮机受到极限功率的限制，为了得到更由于单缸单排汽汽轮机受到极限功率的限制，为了得到更大的功率，就

76、必须采取其他措施，常用的办法有：大的功率，就必须采取其他措施，常用的办法有：1. 1. 提高新蒸汽的参数提高新蒸汽的参数 提高新蒸汽的参数可以增大整机的理想焓降，再加上中间提高新蒸汽的参数可以增大整机的理想焓降，再加上中间再热，就能较大地提高单机功率；再热，就能较大地提高单机功率；81 由由于于汽汽轮轮机机单单机机功功率率受受到到末末级级叶叶片片材材料料强强度度的的限限制制（离离心心力力太太大大），故故末末级级叶叶片片不不可可能能做做得得很很长长，通通流流面面积积有有限限。采采用用高高强强度度低低重重度度的的合合金金材材料料制制造造末末级级叶叶片片，则则可可以以在在同同样样叶叶高高条条件件下下

77、减减少少叶叶片片质质量量、减减少少离离心心力力。反反过过来来说说，就就可可以以在在保保证证叶叶片片强强度度的的条条件件下下，采采用用高高强强度度低低重重度度的的合合金金材材料料，则则可可以以增增长长末末级级叶叶片片的的高高度度，即即增增大大通通流流面面积积，从从而而达达到到增增加加进进汽汽量量、增大汽轮机单机功率的目的。增大汽轮机单机功率的目的。 3.3.采用多排汽口采用多排汽口 采用多排汽口，就是对汽轮机的低压缸进行采用多排汽口，就是对汽轮机的低压缸进行分流分流。这是当。这是当前提高汽轮机单机功率最有效的办法。另外，采用多排汽口反前提高汽轮机单机功率最有效的办法。另外，采用多排汽口反向布置还

78、可以起向布置还可以起平衡轴向推力平衡轴向推力的作用。的作用。2.2.采用高强度低重度的合金材料采用高强度低重度的合金材料82 从汽轮机中逐级抽出部分蒸汽用来加热给水，从汽轮机中逐级抽出部分蒸汽用来加热给水，一方面可以一方面可以减少排汽量减少排汽量，同时同时可增大进汽量可增大进汽量，增大高压部分几何尺寸（进汽度和叶高）。，增大高压部分几何尺寸（进汽度和叶高）。增增大大进进汽汽量量，减减少少排排汽汽量量，则则减减小小冷冷源源损损失失，达达到到提提高高汽汽轮轮机机热效率，起了一举两得的作用。热效率，起了一举两得的作用。以上是提高汽轮机单机容量的主要办法。此外，还可以通过：以上是提高汽轮机单机容量的主

79、要办法。此外，还可以通过：提高背压，提高背压，采用双层叶片，采用双层叶片，采用低转速采用低转速等办法。等办法。4.4.采用给水回热加热系统采用给水回热加热系统83六、中间再热式汽轮机六、中间再热式汽轮机1、中间再热循环的采用：、中间再热循环的采用：为了提高机组容量、效率，应提高为了提高机组容量、效率，应提高蒸汽初参数。蒸汽初参数。单一提高压力单一提高压力，膨胀到末了时会使湿度增大，增加了湿汽，膨胀到末了时会使湿度增大，增加了湿汽损失，冲蚀叶片，影响安全；损失，冲蚀叶片，影响安全；同时提高压力、和温度同时提高压力、和温度，但温度达一定值时，金属材料机，但温度达一定值时，金属材料机械性能明显下降，

80、不能保证强度和安全。械性能明显下降，不能保证强度和安全。采用中间再热循环采用中间再热循环，是解决这一问题的最好办法，是解决这一问题的最好办法84 中间再热对循环热效率是有影响的。如果中间再热对循环热效率是有影响的。如果附加循环附加循环附加循环附加循环比比基本循环基本循环基本循环基本循环效效率高，则可以使总的循环效率高。反之，则下降。如果率高，则可以使总的循环效率高。反之，则下降。如果: : 再热循环压力再热循环压力再热循环压力再热循环压力较高较高，则可以使效率提高；，则可以使效率提高；如果再热循环如果再热循环 压力压力过低过低，则会使效率降低。，则会使效率降低。如果再热循环压力如果再热循环压力

81、太高太高，附加循环的吸热量占整个循环吸热量的，附加循环的吸热量占整个循环吸热量的份额份额将减将减少，这样对整个循环的作用不大。这里存在着一个少，这样对整个循环的作用不大。这里存在着一个最有利的中间再热压力最有利的中间再热压力值值。根据设计和运行的经验，取中间再热压力初压的。根据设计和运行的经验，取中间再热压力初压的(2030)%(2030)%范围内，使范围内，使中间再热循环的热效率提高最多，一般约为中间再热循环的热效率提高最多，一般约为(45)%(45)%。 2 2，中间再热对循环热效率的影响，中间再热对循环热效率的影响 85 采用中间再热循环可以提高机组的经济性，采用中间再热循环可以提高机组

82、的经济性，但也带来以下一些问题：但也带来以下一些问题： 汽轮机汽轮机结构复杂结构复杂，本体，本体造价有所提高造价有所提高； 系统复杂系统复杂，管道布置复杂管道布置复杂；汽轮机、锅炉汽轮机、锅炉运行方式复杂运行方式复杂，调节系统要求高调节系统要求高；因此，只有大型机组才采用中间再热循环系统，并且，因此，只有大型机组才采用中间再热循环系统，并且，一般只采用一次中间再热循环。一般只采用一次中间再热循环。8687七、供热式汽轮机七、供热式汽轮机 能能同同时时对对外外供供电电、供供热热的的汽汽轮轮机机称称为为供供热热式式汽汽轮轮机机( (或或者者称称热热电电联联产产汽汽轮轮机机) )。安安装装有有供供热

83、热式式汽汽轮轮机机的的电电厂厂称称为为热热电电厂厂。有。有: : 背压式汽轮机背压式汽轮机和和调节抽汽式汽轮机调节抽汽式汽轮机两大类。两大类。供热式汽轮机的供热参数一般有两种，即供热式汽轮机的供热参数一般有两种，即: :工业用汽工业用汽; ;采暖用汽采暖用汽。工业用汽的压力一般为工业用汽的压力一般为0.81.3Mpa(813ata)0.81.3Mpa(813ata)；采暖用汽压力为一般采暖用汽压力为一般0.050.12Mpa(0.51.2ata)0.050.12Mpa(0.51.2ata)。88 在在动动力力循循环环中中，不不可可避避免免地地有有冷冷源源损损失失，使使循循环环热热效效率率降降低

84、低。这这一一部部分分低低位位热热能能，数数量量是是相相当当可可观观的的。为为1kg1kg蒸蒸汽汽的的凝凝结结放放热热量量，一一般般有有2200kJ/kg2200kJ/kg（小小机机组组有有2300kJ/kg)2300kJ/kg)。这这个个数数字字比比机机组组的的整整机机理理想想焓焓降降还还要要大大。如如国国产产200MW200MW汽汽轮轮机机，整整机机理理想想焓焓降降为为1720.7kJ/kg1720.7kJ/kg，小小于于冷冷源源损损失失。如如果果能能充分利用充分利用其中一部分热能，则可以大大提高火电厂的循环热效率。其中一部分热能，则可以大大提高火电厂的循环热效率。凝汽式汽轮机的凝汽式汽轮机

85、的循环热效率为：循环热效率为： (466)其中，其中，W W为汽轮机发出的电能，为汽轮机发出的电能， 为蒸汽在锅炉中的吸热量。为蒸汽在锅炉中的吸热量。（一）供热式汽轮机的经济性（一）供热式汽轮机的经济性89供热式汽轮机供热式汽轮机，同时发电和供热，其热效率为：同时发电和供热，其热效率为： (467)(467)式中，式中， 称为供热机称为供热机热电比热电比。由于（。由于（1+ )11+ )1，因此，因此， 这就表明，这就表明，供热机的热效率比凝汽机高供热机的热效率比凝汽机高。目前，大机组的热效率约。目前，大机组的热效率约40%40%。但实行。但实行热电联产后热电联产后，由于（，由于（ )0)0，

86、热效率提高。对于背，热效率提高。对于背压机，压机，热电比热电比可达可达6868，可使整机热效率达，可使整机热效率达85%85%左右。而调节抽汽机组，左右。而调节抽汽机组，由于保留了冷源损失装置，其热效率高于凝汽机而低于背压机组，约为由于保留了冷源损失装置，其热效率高于凝汽机而低于背压机组，约为（40854085）% %之间。之间。由于热电联产之后可以实现由于热电联产之后可以实现集中供热集中供热，既能提高，既能提高燃料利用率燃料利用率，又可以减，又可以减少大量的工业锅炉，这就少大量的工业锅炉，这就减少了污染减少了污染，保护了环境。因此，热电联产、，保护了环境。因此，热电联产、集中供热日益广泛地得

87、到推广应用。集中供热日益广泛地得到推广应用。90（二）背压式汽轮机（二）背压式汽轮机 背压式汽轮机的背压式汽轮机的主要任务主要任务是给热用户提供一定参数的是给热用户提供一定参数的蒸汽量，并发出一定的电能。没有回热抽汽，也没有凝蒸汽量，并发出一定的电能。没有回热抽汽，也没有凝汽器。排汽全部送到热用户。其热经济性是最好的。汽器。排汽全部送到热用户。其热经济性是最好的。图42391 背背压压机机由由于于排排汽汽参参数数高高，故故整整机机理理想想焓焓降降小小。采采用用喷喷嘴嘴调调节节。调调节节级级形式多为双列级。形式多为双列级。由由于于背背压压式式汽汽轮轮机机整整机机理理想想焓焓降降小小，对对于于同同

88、功功率率大大小小的的凝凝汽汽机机来来说说，背背压机的压机的流量大流量大，各级几何尺寸就大，叶高长、部分进汽度大各级几何尺寸就大，叶高长、部分进汽度大各级几何尺寸就大，叶高长、部分进汽度大各级几何尺寸就大，叶高长、部分进汽度大。背背压压机机的的初初参参数数一一般般不不高高，多多为为中中参参数数。排排汽汽压压力力要要根根据据热热负负荷荷的的性性质质而而定定。工工业业用用汽汽，其其排排汽汽压压力力一一般般为为0.81.3Mpa0.81.3Mpa；采采暖暖用用汽汽，排排汽汽压压力力一般为一般为0.120.25Mpa0.120.25Mpa。新蒸汽进入背压机新蒸汽进入背压机1 1膨胀作功后，排汽送到热用户

89、膨胀作功后，排汽送到热用户4 4。由于背压机无回热。由于背压机无回热抽汽，进汽量等于排汽量。所以，当热负荷增大时，进汽量增大，发电抽汽，进汽量等于排汽量。所以，当热负荷增大时，进汽量增大，发电功率增大；反之亦然。功率增大；反之亦然。背压式汽轮机不能同时满足热、电两负荷的要求背压式汽轮机不能同时满足热、电两负荷的要求。1 1，背压机的特点，背压机的特点92因此，背压式汽轮机常常和凝汽式汽轮机因此，背压式汽轮机常常和凝汽式汽轮机并列并列运行（如图运行（如图423423所示）。凝汽式汽轮机所示）。凝汽式汽轮机2 2承担电负荷的变化。另外，当背压式汽承担电负荷的变化。另外，当背压式汽轮机出故障或者需要

90、检修时，由轮机出故障或者需要检修时，由减温减压器减温减压器3 3向热用户供汽。向热用户供汽。93（三）调节抽汽式汽轮机（三）调节抽汽式汽轮机1 1，调节抽汽式汽轮机的特点，调节抽汽式汽轮机的特点 调节抽汽式汽轮机同时发电和对外供热，并能调节抽汽式汽轮机同时发电和对外供热，并能同时满足同时满足热、电两负荷的要求热、电两负荷的要求。即，当发电功率不变时，供热抽汽量可。即，当发电功率不变时，供热抽汽量可以在所在范围内任意变动；当供热量不变时，发电功率可以在以在所在范围内任意变动；当供热量不变时，发电功率可以在所在范围内任意变动。所在范围内任意变动。图图424 一一次次调调节节抽抽汽汽式式汽汽轮轮机机

91、的的工工作作原原理理和和热热力力过过程程曲曲线线94 图图424424为一次调节抽汽式汽轮机的为一次调节抽汽式汽轮机的工工作原理作原理和和热力过程曲线热力过程曲线示意图。它由高压部分示意图。它由高压部分和低压部分所组成。从锅炉出来的蒸汽，经主和低压部分所组成。从锅炉出来的蒸汽，经主汽阀、调节阀后先在高压缸膨胀作功。先在高汽阀、调节阀后先在高压缸膨胀作功。先在高压缸膨胀作功之后，汽流分为两股：其中一股压缸膨胀作功之后，汽流分为两股：其中一股从高压缸抽出送到热用户；另一股经低压调节从高压缸抽出送到热用户；另一股经低压调节阀阀5 5进入低压缸继续膨胀作功，作功后的乏汽最进入低压缸继续膨胀作功，作功后

92、的乏汽最后排入凝汽器。一次调节抽汽式汽轮机有后排入凝汽器。一次调节抽汽式汽轮机有高、高、低压两个调节阀低压两个调节阀（有的机组的低压调节装置是（有的机组的低压调节装置是旋转隔版），由机组本身的调节系统的旋转隔版），由机组本身的调节系统的调速器调速器和调压器控制。和调压器控制。2 2，工作原理和热力过程曲线，工作原理和热力过程曲线95对对于于一一次次调调节节抽抽汽汽式式汽汽轮轮机机，其其流流量量和和功功率率可可用用下下式来表示：式来表示： (468) (469)其其中中， -分分别别为为机机组组的的进进汽汽量量、抽抽汽汽 量、凝汽量；量、凝汽量； -分别为机组的功率、高、低缸分别为机组的功率、高

93、、低缸 功率。功率。3 3，流量和功率，流量和功率96八、汽轮机的凝汽系统及设备八、汽轮机的凝汽系统及设备 1 1，凝凝汽汽系系统统的的作作用用 凝凝汽汽系系统统及及设设备备是是汽汽轮轮机机组组的的重重要要组组成成部部分分。它它工工作作的的好好坏坏对对汽汽轮轮机机组组的的经经济济性性和和安安全全性性有有很很大大的的影影响响。从从本本章章第第二二节节知知道，汽轮机装置的道，汽轮机装置的循环热效率循环热效率为：为： (470)(470)其中，其中， -整机理想焓降；整机理想焓降； -蒸汽初焓；蒸汽初焓； -凝结水（饱凝结水（饱和水）焓值；和水）焓值；( )-( )-为每为每kgkg蒸汽在锅炉中的吸

94、热量。蒸汽在锅炉中的吸热量。 从上式可以看到，为了提高动力循环的从上式可以看到，为了提高动力循环的热效率，就应该增大新蒸汽的理想焓降。热效率，就应该增大新蒸汽的理想焓降。提高提高新蒸汽的参数新蒸汽的参数和降低和降低排汽压力排汽压力可以可以增大理想焓降。增大理想焓降。97 本本节节所所要要讨讨论论的的问问题题是是如如果果通通过过降降低低排排汽汽压压力力，来来提提高高火火电电厂厂循循环环热热效效率率。一一般般来来说说，排排汽汽压压力力每每降降低低2kpa2kpa，循循环环热热效效率率就就可可以以提提高高约约3.5%3.5%。所以，所以，降低排汽压力对提高火电厂循环热效率是一个非常有效的措施。降低排

95、汽压力对提高火电厂循环热效率是一个非常有效的措施。2 2，凝凝汽汽设设备备的的工工作作原原理理 降降低低排排汽汽压压力力最最有有效效的的办办法法是是将将汽汽轮轮机机的的乏乏汽汽送送入入凝凝汽汽器器中中，用用水水或或者者空空气气作作为为冷冷却却工工质质，将将排排汽汽凝凝结结成成水水。当当蒸蒸汽汽凝凝结结成成水水时时，其其体体积积突突然然缩缩小小很很多多（如如在在0.005Mpa0.005Mpa压压力力下下凝凝结结，体体积积可可缩缩小小约约2800028000倍倍），这这样样，在在凝凝汽汽器器内内就就形形成成了了一一个个高高度度真真空空。同同时时，再再用用抽抽气气器器或或者者真真空空泵泵不不断断地

96、地将将漏漏入入机机内内的的空空气气抽抽出出，以以维维持持凝凝汽汽器器内内的的高高度度真真空空。在在凝凝结结中中生生成成的的凝凝结结水水，经经汇汇集集以以后后，又又重重新新送送入入锅锅炉炉作作为为给给水水，反复循环使用反复循环使用。这就是凝汽设备的工作原理。这就是凝汽设备的工作原理98凝汽设备的任务凝汽设备的任务： （1 1）在汽轮机的排汽口）在汽轮机的排汽口建立并维持高度真空建立并维持高度真空； （2 2）将排汽凝结成洁净的凝结水，作为）将排汽凝结成洁净的凝结水，作为锅炉的给水。锅炉的给水。 最有利真空：最有利真空： 降低排汽压力，增大整机降低排汽压力，增大整机的理想焓降，可以提高循环的理想焓

97、降，可以提高循环热效率。但并不是排汽压力热效率。但并不是排汽压力越低越好。而是有一个最佳越低越好。而是有一个最佳范围（一般为范围（一般为0.0030.007Mpa0.0030.007Mpa之间）。之间）。 图425凝汽系统凝汽系统993 3，凝汽设备原则性系统图，凝汽设备原则性系统图（图（图425425） 及及 其其 主主 要要 设设 备备 其主要设备有其主要设备有凝汽器、凝结水泵、抽气器、循环水泵凝汽器、凝结水泵、抽气器、循环水泵 等等 。 凝汽器凝汽器：是使排汽凝结成水，形成高度真空。：是使排汽凝结成水，形成高度真空。循环水泵：循环水泵：把冷却水送入凝汽器的铜管中，带走凝结把冷却水送入凝汽

98、器的铜管中，带走凝结 汽化潜热；汽化潜热；凝结水泵：凝结水泵：是把凝结水抽出，送给水回热是把凝结水抽出，送给水回热 系统；系统；抽气器抽气器：是把漏入空气抽出，维持高度真空：是把漏入空气抽出，维持高度真空 。100作业与思考作业与思考1，多级汽轮机的损失有哪些？2，定义（或用公式表示）：汽轮机的相对内效率，汽轮机的内功率，汽轮机的轴端功率，汽轮机的电功率；3，叙述汽轮机轴向推力产生原因及平衡方法；4，提高汽轮机单机容量的措施；5，叙述汽轮机凝汽系统的工作原理。6,画出最简单的凝汽系统图。并叙述各主要部件的作用。7，为什么说供热式汽轮机的热效率比凝汽式汽轮机高？101第四节第四节 汽轮机自动调节

99、汽轮机自动调节一、汽轮机液压调节系统的工作原理(一一)汽轮机调节系统的任务汽轮机调节系统的任务 1 1，保保证证供供电电数数量量、质质量量的的要要求求由由于于电电网网中中各各用用户户的的电电负负荷荷随随时时间间是是变变化化的的。发发电电量量必必须须适适应应用用户户的的数数量量要要求求。除除了了数数量量之外，还必须保证一定的之外，还必须保证一定的质量质量( (频率频率和和电压电压) )要求。其中要求。其中电压可通过变压实现，电压可通过变压实现，而频率则取决于汽轮机的转速。转速高，则频率高；转速低，而频率则取决于汽轮机的转速。转速高，则频率高；转速低，则频率低。因此，汽轮机必须具备则频率低。因此，

100、汽轮机必须具备调速（节）系统调速（节）系统，以保证用，以保证用户户数量数量、质量质量的要求，并保证电网频率稳定在一定范围之内。的要求，并保证电网频率稳定在一定范围之内。1022，机组自身的安全所需要 汽轮机工作时，转子、叶轮、叶片自重产生巨大的离心力，一旦超速，汽轮机工作时，转子、叶轮、叶片自重产生巨大的离心力，一旦超速，是十分危险的，严重时，会产生安全事故，造成巨大的经济损失。是十分危险的，严重时，会产生安全事故，造成巨大的经济损失。因此，汽轮机调节系统的因此，汽轮机调节系统的任务任务是：是： 保证足够的、合格的电力供应；保证足够的、合格的电力供应； 保证机组始终维持在额定转速附近运行；保证

101、机组始终维持在额定转速附近运行； 除了调节系统之外，汽轮机还必须具备保护系统，如：超速保护，轴向位除了调节系统之外，汽轮机还必须具备保护系统，如：超速保护，轴向位移保护等移保护等。103（二）汽轮机液压调节系统的基本工作原理（二）汽轮机液压调节系统的基本工作原理1，汽轮机调速系统的工作原理，汽轮机调速系统的工作原理 汽汽轮轮机机工工作作时时，作作用用在在转转子子上上的的力力矩矩有有三三个个：蒸蒸汽汽主主力力矩矩、发发电机电机反力矩反力矩和和摩擦力矩摩擦力矩。在稳定工况下，这三个力矩的代数和等于零，即。在稳定工况下，这三个力矩的代数和等于零，即 (471)(471) 通常，摩擦力矩很小，可忽略不

102、计，则上式为通常，摩擦力矩很小，可忽略不计，则上式为 (471a)(471a) 在运行中，只要主力矩和反力矩不平衡，转子就会产生在运行中，只要主力矩和反力矩不平衡，转子就会产生角加速度角加速度，即转速，即转速会上升或者下降。会上升或者下降。104 图图426426中，曲线中，曲线1 1和和1 1 和和曲线曲线2 2和和22表示主力矩、反力矩随表示主力矩、反力矩随转速的变化。转速的变化。主力矩主力矩是进汽量和转是进汽量和转速的函数，当进汽量不变、转速增速的函数，当进汽量不变、转速增加，主力矩减小。曲线加，主力矩减小。曲线1 1和和2 2的交点的交点A A是两力矩是两力矩平衡状态点平衡状态点。当外

103、界负荷。当外界负荷减小，减小，反力矩反力矩曲线由曲线由2 2变为变为22，而，而主力矩仍是曲线主力矩仍是曲线1 1，工作点就由，工作点就由A A移移到到B B，机组在机组在B B点达点达新的平衡新的平衡。图426105 汽轮机调速系统的作用汽轮机调速系统的作用 转转速速由由A A点点对对应应的的 增增加加到到B B点点所所对对应应的的 。转转速速增增加加了了许许多多，不不能能满满足足供供电电质质量量要要求求，同同时时机机组组安安全全也也受受到到威威胁胁。因因此此，在在外外界界负负荷荷变变化化时时，为为了了使使机机组组转转速速不不变变，或或者者变变化化不不大大，则则应应减减小小进进汽汽量量，使使

104、工工作作曲曲线线由由1 1变变为为11。机机组组工工作作点点由由B B移移到到C C点点，转转速速由由 移移到到 。相相对对于于 来说，机组转速变化就很小了。来说，机组转速变化就很小了。 这就是说，当外界负荷变化时，通过这就是说，当外界负荷变化时，通过改变进汽量改变进汽量，使机组在转速变化不大的情况，使机组在转速变化不大的情况下达到新的平衡，这就是汽轮机调速系统下达到新的平衡，这就是汽轮机调速系统的重要任务。的重要任务。106 图图4 42727是一种最简单的具有一级是一种最简单的具有一级中间放大的间接调速系统示意图。中间放大的间接调速系统示意图。2 2，最简单的汽轮机调速系统，最简单的汽轮机

105、调速系统 当外界负荷变化引起转速改变时，当外界负荷变化引起转速改变时，调速器调速器1 1首先感受到首先感受到转速变化，并带动转速变化，并带动滑环滑环A A移动，通过移动，通过杠杆杠杆带动带动滑阀（错油门）滑阀（错油门）2 2离开中间平衡位置，打开油口离开中间平衡位置，打开油口a a、b b，使高压油进入使高压油进入油动机油动机上上（下）油室，（下）油室，油动机活塞油动机活塞在油压差作用下上（下）移动，开大在油压差作用下上（下）移动，开大（关小）调节阀，改变进汽量，使机组功率与外界负荷相适应。（关小）调节阀，改变进汽量，使机组功率与外界负荷相适应。 图427107在油动机活塞上下移动的同时，又通

106、过杠杆带动滑阀回在油动机活塞上下移动的同时，又通过杠杆带动滑阀回 到中间平衡位置，到中间平衡位置，并堵住通往油动机的油口并堵住通往油动机的油口a a、b b，油动机停止移动，调速系统达到新的平衡。油动机停止移动，调速系统达到新的平衡。由于滑阀上下移动打开油口由于滑阀上下移动打开油口a a、b b而使油动机活塞产生位移，而油动机活塞而使油动机活塞产生位移，而油动机活塞上下移动反过来又通过杠杆带动滑阀重新回到中间平衡位置，这种功能称上下移动反过来又通过杠杆带动滑阀重新回到中间平衡位置，这种功能称为为反馈反馈。反馈反馈是调速系统不可缺少的组成部分，反馈的作用就在于使调速系统稳定。是调速系统不可缺少的

107、组成部分，反馈的作用就在于使调速系统稳定。汽轮机调节系统中所用的汽轮机调节系统中所用的反馈有反馈有机械反馈机械反馈和和液压反馈液压反馈。 1083 3，调速系统的组成，调速系统的组成 汽轮机的液压调速系统是由汽轮机的液压调速系统是由转速感受元件转速感受元件、传动放大机构传动放大机构和和配汽机构配汽机构所组所组成的。其中：成的。其中：（1 1）转速感受元件转速感受元件 其作用是测量汽轮机转速的变化，并将其转换其作用是测量汽轮机转速的变化，并将其转换 成位移或油压的变化信号而送到下一环节。成位移或油压的变化信号而送到下一环节。（2 2）传动放大机构传动放大机构 由于转速感受元件由于转速感受元件 输

108、出信号的功率小，不足以开启调节输出信号的功率小，不足以开启调节阀，需要进行放大。因此，传动放大机构的作用就是将转速感受元件阀，需要进行放大。因此，传动放大机构的作用就是将转速感受元件 输出信输出信号加以放大，并输送给下一环节。号加以放大，并输送给下一环节。（3 3）配汽机构配汽机构 其功能是接受放大信号，改变调节阀的开度，调节进汽量，其功能是接受放大信号，改变调节阀的开度，调节进汽量，即改变汽轮机的功率。即改变汽轮机的功率。 另外，另外，同步器同步器也是汽轮机调速系统也是汽轮机调速系统的重要部件，它是机组的重要部件，它是机组功率给定元件功率给定元件。1094 4，汽轮机的保护装置，汽轮机的保护

109、装置 为了保证汽轮机安全运行，汽轮机还必需具备保护系统。为了保证汽轮机安全运行，汽轮机还必需具备保护系统。保保护护系系统统的的作作用用：是是当当机机组组调调速速系系统统发发生生故故障障或或者者运运行行工工况况危危急急到到机机组组安安全全时时，保保护护系系统统动动作作，实实现现紧紧急急停停机机。汽汽轮轮机机的的主主要要保保护护系系统统有有超超速速保保护护、轴轴向向位位移移保保护护、低低油油压压保保护护和和低低真真空空保保护等。护等。超超速速保保护护 的的作作用用是是当当汽汽轮轮机机的的转转速速超超过过一一定定安安全全范范围围（一一般般为为额额定定转转速速的的10%12%10%12%）时时，危危急

110、急遮遮断断器器动动作作，使使安安全全油油泄泄压压，主汽门自动关闭，实现紧急停机。主汽门自动关闭，实现紧急停机。110轴轴向向位位移移保保护护 的的作作用用是是汽汽轮轮机机运运行行时时，动动静静两两部部分分必必需需保保持持一一定定的的间间隙隙，当当轴轴向向位位移移或或差差胀胀超超过过一一定定安安全全范范围围时时，通过危急遮断系统动作，实现紧急停机。通过危急遮断系统动作，实现紧急停机。低低油油压压保保护护 当当支支持持轴轴承承和和推推力力轴轴承承的的润润滑滑油油油油压压低低于于一一定定数数值值时时，发发出出警警告告信信号号，油油压压继继续续降降低低时时，启启动动辅辅助助油油泵，并使汽轮机停机。泵，

111、并使汽轮机停机。低低真真空空保保护护 的的作作用用是是当当汽汽轮轮机机的的背背压压高高到到某某一一数数值值时时，发出警告信号，背压继续降低时，使汽轮机停机。发出警告信号，背压继续降低时，使汽轮机停机。111（三）液压调速系统的静态特性（三）液压调速系统的静态特性1 1，调节系统的静态特性曲线，调节系统的静态特性曲线 从图从图4 274 27可以看出，调速系统在任何稳定状态时，可以看出，调速系统在任何稳定状态时，滑滑阀（阀（B B）点处于中间平衡位置。点处于中间平衡位置。调速器滑环（调速器滑环（A A）和和油动机油动机（C C），对应不同的负荷就有不同的位置。对应不同的负荷就有不同的位置。调速器

112、滑环（调速器滑环（A A）有不同的有不同的位置位置，就说明机组有不同的，就说明机组有不同的转速转速；油动机（油动机（C C）有不同的有不同的位置位置，则说明有不同的调节阀开则说明有不同的调节阀开度，即有不同的度，即有不同的功率功率。112 在不同稳定工况下，汽轮机有不同在不同稳定工况下，汽轮机有不同的功率、不同转速。故称这种调节为的功率、不同转速。故称这种调节为有差调节有差调节。其转速和功率之间的关系如图其转速和功率之间的关系如图4 28 4 28 所示。机组的所示。机组的转速转速和和功率功率之间的关系之间的关系称为调节系统的称为调节系统的静态特性曲线静态特性曲线静态特性曲线静态特性曲线。 图

113、4 28调节系统的静态特性曲线调节系统的静态特性曲线 汽轮机的调速系统是由汽轮机的调速系统是由转速感转速感受元件受元件、传动放大机构传动放大机构和和配汽机构配汽机构所所组成的。因此，调速系统的静态特性组成的。因此，调速系统的静态特性曲线也是由这些部件的静态特性曲线曲线也是由这些部件的静态特性曲线所组成。所组成。 1132 2，调节系统的速度变动率，调节系统的速度变动率 汽汽轮轮机机从从零零负负荷荷到到满满负负荷荷时时，其其转转速速变变化化是是有有限限制制范范围围的的。如如机机组组在在满满负负荷荷时时转转速速为为 ，当当同同步步器器位位置置不不变变，外外界界负负荷荷从从满满负负荷荷减减到到零零负

114、负荷荷时时，机机组组转转速速为为 。那那么么转转速速的的变变化化量量与与额额定定转转速速 之之比比称称为为调调节节系系统统的的速速度度变变动率动率（不等率），用（不等率），用 表示：表示：(452)114速度变动率的选定速度变动率的选定 承担承担基本负荷基本负荷的机组，希望其在额定（经济）负荷下运的机组，希望其在额定（经济）负荷下运行，能发挥高的效率，其速度变动率应该取大一些，一行，能发挥高的效率，其速度变动率应该取大一些，一般取般取(4 6)% (4 6)% ；承担承担尖峰负荷尖峰负荷的机组，希望其能承担较大的负荷变动，的机组，希望其能承担较大的负荷变动，有较强的负荷适应性，其速度变动率应该

115、取小一些，一有较强的负荷适应性，其速度变动率应该取小一些，一般取般取(3 4)% (3 4)% 。另外，根据调速系统的另外，根据调速系统的动态特性动态特性的要求，为了保证机组的要求，为了保证机组甩全负荷，其危急保安器不动作，其速度变动率的上限甩全负荷，其危急保安器不动作，其速度变动率的上限值不应该超过值不应该超过6%6%。1153 3，迟缓率，迟缓率 上述调速系统静态特性曲线是上述调速系统静态特性曲线是一条直线。这样的曲线是一种理想的一条直线。这样的曲线是一种理想的曲线。实际上，调速系统的各个部件曲线。实际上，调速系统的各个部件都存在着摩擦、铰链间隙、滑阀重叠都存在着摩擦、铰链间隙、滑阀重叠度

116、等因素的影响，各个部件的静态特度等因素的影响，各个部件的静态特性曲线不是一条直线。因此，调速系性曲线不是一条直线。因此，调速系统的静态特性曲线当然就不是一条直统的静态特性曲线当然就不是一条直线，而是一个线，而是一个带状区域带状区域。当电网频率。当电网频率变动时，汽轮机的功率并不马上改变，变动时，汽轮机的功率并不马上改变，而是有一段延迟而是有一段延迟 。116迟缓率的表示：迟缓率的表示： 通通常常用用迟迟缓缓率率（不不灵灵敏敏度度） 来来表表示示这这种种迟迟缓缓程程度度的的大大小小。也也就就是是说说，调调速速系系统统的的迟迟缓缓率率 为为同同一一负负荷荷下下可可能能的的转转速速变变动动（ ）与）

117、与额定转速额定转速 之比。即之比。即=(473)117迟迟缓缓率率是是汽汽轮轮机机调调速速系系统统的的重重要要质质量量指指标标之之一一。由由于于迟迟缓缓率率的的存存在在，则则机机组组在在同同一一频频率率下下有有不不同同的的功功率率。这这样样就就会会引引起起机机组组负负荷荷摆摆动动。为为了了减减小小负负荷荷摆摆动动，一一般般要要求求 不不大大于于0.5 0.5 % % ，最最好好不不大大于于0.3% 0.3% 。1184 4， 静态特性曲线的平移静态特性曲线的平移 不同的功率对应有不同的转不同的功率对应有不同的转速（频率）。这样就不能满足供电要速（频率）。这样就不能满足供电要求。为了使机组在不同

118、的功率下仍有求。为了使机组在不同的功率下仍有相同的转速，即维持频率不变，调节相同的转速，即维持频率不变，调节系统配备了一种能平移静态特性曲线系统配备了一种能平移静态特性曲线装置装置- - 同步器同步器。同步器能使汽轮机。同步器能使汽轮机在相同的转速下有不同的功率，或者在相同的转速下有不同的功率，或者在相同的功率下有不同的转速。在相同的功率下有不同的转速。图429 静态特性曲线的平移 119同步器的作用同步器的作用 同步器是汽轮机调速系统的重要部件，它是汽轮机同步器是汽轮机调速系统的重要部件，它是汽轮机功率功率功率功率给定装置给定装置给定装置给定装置。（1 1）对于对于单机运行单机运行单机运行单

119、机运行的机组，当功率由的机组，当功率由P P1 1增加到增加到P P2 2时，转速就由时，转速就由n n1 1降为降为n n2 2，如图如图431431所示。有了同步器之后，就可以利用同所示。有了同步器之后，就可以利用同步器平移调速系统的静态特性曲线，将静态特性曲线由步器平移调速系统的静态特性曲线，将静态特性曲线由平平移到移到。这样，机组的功率就由。这样，机组的功率就由P P1 1增加到增加到P P2 2，而转速可维持而转速可维持不变。不变。（2 2）使用同步器调整网内个机组的负荷，使之使用同步器调整网内个机组的负荷，使之按给定负荷运按给定负荷运按给定负荷运按给定负荷运行行行行，一维持电网频率

120、稳定。，一维持电网频率稳定。（3 3）同步器的另外一个作用就是在机组同步器的另外一个作用就是在机组启动启动启动启动时，利用同步器时，利用同步器增加进汽量，调整机组转速，使之与增加进汽量，调整机组转速，使之与电网频率同步电网频率同步电网频率同步电网频率同步。120 在在同同一一电电网网中中，有有带带基基本本负负荷荷的的机机组组，也也有有带带尖尖峰峰负负荷荷的的机机组组。大大型型机机组组的的效效率率高高、经经济济性性好好，一一般般承承担担基基本本负负荷荷；中中小小型型机机组组的的效效率低，一般承担尖峰负荷。率低，一般承担尖峰负荷。承承担担基基本本负负荷荷的的机机组组，希希望望它它一一天天2424小

121、小时时都都在在经经济济负负荷荷下下运运行行。在在电电网网频频率率变变动动时时，要要求求其其功功率率基本不变，或变化不大。基本不变，或变化不大。而而承承担担尖尖峰峰负负荷荷的的机机组组，则则在在电电网网频频率率变变动动时时，应承担较大的负荷变动。应承担较大的负荷变动。（接上）121二、汽轮机数字电液调节系统二、汽轮机数字电液调节系统（DEH）简介简介 如如上上述述所所讲讲，根根据据功功能能的的不不同同，汽汽轮轮机机有有不不同同的的型型式式，其其调调节节系系统统也也有有不不同同的的型型式式。而而非非中中间间再再热热汽汽轮轮机机的的液液压压调调节节系系统统是是最最基基本本的的调调节节系系统统。中中间

122、间再再热热式式汽汽轮轮机机和和供供热热式式汽汽轮轮机机的的调调节节系系统统根根据据不不同同的的功功能能需需要要，在在非非中中间间再再热热汽汽轮轮机机的的液液压压调调节节系统基础上增加了一些部件（环节）而成系统基础上增加了一些部件（环节）而成。122 汽汽轮轮机机的的调调节节系系统统有有一一个个从从低低级级到到高高级级的的发发展展过过程程。根根据据发发展展过过程程来来分分，可可分分为为液液压压（机机械械液液压压）调调节节系系统统、功功率率-频率电液频率电液调节系统、调节系统、数字电液数字电液调节系统。调节系统。国产国产100MW100MW及以下机组都是采用及以下机组都是采用液压调节系统液压调节系

123、统。国国产产200MW200MW机机配配备备有有液液压压调调节节系系统统和和功功率率-频频率率电电液液调调节节系系统统，二者可互相切换。，二者可互相切换。国产国产300MW300MW、600MW600MW大型汽轮机都普遍采用大型汽轮机都普遍采用数字电液调节系统数字电液调节系统。汽轮机的调节系统的发展过程汽轮机的调节系统的发展过程123数字电液调节系统数字电液调节系统 汽轮机汽轮机数字电液调节系统数字电液调节系统DEHDEH（Digital Digital Electro-Hydraulic Control System Electro-Hydraulic Control System ）是当前

124、是当前汽轮机调节技术的新发展，集中了两大新成果：汽轮机调节技术的新发展，集中了两大新成果：计算机计算机系统和系统和高压抗燃油高压抗燃油系统。使得汽轮机调节系统。使得汽轮机调节系统有关部套尺寸小、结构紧凑、调节质量大大系统有关部套尺寸小、结构紧凑、调节质量大大提高。提高。124（一）（一）DEHDEH调节系统的组成调节系统的组成300MW300MW汽轮机组的汽轮机组的DEHDEH调节系统图调节系统图，主要由，主要由五大部分五大部分组成：组成：1 1电子控制器：电子控制器：主要包括：主要包括：计算机、混合数模插件、接口计算机、混合数模插件、接口和和电源设备电源设备等。集等。集中布置在中布置在6 6

125、 个控制柜内。个控制柜内。 其作用是用于给定、接受反馈信号、逻辑运算和其作用是用于给定、接受反馈信号、逻辑运算和发出控制指令等。发出控制指令等。2 2操作系统：操作系统：主要设置有：主要设置有：操作盘、图象站的显示器操作盘、图象站的显示器和和打印机打印机等。其作用是等。其作用是为运行人员提供运行信息、监督、人机对话和操作等服务。为运行人员提供运行信息、监督、人机对话和操作等服务。3 3油油系系统统：汽汽轮轮机机调调节节用用油油与与润润滑滑油油分分开开。高高压压油油（EHEH油油系系统统）采采用用三三芳芳基基磷酸脂抗燃油，为调节系统提供控制与动力用油。磷酸脂抗燃油，为调节系统提供控制与动力用油。

126、EHEH油油系系统统作作用用： EHEH油油系系统统接接受受调调节节器器和和或或操操作作盘盘来来的的指指令令，对对机机组组进进行行控控制。制。 润滑油系统作用润滑油系统作用：是为轴承润滑油系统提供汽轮机油。：是为轴承润滑油系统提供汽轮机油。1254 4执行机构执行机构（油动机）：（油动机）： 主要由主要由伺服放大器伺服放大器伺服放大器伺服放大器、电液转换器和具有快关、隔离和逆止装置的单侧油动机电液转换器和具有快关、隔离和逆止装置的单侧油动机电液转换器和具有快关、隔离和逆止装置的单侧油动机电液转换器和具有快关、隔离和逆止装置的单侧油动机组成。其组成。其作用作用是带动高压主汽阀、高压调节阀和带动中

127、压主汽阀、中压调节是带动高压主汽阀、高压调节阀和带动中压主汽阀、中压调节阀。阀。5 5保护系统保护系统：设有：设有6 6 6 6个电磁阀个电磁阀个电磁阀个电磁阀。其。其作用作用是其中两个用于机组超速（是其中两个用于机组超速（103%103%）时关闭）时关闭高、中压调节阀。其余用于机组严重超速（高、中压调节阀。其余用于机组严重超速（110%110%）、轴承油压低、）、轴承油压低、EHEH油压低、油压低、推力轴承磨损过大、凝汽器真空度低等情况下进行危急遮断和手动停机之用。推力轴承磨损过大、凝汽器真空度低等情况下进行危急遮断和手动停机之用。 此外，还有些此外，还有些测量元件测量元件测量元件测量元件，

128、如，如传感器传感器传感器传感器：用于测量机组：用于测量机组转速、调节汽室压力、转速、调节汽室压力、发电机功率、主汽压力发电机功率、主汽压力等；汽轮机自动程序控制（等；汽轮机自动程序控制（ATCATC）所须的测量值。所须的测量值。126（二）（二）DEHDEH调节系统的功能调节系统的功能 总体来说，总体来说，DEHDEH调节系统有调节系统有四大功能四大功能四大功能四大功能，其功能形式为：，其功能形式为：1 1汽轮机自动程序控制（汽轮机自动程序控制（ATCATC）功能功能 DEHDEH调调节节系系统统的的汽汽轮轮机机自自动动程程序序控控制制（ATCATC），是是通通过过状状态态监监测测、计计算算转

129、转子子应应力力，并并在在机机组组应应力力许许可可范范围围内内，优优化化启启动动程程序序，用用最最大大的的速速率率、最最短短的时间的时间来实现机组来实现机组启动过程的全部自动化启动过程的全部自动化。 ATCATC允允许许机机组组有有冷冷态态启启动动和和热热态态启启动动两两种种方方式式。冷冷态态启启动动包包括括盘盘车车、升升速速、并并网网和和带带负负荷荷。其其各各种种启启动动操操作作、阀阀门门切切换换等等全全过过程程均均由由计计算算机机自自动动控控制完成。在机组正常运行过程中，还可以实现制完成。在机组正常运行过程中，还可以实现ATCATC监督。监督。1272 2汽轮机的负荷自动调节功能汽轮机的负荷

130、自动调节功能 汽轮机的负荷自动调节有汽轮机的负荷自动调节有两种两种两种两种情况：情况：冷冷态态启启动动时时，机机组组并并网网带带初初负负荷荷（5%5%额额定定负负荷荷）后后，负负荷荷由由高高压调节阀控制；压调节阀控制；热热态态启启动动时时，机机组组负负荷荷未未达达到到35%35%额额定定负负荷荷以以前前，负负荷荷由由高高、中中压压调调节节阀阀控控制制，以以后后， 中中调调阀阀全全开开，负负荷荷只只由由高高压压调调节节阀阀控制。控制。 当机组处于负荷控制阶段，当机组处于负荷控制阶段，当机组处于负荷控制阶段，当机组处于负荷控制阶段， DEHDEHDEHDEH调节系统具有调节系统具有调节系统具有调节

131、系统具有多种组合控制功多种组合控制功多种组合控制功多种组合控制功能能能能（略）（略）（略）（略）1283 3汽轮机自动保护功能汽轮机自动保护功能 为了避免机组因超速或其它原因遭受破坏，为了避免机组因超速或其它原因遭受破坏，DEHDEH的保护系统有以的保护系统有以下下三种保护功能三种保护功能：（1 1）超速保护（）超速保护（OPCOPC）： 当机组转速达到当机组转速达到103%103%时，快时，快关中压调节阀关中压调节阀关中压调节阀关中压调节阀；当机组转速在；当机组转速在(103%110%)(103%110%)范围内时，超速控制系统通过范围内时，超速控制系统通过OPC OPC OPC OPC 电

132、磁阀电磁阀电磁阀电磁阀快关高快关高快关高快关高、中压调节阀，、中压调节阀，实现对机组的保护。实现对机组的保护。（2 2）危危机机遮遮断断控控制制（ETSETS）：当当ETSETS系系统统检检测测到到机机组组超超速速达达到到110%110%或或其其它它安安全全指指标标达达到到安安全全界界限限后后，通通过过ASTAST电电磁磁阀阀关关闭闭所所有有的的主主汽汽门门和和调调节节汽汽门门，实实现现紧急停机。紧急停机。（3 3）机机械械超超速速保保护护和和手手动动脱脱扣扣：机机械械超超速速保保护护为为超超速速的的多多重重保保护护，即即当当转转速速高高于于110%110%时时，实实现现紧紧急急停停机机；手手

133、动动脱脱扣扣是是当当保保护护系系统统不不起起作作用用时时进进行行手手动动停停机，以保证人身和设备的安全。机，以保证人身和设备的安全。1294 4机组和机组和DEHDEH系统的监控功能系统的监控功能： 监控功能监控功能在启动和运行过程中对机组和在启动和运行过程中对机组和DEHDEH装置装置两部分两部分运运行状况进行监督。其内容包括：操作行状况进行监督。其内容包括：操作状态按钮指示状态按钮指示、状态指示状态指示和和CRTCRT画面画面，其中对，其中对DEHDEH监控的内容包括重要通道、电源和内部监控的内容包括重要通道、电源和内部程序的运行情况等。程序的运行情况等。CRTCRT画面包括机组和系统的重

134、要参数、运画面包括机组和系统的重要参数、运行曲线、潮流趋势和故障显示等。行曲线、潮流趋势和故障显示等。130（三）（三）DEH系统的运行方式系统的运行方式 为为了了确确保保DEHDEH系系统统控控制制的的可可靠靠性性，DEHDEH系系统统设设有有四四四四种种种种运运运运行行行行方方方方式式式式，机机组组可可以以在其中任何一种方式下运行，其顺序为：在其中任何一种方式下运行，其顺序为： 二二级级手手动动一一级级手手动动操操作作员员自自动动汽汽轮轮机机自自动动（ATCATC），相相邻邻两两种种运运行行方方式式互互相相跟跟踪踪，并并且且可可以以无无扰扰切切换换。此此外外，在在二二级级手手动动以以下下还

135、还有有一一种种硬硬手手操操，它作为二级手动的备用，但二者不能跟踪和切换。它作为二级手动的备用，但二者不能跟踪和切换。1 1二级手动二级手动 运行方式是跟踪系统中最低级的运行方式，仅作为备用运行方式。运行方式是跟踪系统中最低级的运行方式，仅作为备用运行方式。它全部由成熟的常规它全部由成熟的常规模拟元件模拟元件组成，以便在数字系统出现故障时，自动转入组成，以便在数字系统出现故障时，自动转入模拟系统控制，确保机组安全可靠模拟系统控制，确保机组安全可靠。1312 2一一级级手手动动 是是一一种种开开环环运运行行方方式式，运运行行人人员员在在操操作作盘盘上上按按键键就就可可以以控控制制各各阀阀门门的的开

136、开度度，各各按按键键之之间间逻逻辑辑互互锁锁，同同时时具具有有操操作作超超速速保保护护控控制制器器（OPCOPC）、主主汽汽阀阀压压力力控控制制器器（TPCTPC）、外外部部触触点点返返回回（RUNBACKRUNBACK）和和脱脱扣扣等等保保护护功功能能。此此运行方式作为汽轮机自动（运行方式作为汽轮机自动（ATCATC）方式的备用。方式的备用。3 3操作员自动操作员自动方式是方式是DEHDEH调节系统的最基本的运行方式，用这种方式可实现汽轮调节系统的最基本的运行方式，用这种方式可实现汽轮机机转速转速和和负荷负荷的闭环控制，并且具有各种保护功能。该方式设有完全相同的的闭环控制，并且具有各种保护功

137、能。该方式设有完全相同的A A和和B B双机系统，双机容错，具有跟踪和自动切换功能，也可以实现强迫切换。双机系统，双机容错，具有跟踪和自动切换功能，也可以实现强迫切换。在这种方式下，目标转速和目标负荷及其速率，均由操作员给定。在这种方式下，目标转速和目标负荷及其速率，均由操作员给定。4 4汽轮机自动（汽轮机自动（ATCATC）是是最高一级运行方式最高一级运行方式。此时包括。此时包括转速转速和和负荷负荷及其及其速率速率，都，都不是来自操作员，而是由不是来自操作员，而是由计算机程序计算机程序或外部设备进行控制。因此它是最高一或外部设备进行控制。因此它是最高一级运行方式。级运行方式。132（四）（四

138、）DEH调节系统的控制模式调节系统的控制模式 DEHDEH的控制器，是的控制器，是DEHDEH调节系统的核心。它有调节系统的核心。它有两种控制模式两种控制模式两种控制模式两种控制模式：1 1主汽阀（主汽阀（TVTV）控制模式：控制模式： 主汽阀控制又有主汽阀控制又有两种控制两种控制方式：方式： （1 1）主主汽汽阀阀自自动动（AUTOAUTO）方方式式，此此亦亦称称为为数数字字系系统统控控制制方方式式。当当计计算算机机发发出出指指令令进进行行控控制制时时，称称为为汽汽轮轮机机主主汽汽阀阀自自动动控控制制（ATCATC）方方式式；当当由由操操作作员员在在操操作盘通过计算机进行控制时，称为汽轮机主

139、汽阀作盘通过计算机进行控制时，称为汽轮机主汽阀操作员自动控制操作员自动控制。 (2(2）主汽阀手动方式）主汽阀手动方式, , 此时，此时，数字系统数字系统不参与，而是通过不参与，而是通过模拟系统模拟系统对机组对机组进行控制。主汽阀控制系统用于启动升速和机组跳闸时进行紧急停机。在进行控制。主汽阀控制系统用于启动升速和机组跳闸时进行紧急停机。在冷冷态启动开始阶段态启动开始阶段，是由主汽阀控制汽轮机的转速，调节阀处于全开状态；当，是由主汽阀控制汽轮机的转速，调节阀处于全开状态；当转速达到转速达到96%96%时，转速控制由主汽阀切换到调节阀，然后主汽阀全开，直到并时，转速控制由主汽阀切换到调节阀，然后

140、主汽阀全开，直到并网带负荷运行，在此期间只要不出现机组跳闸，机组始终由调节阀进行控制。网带负荷运行，在此期间只要不出现机组跳闸，机组始终由调节阀进行控制。1332调节阀（调节阀（GV）控制模式控制模式 （1 1）调节阀自动（）调节阀自动（AUTOAUTO）方式方式： 调调节节阀阀自自动动（AUTOAUTO）方方式式即即计计算算机机参参与与的的控控制制方方式式，是是数数字字系系统统运运行行。在在负负荷荷控控制制阶阶段段，GVGV有有以以下下五五种种运运行行方方式式: :操操作作员员自自动动控控制制方方式式（OAOA）、遥遥控控方方式式（REMOTEREMOTE）、电电厂厂计计算算机机控控制制方方

141、式式（PLANTPLANTCOMPCOMP）、自自动动汽汽轮轮机机控控制制方方式（式（ATCATC）、（）、（）电厂限制控制电厂限制控制方式。方式。（）调节阀手动方式（）调节阀手动方式 在调节阀手动控制方式下，计算机不参与控制，而是由在调节阀手动控制方式下，计算机不参与控制，而是由运行人员运行人员发出指发出指令，通过模拟系统输出的信号进行控制。令，通过模拟系统输出的信号进行控制。 因此，不管是因此，不管是主汽门（主汽门（TVTV）控制控制还是还是调节汽门（调节汽门（GVGV）控制控制，都有数字控，都有数字控制和模拟控制两种方式。它们之间应设有制和模拟控制两种方式。它们之间应设有数数/ /模（模

142、（D/AD/A）转换转换和和跟踪跟踪系统，便系统，便于在系统或运行方式变化时，实现无扰切换。于在系统或运行方式变化时，实现无扰切换。134作业与思考作业与思考1.汽轮机为什么必需具备调节系统；2.简述汽轮机液压调节系统的工作原理；3.汽轮机液压调节系统主要由哪几部分组成？并叙述各自的作用；4.汽轮机为什么必需具备保护系统？主要有哪些保护系统？并叙述各自的作用：5.画出汽轮机液压调节系统的静态特性曲线；6.定义：速度变动率，迟缓率；7.叙述同步器的作用；8.叙述汽轮机数字电液调节系统主要组成部分及功能；9.叙述汽轮机DEH系统的功能；135第五节第五节 燃气轮机燃气轮机一，概述一，概述1 1 1

143、 1，燃燃燃燃气气气气轮轮轮轮机机机机及及及及系系系系统统统统： 燃燃气气轮轮机机是是一一种种以以气气体体为为工工质质的的将将热热能能转转变变为为机机械械能能的的热热力力发发动动机机。它它主主要要由由进进进进气气气气道道道道、压压压压气气气气机机机机、燃燃燃燃烧烧烧烧室室室室和和动动动动力力力力输输输输出出出出机机机机构构构构（尾喷管尾喷管或或动力涡轮动力涡轮）以及）以及燃料供给系统燃料供给系统、控制系统控制系统、启动系统启动系统组成。组成。 其中，其中，压气机压气机、燃烧室燃烧室和和驱动压气机的涡轮驱动压气机的涡轮合称为合称为燃气发生器燃气发生器燃气发生器燃气发生器，即空气，即空气在此机构中

144、在此机构中提高压力并与燃料燃提高压力并与燃料燃烧产生可对外作功的烧产生可对外作功的工质工质燃气，如燃气，如图图2 28 8所示。所示。1362 2 2 2，工作原理，工作原理，工作原理，工作原理： 燃气轮机是从大气中燃气轮机是从大气中吸入空气吸入空气（介质）；（介质）；空气经过进气道，在压气机中空气经过进气道，在压气机中压缩以提高压缩以提高压力压力；再进入燃烧室中与喷入的燃油再进入燃烧室中与喷入的燃油混合燃烧混合燃烧成为高温高压的成为高温高压的燃气燃气；然后进入涡轮然后进入涡轮膨胀作功膨胀作功。燃气的燃气的膨胀功膨胀功膨胀功膨胀功用作用作两部分两部分两部分两部分：一部分是传给压气机：一部分是传

145、给压气机用以压缩空气用以压缩空气用以压缩空气用以压缩空气（约为总（约为总膨胀功的膨胀功的三分之二三分之二）；另一部分以动力的形式）；另一部分以动力的形式对外输出对外输出对外输出对外输出（约占总膨胀的（约占总膨胀的三分之一三分之一）。）。137（一）航空燃气轮机（一）航空燃气轮机（1 1）涡轮喷气发动机）涡轮喷气发动机）涡轮喷气发动机）涡轮喷气发动机 采用采用尾喷管输出方式尾喷管输出方式，即燃气在尾喷中膨胀加速，以，即燃气在尾喷中膨胀加速，以高速喷射气流高速喷射气流高速喷射气流高速喷射气流产生推力，这种燃气轮机称产生推力，这种燃气轮机称涡轮喷气发动机涡轮喷气发动机。它们用作。它们用作近音速近音速

146、近音速近音速和和超音速飞超音速飞超音速飞超音速飞机机机机和和巡航导弹巡航导弹巡航导弹巡航导弹的动力。的动力。喷气发动机问世以来，使飞机能突破喷气发动机问世以来，使飞机能突破音障音障音障音障，能以超音速甚至几倍音速飞行。，能以超音速甚至几倍音速飞行。当飞行器的当飞行器的速度速度速度速度达到达到3 3马赫数以上马赫数以上，就可采用，就可采用冲压式喷气发动机冲压式喷气发动机冲压式喷气发动机冲压式喷气发动机( (图图430)430)。它只有它只有进气道进气道、燃烧室燃烧室和和喷管喷管三大部分，结构简单，三大部分，结构简单，推重比高。但随着速推重比高。但随着速度的下降，经济性变度的下降，经济性变坏，即坏

147、，即低速性能低速性能低速性能低速性能不好不好。138（2 2 2 2）涡轮风扇发动机）涡轮风扇发动机）涡轮风扇发动机）涡轮风扇发动机 当当飞行速度较低飞行速度较低飞行速度较低飞行速度较低即为即为亚音速亚音速时，其效率急剧降低，为了提高效率，就时，其效率急剧降低，为了提高效率，就出现了以出现了以动能输出动能输出方式的方式的涡轮风扇发动机涡轮风扇发动机涡轮风扇发动机涡轮风扇发动机( (图图 431)431)。组成和工作原理：组成和工作原理： 这种发电机有这种发电机有内、外两个函道内、外两个函道内、外两个函道内、外两个函道。在内函道中，是一个。在内函道中，是一个喷喷气发动机气发动机，在内函道，在内函

148、道燃气发生器燃气发生器的后面增加了的后面增加了风扇涡轮风扇涡轮风扇涡轮风扇涡轮，用来驱动，用来驱动外函道的外函道的外函道的外函道的风扇（风扇（风扇（风扇（使流经外函道的空气增加动能）。内、外函道两股气流都以一定的速使流经外函道的空气增加动能）。内、外函道两股气流都以一定的速度度喷出喷出喷出喷出产生产生反作用推力反作用推力，推动飞机前进。，推动飞机前进。涡轮风扇发动机涡轮风扇发动机推力大推力大，动能损失小动能损失小，燃油耗率低，经济性好燃油耗率低，经济性好。一般用于。一般用于高高高高亚音速亚音速亚音速亚音速大型客机和运输机。大型客机和运输机。(图 431)。139（3 3 3 3）涡轮螺旋桨发动

149、机）涡轮螺旋桨发动机）涡轮螺旋桨发动机）涡轮螺旋桨发动机当飞行当飞行速度更低速度更低，又要保持经济性，函道比就要增大，就要借助于，又要保持经济性，函道比就要增大，就要借助于螺旋桨螺旋桨螺旋桨螺旋桨形成一个形成一个无无无无外函道壳的函道外函道壳的函道外函道壳的函道外函道壳的函道，形成一个以，形成一个以动能输出动能输出的航空发动机（的航空发动机（涡轮螺旋桨发动机）涡轮螺旋桨发动机）涡轮螺旋桨发动机）涡轮螺旋桨发动机）( (图图432)432)。其产生的其产生的燃气燃气燃气燃气，小部分小部分能量从尾喷管喷射产生反作用推力，能量从尾喷管喷射产生反作用推力，大部分大部分可用能用于驱动可用能用于驱动螺螺螺

150、螺桨旋涡轮桨旋涡轮桨旋涡轮桨旋涡轮以带动以带动空气螺旋桨空气螺旋桨空气螺旋桨空气螺旋桨，以产生，以产生反作用推力反作用推力或称为或称为拉力拉力，驱使飞机前进。，驱使飞机前进。 涡轮螺旋桨发动机涡轮螺旋桨发动机涡轮螺旋桨发动机涡轮螺旋桨发动机产生的产生的推力最大推力最大推力最大推力最大，经济性最好经济性最好经济性最好经济性最好。但飞行速度不能太高，一般不超。但飞行速度不能太高，一般不超700km700kmh h。以上三种燃气轮机都是用以上三种燃气轮机都是用于航空上，所以也称为航于航空上，所以也称为航空燃气轮机。空燃气轮机。140（二）涡轮轴功率输出燃气轮机 以以涡轮轴功率涡轮轴功率涡轮轴功率涡轮

151、轴功率输出形式的燃气轮机，就是在燃气发生器的后面，再装配输出形式的燃气轮机，就是在燃气发生器的后面，再装配动动动动力涡轮力涡轮力涡轮力涡轮。燃气发生器驱动压气机涡轮之后的。燃气发生器驱动压气机涡轮之后的燃气燃气燃气燃气，有一定的可用能，有一定的可用能，有一定的可用能，有一定的可用能，再推动，再推动动力涡轮动力涡轮，输出，输出轴功率轴功率。其尾部排气管排出的燃气的能量，除可用于回热外，。其尾部排气管排出的燃气的能量，除可用于回热外，由于压力很低由于压力很低( (略高于大气略高于大气) )，几乎是不可利用。，几乎是不可利用。 动力涡轮动力涡轮动力涡轮动力涡轮与与驱动压气机的涡轮驱动压气机的涡轮驱动

152、压气机的涡轮驱动压气机的涡轮装固在装固在同一根轴同一根轴同一根轴同一根轴上，称为上，称为单轴式结构单轴式结构。 动力涡轮动力涡轮动力涡轮动力涡轮与与驱动压气机的涡轮驱动压气机的涡轮驱动压气机的涡轮驱动压气机的涡轮分开，分开，各自各自各自各自装固在一根旋转轴上，称为装固在一根旋转轴上，称为分轴式分轴式燃气轮机燃气轮机。141地面燃气轮机 用用作作发发发发电电电电( (多多为为尖尖峰峰负负荷荷机机组组，移移动动电电站站、备备用用机机组组) )、船船船船舶舶舶舶、机机机机车车车车、汽汽汽汽车车车车、坦克等装置坦克等装置坦克等装置坦克等装置的的动力动力动力动力，称作，称作地面燃气轮机地面燃气轮机地面燃

153、气轮机地面燃气轮机。 轴功率输出式的燃气轮机可用于轴功率输出式的燃气轮机可用于直升飞机直升飞机，而广泛地用于，而广泛地用于地面装置地面装置地面装置地面装置，如图如图433433所示，所示，142（三）燃气轮机的优点（三）燃气轮机的优点燃气轮机的燃气轮机的工作原理工作原理与结构和与结构和汽轮机汽轮机基本上是相同的，而不同的是：基本上是相同的，而不同的是： 燃气轮机燃气轮机燃气轮机燃气轮机采用的采用的工质工质是是空气空气，而，而汽轮机汽轮机汽轮机汽轮机的工质是的工质是蒸汽蒸汽。 燃气轮机燃烧加热是在燃气轮机燃烧加热是在很小的燃烧室很小的燃烧室很小的燃烧室很小的燃烧室中进行，而汽轮机的工质蒸汽是在中

154、进行，而汽轮机的工质蒸汽是在庞大庞大庞大庞大的锅炉的锅炉的锅炉的锅炉中加热产生的中加热产生的; ; 汽轮机带有很大的汽轮机带有很大的凝汽设备凝汽设备凝汽设备凝汽设备。燃气轮机燃气轮机优点：优点：优点：优点：与汽轮机组相比，装置简单、紧楱、重量轻、体积小、启动与汽轮机组相比，装置简单、紧楱、重量轻、体积小、启动快，带负荷快，不需大量冷却水；快，带负荷快，不需大量冷却水；其其缺点：缺点：缺点：缺点：是单机功率较小，效率较低，运行寿命短。只能使用液体和气体燃是单机功率较小，效率较低，运行寿命短。只能使用液体和气体燃料。料。143二、简单燃气轮机装置和热力循环1 1 1 1，简单燃气轮机装置，简单燃气

155、轮机装置，简单燃气轮机装置，简单燃气轮机装置：（以单轴燃气发电机组为例）（以单轴燃气发电机组为例）如图如图434434所示。其中，所示。其中，1 1为为压气机压气机，2 2为为发电机发电机，3 3为为燃燃料泵料泵，4 4为为燃烧室燃烧室，5 5为为燃料燃料喷嘴喷嘴，6 6为为燃烧区燃烧区，7 7为为启动启动电机电机，8 8为为燃气轮燃气轮，9 9为为排气排气管管。图4341442 2，工作过程，工作过程1.1.压气机压气机1 1通过进气道通过进气道吸取空气吸取空气，并压缩并压缩；2.2.送入送入燃烧室燃烧室4 4，燃料泵，燃料泵3 3将将燃料送入燃料送入喷嘴喷嘴5 5，后，后喷入喷入燃烧室，燃

156、料和空气燃烧室，燃料和空气混合燃烧混合燃烧混合燃烧混合燃烧。3.3.从压气机出口的压缩空气，约从压气机出口的压缩空气，约20402040作为作为“一次空气一次空气”送入燃烧室送入燃烧室参参参参与燃烧与燃烧与燃烧与燃烧；其余；其余60806080作为作为“二次进气二次进气”或是或是“冷却空气冷却空气”掺入到燃气掺入到燃气流中，和燃气混合，一起进入燃气涡轮流中，和燃气混合，一起进入燃气涡轮膨胀作功膨胀作功膨胀作功膨胀作功。4.4.涡轮所涡轮所发出的功发出的功发出的功发出的功除除驱动压气机驱动压气机驱动压气机驱动压气机外，外， 其余用来其余用来拖动发电机拖动发电机拖动发电机拖动发电机发电。发电。14

157、53，简单燃气轮机装置的热力循环 简单燃气轮机工作的热力循环是简单燃气轮机工作的热力循环是等压循环等压循环等压循环等压循环，又称又称布雷顿循环布雷顿循环布雷顿循环布雷顿循环 ( (图图435)435)。146热力循环在热力循环在理想理想情况下情况下（1 1）曲线曲线曲线曲线12121212表示空气从表示空气从1 1 1 1点被吸入在点被吸入在压气机压气机中中等熵压缩等熵压缩到到2222点，其压力、点，其压力、温度从温度从1 1点点 、 上升到上升到22点点 、 ，其，其等熵压缩比功等熵压缩比功等熵压缩比功等熵压缩比功： （554）其中，其中，为压缩比（等熵过程）。为压缩比（等熵过程）。147（

158、2 2 2 2）曲线）曲线）曲线）曲线2 2 2 23 3 3 3 为工质为工质定压吸热过程定压吸热过程定压吸热过程定压吸热过程，燃料和空气在，燃料和空气在燃烧室燃烧室中混合、燃烧，中混合、燃烧，工质工质( (燃气燃气) )在等压下吸热，温度由在等压下吸热，温度由2 2点的点的 上升到上升到3 3点的点的 ，吸入的吸入的吸入的吸入的热热热热量量量量 ：其中，其中， 为加热比。为加热比。148（3 3）曲线曲线曲线曲线3434 为为工工质质在在涡涡轮轮中中等等等等熵熵熵熵膨膨膨膨胀胀胀胀作作作作功功功功过过过过程程程程，工工质质从从3 3点点压压力力 温温度度 ，下下降降到到4 4点压力点压力

159、、温度、温度 ，等熵膨胀功等熵膨胀功等熵膨胀功等熵膨胀功（556）149（4 4）曲线）曲线）曲线）曲线4141是作功后的工质从是作功后的工质从燃气轮机燃气轮机排大气，在排大气，在等压下放热等压下放热，4 4点的压力点的压力 等于等于1 1点的压力点的压力 ，温度从，温度从4 4点的点的 ，下降到，下降到1 1点的点的 ，放出的放出的放出的放出的热量热量热量热量 ：1504 4，整个理想循环，整个理想循环，整个理想循环，整个理想循环单位质量工质单位质量工质所作的功所作的功所作的功所作的功（558）由由此此可可见见，简简单单燃燃气气轮轮机机理理理理想想想想循循循循环环环环所所发发出出的的比比比比

160、功功功功是是等等等等熵熵熵熵膨膨膨膨胀胀胀胀功功功功与与等熵压缩功等熵压缩功等熵压缩功等熵压缩功之之差差差差。1515，简单燃气机循环热效率，简单燃气机循环热效率简单燃气轮机热效率热效率即为比功比功和吸热量吸热量之比比（559） 由上式可知：简单燃气轮机的由上式可知：简单燃气轮机的理想循环理想循环的的热效率热效率热效率热效率（1 1）随着随着压比压比压比压比 增加而提高增加而提高增加而提高增加而提高。这是因为当。这是因为当 增加时，增加时， 也增加，在相同的燃气初也增加，在相同的燃气初温下，需加入的温下，需加入的热量热量热量热量 将减少，而将减少，而 随随 增加而降低，使增加而降低，使排气所带

161、走的热量排气所带走的热量减少减少，故效率，故效率 提高。提高。（2 2）效率）效率 与与加热比加热比加热比加热比 无关无关无关无关。这是因为。这是因为增压比增压比增压比增压比一定时，温度的变化对比功一定时，温度的变化对比功和加热量影响正好相互抵消。即增加使和增加，恰好和加热量影响正好相互抵消。即增加使和增加，恰好使效率不变使效率不变使效率不变使效率不变。1526，简单燃气轮机的，简单燃气轮机的实际循环实际循环过程过程 实际循环中，工质通过各通流部件时，有能量实际循环中，工质通过各通流部件时，有能量损失损失（由（由摩擦摩擦、涡流涡流、散热散热、在音速或超音速流动中、在音速或超音速流动中冲激波冲激

162、波等）存在。其实际循环过程为图等）存在。其实际循环过程为图443535中的实线所示。中的实线所示。实际简单循实际简单循实际简单循实际简单循 环环的的比功比功和和效率效率都小于都小于理想循环理想循环理想循环理想循环的值。的值。1537 7，发动机的推力，发动机的推力( (略略) ) 对对对对于于于于简简简简单单单单循循循循环环环环热热热热力力力力过过过过程程程程，发发动动机机的的推推力力可可根根据据动动量量定定理理求求得得。设设飞飞机机飞飞行行的的速速度度为为 ，尾尾喷喷管管的的出出口口截截面面积积为为 ，喷喷出出的的气气流流速速度度为为 ，并并假假定定忽忽略略喷喷入入燃燃油油的的质质量量，进进

163、入入发发动动机机的的空空气气流流量量 与与燃燃气气流流量量 相相等等，则发动机的推力为：则发动机的推力为： 当燃气在当燃气在尾喷管尾喷管内内完全膨胀完全膨胀完全膨胀完全膨胀， ，发动机在地面，发动机在地面静止状态静止状态静止状态静止状态下工作下工作速度速度 =0=0，则：，则：（560）1548，发动机热力循环所产生的，发动机热力循环所产生的功率功率功率功率、效率效率效率效率( (略略略略) )推进功率推进功率推进功率推进功率: :推进效率推进效率推进效率推进效率：（562）（561）由上式可见，当燃气发生器的由上式可见，当燃气发生器的比功比功比功比功相同，相同，飞行速度飞行速度飞行速度飞行速

164、度UoUoUoUo一定，一定， 越大，越大，喷射喷射喷射喷射速度速度速度速度 越大越大, ,推力推力推力推力和和推进功推进功推进功推进功越大，越大，推进效率推进效率推进效率推进效率越高。所以，采用越高。所以，采用涡扇发动机涡扇发动机涡扇发动机涡扇发动机和和涡桨发动机涡桨发动机涡桨发动机涡桨发动机的目的，就是为了在相同燃气发生器的条件下，增大推力，的目的，就是为了在相同燃气发生器的条件下，增大推力，提高推进效率提高推进效率。其其功率功率功率功率用用动能动能动能动能表示为表示为: :1559，总效率，总效率( (略略略略) ) 航空燃气轮机航空燃气轮机作为作为热机热机和和推进器推进器的的组合体组合

165、体组合体组合体，应用，应用总效总效总效总效率率率率来评价它的经济性。来评价它的经济性。总效率总效率总效率总效率应是加入燃料应是加入燃料完全燃烧完全燃烧所产生所产生的的热能热能q q有多少变为飞行的有多少变为飞行的推进功推进功。总效率总效率总效率总效率应等于应等于热效率热效率热效率热效率和和推推推推进效率进效率进效率进效率的乘积：的乘积：（563）一般情况下，涡轮喷气发动机的一般情况下，涡轮喷气发动机的热效率热效率热效率热效率约为约为0.250.250.400.40，推进推进推进推进效率效率效率效率为为0.500.500.750.75，总效率总效率总效率总效率约为约为0.200.200.300.

166、30或更高一些。或更高一些。156三、提高燃气轮机的效率和比功( (略略略略) )（以下不讲）（以下不讲）（以下不讲）（以下不讲） 从上述分析中可知，要从上述分析中可知，要提高简单燃气轮机的效率和比功提高简单燃气轮机的效率和比功，就得，就得: : 1) 1) 提高涡轮提高涡轮进口的温度进口的温度； 2) 2) 增加增加压比压比；3) 3) 设计设计高效率高效率的通流部件的通流部件 。4) 4) 对于航空喷气发动机，设法对于航空喷气发动机，设法减小喷气速度减小喷气速度与与飞行速度飞行速度之之差差差差。另一方面，简单燃气轮机的另一方面，简单燃气轮机的排气温度排气温度排气温度排气温度很高很高( (一

167、般为一般为400400 500,500,甚至更高甚至更高) )，且，且用在压气机用在压气机压缩空气的功率很大压缩空气的功率很大压缩空气的功率很大压缩空气的功率很大约占总功的约占总功的三分之二三分之二三分之二三分之二，因此，因此 5 5）可以采用）可以采用余热利用余热利用余热利用余热利用； 6 6）空间冷却空间冷却空间冷却空间冷却减少压缩功的方法来提高热效率。减少压缩功的方法来提高热效率。157复杂循环装置的燃气轮机出现复杂循环装置的燃气轮机出现( (略略略略) )（1 1 1 1）回热循环燃气轮机）回热循环燃气轮机）回热循环燃气轮机）回热循环燃气轮机 与与简简单单燃燃气气轮轮机机相相比比，增增

168、设设了了一一个个回回回回热热热热器器器器( (即即热热交交换换器器) )。即即将排气引入到回热器对进入燃烧前的将排气引入到回热器对进入燃烧前的空气进行预热空气进行预热。（2 2 2 2）中冷循环燃气轮机）中冷循环燃气轮机）中冷循环燃气轮机）中冷循环燃气轮机 与简单循环燃轮机相比，是在压气的级间与简单循环燃轮机相比，是在压气的级间增设了中冷器增设了中冷器增设了中冷器增设了中冷器。使高压压气机使高压压气机进口气流的温度进口气流的温度进口气流的温度进口气流的温度降低了，压气机所耗的功降低了，压气机所耗的功减少减少减少减少了，中冷循环的比功了，中冷循环的比功增加增加增加增加了。了。158（3 3）再热

169、循环燃气轮机）再热循环燃气轮机( (略略略略) ) 与简单燃气轮机相比，主要的区别是，与简单燃气轮机相比，主要的区别是，对对地地地地面面面面燃燃燃燃机机机机轮轮轮轮机机机机来来说说是是在在高高、低低压压涡涡轮轮之之间间增增设设一一个个再再热热燃燃烧烧室室。高高压压涡涡轮轮出出口口的的燃燃气气在在再再热热燃燃烧烧室室加加热热后后，进进入入低低压涡轮作功，以增加其比功。压涡轮作功，以增加其比功。，对对航航航航空空空空燃燃燃燃气气气气轮轮轮轮机机机机来来说说，在在涡涡轮轮和和尾尾喷喷管管之之间间设设置置加加力力燃燃烧烧室室进进行行加加力力燃燃烧烧，以以增增加加单单位位推推力力。再再热热循循环环虽虽然

170、然可可增增加加比比功功，但但因因总总加加热热量量增增加加了了，热热效效率率有有所所降降低低，只只有有当当增增压压比比较高时，再热循环效率才比简单循环热效率高些。较高时，再热循环效率才比简单循环热效率高些。159综合利用上述循环( (略略略略) ) 可可以以增增大大比比功功，提提高高效效率率，但但使使燃燃气气轮轮机机的的结结结结构构构构复复复复杂杂杂杂了了，失失去去了了它它原原有有的的结结构构紧紧揍揍、体体积积小小、重重量量轻轻、功功率率大大的的优优点点。因因此此，现现在在除除燃燃气气轮轮机机采采用用再再热热加加力力外外，其其它它形形式式几几乎乎不不采采用用。在在在在地地地地面面面面广广广广泛泛

171、泛泛采采采采用用用用的的的的是是是是燃燃燃燃气气气气蒸蒸蒸蒸气气气气联联联联合合合合循循循循环环环环，对对提提高高经经济济性性、增增大大机机组组功功率率都都是是有有益益之之举举，很很有有发发展前景展前景( (见第见第1111章章) )。160第六节第六节 水水 轮轮 机机水水轮轮机机和和汽汽轮轮机机、燃燃气气轮轮机机同同属属涡涡轮轮机机，其其工工作作原理与之相同。但水轮机的工质为原理与之相同。但水轮机的工质为液体液体。水水轮轮机机是是水水电电站站的的最最主主要要的的动动力力设设备备。此此外外，水水轮轮机机也也直直接接用用于于拖拖动动其其他他的的工工作作机机，如如拖拖动动加加工工机机械械等等。将

172、将水水轮轮机机和和泵泵组组织织成成一一个个传传动动装装置置，在在工工业业中中获获得得广广泛泛的的应应用用。图图4 43636所所示示的的液液力力变变矩矩器器（火火电电厂厂给给水水泵泵的的液液力力偶偶合合器器）广广泛泛地地应应用用于于电电厂厂给给水水泵泵、内内燃燃机机车车、坦坦克克、高高级级轿轿车车等等作作为为无级变速装置无级变速装置。 161水轮机的基本类型水轮机的基本类型水轮机的基本类型水轮机的基本类型水轮机的基本类型水轮机的基本类型： 总起来分成：总起来分成：冲击式冲击式和和反击式反击式两大类。因结两大类。因结构不同，又分为多种。构不同，又分为多种。162一、水轮机的结构类型 水水轮轮机机

173、的的结结构构形形式式很很多多类类型型。最最常常用用的的分分类类是是按按照照转转轮轮内内水水流流的的流流动动特特点将水轮机分为以下几种：点将水轮机分为以下几种： 1、混流式水轮机：、混流式水轮机：图图4 43737为典型的为典型的混流式水轮机混流式水轮机的剖面图。的剖面图。作功过程作功过程：水水流流从从压压力力钢钢管管进进入入水水轮轮机机，先先经经过过蜗蜗壳壳1 1， 然后通过然后通过活动导叶活动导叶2 2进入进入转轮转轮3 3作功作功。 蜗蜗壳壳和和活活动动导导叶叶控控制制着着进进入入转转轮轮的的水水流流的的速速度的大小和方向。度的大小和方向。水水流流在在转转轮轮内内推推动动转转轮轮作作功功以

174、以后后，从从尾尾水水管管4 4排入下游河道。排入下游河道。163水轮机组的优点：水轮机组的优点： 活活动动导导叶叶2 2在在调调节节机机构构的的控控制制下下可可以以绕绕自自身身的的轴轴线线旋旋转转，以以改改变变流流进进入入转转轮轮的的水水流流的的方方向向和和流流量量。从而改变了水轮机的。从而改变了水轮机的功率功率。 水水轮轮机机与与汽汽轮轮机机、燃燃气气轮轮机机相相比比，其其调调节节性性能能非非常常好好。因因此此，在在电电力力系系统统中中除除了了发发电电以以外外，还还起着系统起着系统调峰调峰的任务。的任务。 当当电电力力系系统统没没有有足足够够的的调调节节能能力力时时，常常常常兴兴建建专专门门

175、用用于于调调节节的的抽水蓄能电站，抽水蓄能电站，与核电站配合。与核电站配合。164 2 2、轴流式水轮机（、轴流式水轮机（反击式） 图图4 43838所示为所示为轴流式水轴流式水轮机轮机简图。其中，简图。其中，蜗壳蜗壳1 1、活活动导叶动导叶2 2、转轮转轮3 3以及以及尾水管尾水管4 4等主要部分都与混流式水轮机等主要部分都与混流式水轮机相同。不同的只是转轮的形状。相同。不同的只是转轮的形状。轴流式转轮外形与轴流泵、轴轴流式转轮外形与轴流泵、轴流式风机的叶轮非常相似。轴流式风机的叶轮非常相似。轴流式水轮机是流式水轮机是反击式反击式的。的。 165 3 3、贯流式水轮机、贯流式水轮机 图图4

176、43939为为贯贯流流式式水水轮轮机机简简图图。由由图图可可见见，贯贯流流式式水水轮轮机机转转轮轮与与轴轴流流式式相相同同，但但没没有有蜗蜗壳壳。水水流流从从上上游游直直接接通通过过活活动动导导叶叶3 3进进入入转转轮轮4 4。上上游游管管路路、活活动动导导叶叶、转转轮轮以以及及尾尾水水管管5 5，是是一一根根管管路路。发发电电机机2 2装装置置于于这这个个管管路路之之内内，用用一一个个钢钢制制壳壳体体1 1保保护护起起来来。这这个个壳壳体体称称为为灯灯泡泡体体，故故称称为为灯灯泡泡( (贯贯流流) )式式水水轮轮机机。这这种是目前贯流式水轮机的主流结构形式。种是目前贯流式水轮机的主流结构形式

177、。图中：1钢制壳体（灯泡体）；2发电机；3活动导叶；4转轮；5尾水管。1664 4、冲击（切击）式水轮机、冲击（切击）式水轮机 图图4 44040是切击式水轮机简图。它是一种是切击式水轮机简图。它是一种冲击式水轮机冲击式水轮机，也是冲击式水轮，也是冲击式水轮机的主要结构形式。在冲击式水轮机中，机的主要结构形式。在冲击式水轮机中，高压的水流从喷嘴高压的水流从喷嘴1 1中高速喷出，形中高速喷出，形成一股自由射流。该射流作用于转轮成一股自由射流。该射流作用于转轮2 2的叶片，推动转轮旋转做功的叶片，推动转轮旋转做功。图右上角。图右上角喷嘴中有喷针喷嘴中有喷针3 3，前后，前后移动喷针移动喷针，就可以

178、，就可以改变喷嘴的出口面积改变喷嘴的出口面积，从而改变流量从而改变流量和水轮机的功率。和水轮机的功率。 图中：1喷嘴；2转轮；3喷针；167二、水轮机的工作原理二、水轮机的工作原理（一）（一）水水轮机工作原理机工作原理 水流流过转轮叶片通道时，受到叶形和流道断面的约束，要水流流过转轮叶片通道时，受到叶形和流道断面的约束，要改变方向改变方向，速度速度大小要发生变化大小要发生变化，因此，对转轮要产生作用力，使转轮转动作功，将水能转，因此，对转轮要产生作用力，使转轮转动作功，将水能转换为机械能。根据换为机械能。根据伯努利方程伯努利方程，则转轮进、出口之间的元流能量方程式：，则转轮进、出口之间的元流能

179、量方程式：或168令令 ， 称元流称元流1-21-2的的势能势能，它是，它是1 1点和点和2 2点上点上位能与压能之和在元流位能与压能之和在元流1-21-2之间的差；之间的差； 令令 ， 称元流称元流1-21-2的的动能动能； 令令 ， 称作称作机械能机械能。理论上它是元流具有的水能通过。理论上它是元流具有的水能通过转轮转变的机械能，所以转轮转变的机械能，所以上式为：上式为：在理想工况下，水流流经在理想工况下，水流流经反击式水轮机转轮反击式水轮机转轮时，其时，其势能的降落势能的降落与与动能动能的变化的变化之之和和转变成水流对转轮所作的转变成水流对转轮所作的旋转机械功旋转机械功。169 对于对于

180、冲击式水轮机冲击式水轮机冲击式水轮机冲击式水轮机，因，因 ，故，故 ，所以所以上式表明，上式表明，冲击式水轮机只是利用水流动能作功。冲击式水轮机只是利用水流动能作功。（二）水轮机的基本方程（二）水轮机的基本方程1.1.水轮机的转速水轮机的转速 n,(rn,(r/min/min） ：因发电机与水轮机直接连结，发：因发电机与水轮机直接连结，发电机的磁极对数一定，为了保证发电频率和电压，水轮机的转电机的磁极对数一定，为了保证发电频率和电压，水轮机的转速必需是一个标准常数，称为水轮发电机组的工作转速。速必需是一个标准常数，称为水轮发电机组的工作转速。1702. 转轮叶片流道的水流进、出口速度三角形转轮

181、叶片流道的水流进、出口速度三角形如图如图11-19，转轮上有若干个叶片，在，转轮上有若干个叶片，在ab、cd两个叶片所组成的流道，由导叶引入两个叶片所组成的流道，由导叶引入的元水流，在进口断面的元水流，在进口断面ac处，以绝对速度处，以绝对速度 进入流道，在出口断面进入流道，在出口断面bd以绝对速度以绝对速度 离开流道。叶轮流道的圆周速度离开流道。叶轮流道的圆周速度 、 及沿流道的相对速度及沿流道的相对速度 、 。叶轮流道进出口水流的绝对速度。叶轮流道进出口水流的绝对速度 、 与圆周速度与圆周速度 、 之间的夹角之间的夹角为为 、 。流道的进出口。流道的进出口水流的相对速度水流的相对速度 、

182、与圆周速度与圆周速度 、 之间的夹角为之间的夹角为 、 。三个矢量。三个矢量 、 、 和和 、 、 在在转轮的进出口组成了转轮的进出口组成了两个速度三角两个速度三角形，形，表示水流在转轮叶片流道的进表示水流在转轮叶片流道的进出口处的运动状态。出口处的运动状态。图11-191713. 水轮机的基本方程水轮机的基本方程（1）流体对流道的反作用力）流体对流道的反作用力 若在若在 时间内流入流道的时间内流入流道的水体质量水体质量为为 ；水流速度水流速度为为 ，流道，流道对水流的作用力为对水流的作用力为 。根据。根据动量原理动量原理， ，即，即叶片流道叶片流道对水流的作用力对水流的作用力为为 。将。将

183、对流道进出口断面进行积分，对流道进出口断面进行积分，有有上式积分结果是叶片流道在进出口过程中，上式积分结果是叶片流道在进出口过程中，叶片流道对水体总作用力叶片流道对水体总作用力F。172根据牛顿第三定律，则根据牛顿第三定律，则流体对流道的反作用力流体对流道的反作用力为为式中式中 进入流道的水流流量，进入流道的水流流量， ； 水的重度，水的重度， ； 水流在叶轮流道进、出口上的平均绝对速度，水流在叶轮流道进、出口上的平均绝对速度， ； gg重力加速度，重力加速度， g=9.81 .g=9.81 .173（2 2）流体对转轮轴的总作用力矩：）流体对转轮轴的总作用力矩： 经过力的分解、化简可得水流流

184、经转轮流道时，在轮周方向对转经过力的分解、化简可得水流流经转轮流道时，在轮周方向对转轮轴的轮轴的总作用力矩总作用力矩为：为：式中，式中， ， 转轮的外缘半径和内缘半径。转轮的外缘半径和内缘半径。（3 3）转轮的出力（功率）：）转轮的出力（功率）： 如果转轮以角速度如果转轮以角速度 旋转，则旋转，则转轮在水流作用下所具有的出力转轮在水流作用下所具有的出力为：为：或174若不计能量损失，则若不计能量损失，则水流出力水流出力和和转轮出力转轮出力相等，即相等，即 P=P0，有，有式中式中 叶片流道进、出口圆周速度；叶片流道进、出口圆周速度； 叶片流道进、出口水流绝对速度与圆周速度的夹角。叶片流道进、出

185、口水流绝对速度与圆周速度的夹角。上式为上式为反击式水轮机的基本方程反击式水轮机的基本方程，就是表示：，就是表示：在理想工况下单位重量水流所在理想工况下单位重量水流所具有的出力。具有的出力。或（4）反击式水轮机的基本方程）反击式水轮机的基本方程175（5 5）冲击式水轮机的基本方程）冲击式水轮机的基本方程： 对于对于冲击式水轮机冲击式水轮机，射流在水斗上的进、出口位置到转轴的距离近似相等，射流在水斗上的进、出口位置到转轴的距离近似相等，则冲击式水轮机的基本方程为则冲击式水轮机的基本方程为式中，式中， 为冲击式水轮机转轮出口水流相对速度，为冲击式水轮机转轮出口水流相对速度， 与圆周速度与圆周速度u

186、 u之间的之间的夹角夹角 。176三、水轮机的能量损失及效率三、水轮机的能量损失及效率三、水轮机的能量损失及效率三、水轮机的能量损失及效率 由于摩擦、撞击、间隙渗漏等，水流流过转轮流道时，不能将全部水能转由于摩擦、撞击、间隙渗漏等，水流流过转轮流道时，不能将全部水能转换为机械能。换为机械能。1.1.水力损失和水力效率水力损失和水力效率 从水轮机的引水室到尾水管出口，存在从水轮机的引水室到尾水管出口，存在沿程损失、局部撞击、涡流、脱流沿程损失、局部撞击、涡流、脱流等所引起的损失称为水轮机的等所引起的损失称为水轮机的水力损失水力损失，用，用水力效率水力效率表示水力损失的大小表示水力损失的大小式中式

187、中 水轮机的工作水头，水轮机的工作水头，m m； 水流流过转轮流道时的总水头损失，水流流过转轮流道时的总水头损失，m m； 水轮机的有效水头水轮机的有效水头,m,m。1772. 2. 容积损失和容积效率容积损失和容积效率由于由于间隙漏流间隙漏流造成的损失为造成的损失为容积损失容积损失。用。用容积效率容积效率表示，即表示，即式中式中 水轮机的输入流量，水轮机的输入流量， ； 漏流流量，漏流流量， ； 水轮机的有效工作流量，水轮机的有效工作流量， 。1783. 机械损失和机械效率机械损失和机械效率由于水轮机转轮轮面书水流之间的由于水轮机转轮轮面书水流之间的摩擦，轴承、油封等摩擦摩擦，轴承、油封等摩

188、擦，造成机械损，造成机械损失。用失。用机械效率机械效率表示，即表示，即式中，式中， 水轮机的转轮功率；水轮机的转轮功率； 水轮机的各项损失之和；水轮机的各项损失之和； 水轮机水轮机主轴端输出功率主轴端输出功率。1794. 水轮发电机组的实际出力（功率）水轮发电机组的实际出力（功率）（1）水流的理想出力（功率）水流的理想出力（功率） 从前面讨论可知，水流的理想出力为从前面讨论可知，水流的理想出力为（2）水轮机主轴轴端功率：）水轮机主轴轴端功率： 实际上，水流从上游经过拦污栅、进水口、引水渠道等设施，然后进入水实际上，水流从上游经过拦污栅、进水口、引水渠道等设施，然后进入水轮机，中间存在着沿程和局

189、部水头损失，根据经验，以上各损失之和约占上轮机，中间存在着沿程和局部水头损失，根据经验，以上各损失之和约占上下游落差的下游落差的510%左右。考虑了说头损失之后，左右。考虑了说头损失之后，水轮机主轴轴端功率水轮机主轴轴端功率为为180（3）水轮发电机组的发电功率和总效率）水轮发电机组的发电功率和总效率 显然，提高水轮机部件的制造精度，减少水力损失和机械损显然，提高水轮机部件的制造精度，减少水力损失和机械损失，减少水轮机动静间的间隙，采用新型、高效的止漏装置，减失，减少水轮机动静间的间隙，采用新型、高效的止漏装置，减少容量损失，降低水轮机转轮出口的绝对速度，就能够提高水轮少容量损失，降低水轮机转

190、轮出口的绝对速度，就能够提高水轮机的主轴轴端功率。考虑机械损失、电磁损失后，则机的主轴轴端功率。考虑机械损失、电磁损失后，则水轮发电机水轮发电机组的发电功率组的发电功率为：为：其中，其中， 为为水轮发电机组的总效率水轮发电机组的总效率，一般为，一般为0.660.760.660.76。181四、四、 水轮机的主要辅助设备水轮机的主要辅助设备 在水电站内，除了水轮机、发电机、变压器等主要设备外，还有一些在水电站内，除了水轮机、发电机、变压器等主要设备外，还有一些辅助设备。辅助设备。1. 1. 水电厂的油系统设备水电厂的油系统设备 水电厂用油分透平（汽轮机）油和绝缘油系统水电厂用油分透平（汽轮机）油

191、和绝缘油系统两个独立油系统两个独立油系统。（1 1）透平油系统）透平油系统：供轴承润滑、散热，调节系统，传递能量用；：供轴承润滑、散热，调节系统，传递能量用；（2 2）绝缘油系统）绝缘油系统：供变压器、油开关作绝缘、散热及消弧用。：供变压器、油开关作绝缘、散热及消弧用。 两个独立油系统的主要设备有两个独立油系统的主要设备有储油罐储油罐（2 2个），另外还有个），另外还有油泵、油净油泵、油净化器化器（分离杂质和水分），（分离杂质和水分），压滤机压滤机（除杂质），（除杂质），真空滤油机真空滤油机（除水脱氧）。（除水脱氧）。及其及其连接管道连接管道。1822. 水电厂的水系统设备水电厂的水系统设备(

192、1)(1)供水系统供水系统：供机组生产用水，包括：供机组生产用水，包括：发电机组的空气冷却器、发电机组的空气冷却器、 推力轴推力轴承和导轴承的油冷却器、承和导轴承的油冷却器、 压油装置冷却器、压油装置冷却器、 水冷式空气压缩机冷却器；水冷式空气压缩机冷却器； 水轮机导轴承的润滑用水等。其中发电机冷却耗水占水轮机导轴承的润滑用水等。其中发电机冷却耗水占80%80%左右；还有生活用水左右；还有生活用水消防用水。消防用水。(2)(2)排水系统排水系统：主要有：生产中用过的水；检修设备时的存水；各用水设备的漏：主要有：生产中用过的水；检修设备时的存水；各用水设备的漏水、滲水。水、滲水。3. 3. 空气

193、压缩系统空气压缩系统 水电厂有很多设备需要压缩空气，如：调节系统，压力油箱，发电机水电厂有很多设备需要压缩空气，如：调节系统，压力油箱，发电机停机时制动；碟关闭后；高压空气断路器；机组检修时的各种电动工具等设备，停机时制动；碟关闭后；高压空气断路器；机组检修时的各种电动工具等设备，还有连接管道等。还有连接管道等。183五、五、五、五、 水轮机转速调节水轮机转速调节水轮机转速调节水轮机转速调节1.1.水轮机转速调节水轮机转速调节(1)(1)水轮机转速调节的任务：水轮机转速调节的任务：供电质量供电质量：电压，：电压，频率频率。水轮机运行时，作用在主轴上的力矩有。水轮机运行时，作用在主轴上的力矩有2

194、 2（忽略（忽略摩擦）：摩擦）：水轮机的主力矩水轮机的主力矩 ，发电机的反力矩，发电机的反力矩 ，则水轮发电机组，则水轮发电机组轴系运动方程式为：轴系运动方程式为： 机组稳定运行时，两个力矩平衡，只要两个力矩失衡，就会产生角加速机组稳定运行时，两个力矩平衡，只要两个力矩失衡，就会产生角加速度。为了使机组达新的平衡，就得调节水流量度。为了使机组达新的平衡，就得调节水流量Q Q，使，使水轮机的主力矩与变水轮机的主力矩与变化后的发电机的反力矩相平衡。化后的发电机的反力矩相平衡。 184(2)(2)水水轮机的机的调速系速系统主要部件主要部件 水轮机的调速器大多数是机械式，如图水轮机的调速器大多数是机械

195、式，如图11-2011-20，其工作原理和，其工作原理和汽轮机的调节系统大体相同。汽轮机的调节系统大体相同。主要部件：主要部件：转速敏感元件转速敏感元件：离心飞锤：离心飞锤1 1（转速调整机构）（和水轮机轴连接）；（转速调整机构）（和水轮机轴连接）；传动放大元件传动放大元件：杠杆：杠杆ABC3ABC3，主配压阀，主配压阀5 5；执行机构：执行机构：接力器接力器9 9，导水机构，导水机构1313；反馈机构反馈机构：缓冲器：缓冲器8 8，残留不均匀机构，残留不均匀机构1010。调节原理（略，和汽原理（略，和汽轮机的机的调节原理大体相同）原理大体相同）185（3 3）水轮机的流量调节）水轮机的流量调

196、节 反反击击式式水水轮轮机机的的流流量量是是依依靠靠活活动动导导叶叶进进行行调调节节的的（右右图图），活活动动导导叶叶为为一一两两端端均均有有小小轴轴的的叶叶片片。调调节节机机构构通通过过小小轴轴可可以以转转动动叶叶片片。若若干干个个( (通通常常为为12122424片片) )活活动动叶叶片片围围绕绕转轮一周。转轮一周。 186（3 3）水轮机的流量调节）水轮机的流量调节冲冲击击式式水水轮轮机机的的流流量量调调节节则则依依靠靠喷喷针针进进行行调调节节。通通常常喷喷针针左左右右移移动动进进行行调调节节水水量量，即功率。即功率。187六、水轮机的特点六、水轮机的特点（1 1）水水轮轮机机的的工工作

197、作水水头头（能能量量头头）比比汽汽轮轮机机低低得得多多，而而且且变变化化范围大。水是不可压缩流体，其密度比气体大得多。范围大。水是不可压缩流体，其密度比气体大得多。（2 2）水水轮轮机机的的能能量量头头比比较较低低，其其转转速速也也低低。水水轮轮机机属属于于低低速速重重载的机器。载的机器。（3 3）由由于于水水轮轮机机的的能能量量头头比比较较低低，所所以以水水轮轮机机基基本本都都是是单单级级的的。所以水轮机具有很好的调节特性。所以水轮机具有很好的调节特性。 （4 4）水水轮轮机机是是通通过过转转轮轮的的叶叶片片形形状状从从轴轴流流式式经经过过混混流流式式到到切切击式的变化，以适应从低到高不同的

198、水头。击式的变化，以适应从低到高不同的水头。188七、水轮机的汽湿现象七、水轮机的汽湿现象1.1.反击式水轮机的反击式水轮机的汽湿现象汽湿现象 根据热力学知道，根据热力学知道，水的饱和压力水的饱和压力和和饱和温度饱和温度是一一对应的。安装了尾水管是一一对应的。安装了尾水管的反击式水轮机，转轮出口和尾水管进口附近的压力的反击式水轮机，转轮出口和尾水管进口附近的压力低于大气压低于大气压，即产生负压。，即产生负压。当局部压力降到水流温度所对应的饱和压力时，水就开始当局部压力降到水流温度所对应的饱和压力时，水就开始汽化汽化，水中产生，水中产生汽泡汽泡。汽泡随水流进入较高压力区便会突然淹灭消失。汽泡随水

199、流进入较高压力区便会突然淹灭消失。 此时，周围的水滴就会高速来此时，周围的水滴就会高速来填补汽泡消失后的填补汽泡消失后的空穴，空穴，发生高速撞击，引起发生高速撞击，引起局部水压力骤然升高局部水压力骤然升高，随后，被，随后，被强烈撞击而压缩的水质点又向反方向扩散，强烈撞击而压缩的水质点又向反方向扩散，引起汽泡中心区的压力又急剧下降引起汽泡中心区的压力又急剧下降，这种周期性的波动破坏了水的连续性。水点撞击的能量消耗，这种周期性的波动破坏了水的连续性。水点撞击的能量消耗使水轮机效使水轮机效率下降率下降；强烈的撞击力使水轮机产生振动。强烈的撞击力使水轮机产生振动。这种现象发生在金属部件附近，就这种现象

200、发生在金属部件附近，就会会撞击金属表面，形成海绵状的机械破坏撞击金属表面，形成海绵状的机械破坏，这就是水轮机的，这就是水轮机的汽湿现象汽湿现象汽湿现象汽湿现象。189避免水轮机的汽湿的常用措施避免水轮机的汽湿的常用措施：避免机组长期低负荷运行，避免机组长期低负荷运行， 适当地补入空气；适当地补入空气； 改善叶片形状，提高叶片表面光洁度；改善叶片形状，提高叶片表面光洁度； 选用硬度大、抗湿性好金属材料做叶片；选用硬度大、抗湿性好金属材料做叶片； 合理确定水轮机的合理确定水轮机的吸出高度吸出高度 （图（图11-1611-16）。）。1902.2.水轮机的安装高度水轮机的安装高度 为了防止反击式水轮

201、机产生汽湿现象，为了防止反击式水轮机产生汽湿现象，根本途经根本途经是使水轮机内水流的最低压是使水轮机内水流的最低压力不低于水的汽化压力力不低于水的汽化压力p pn n（正常水温度在（正常水温度在10301030C C时，时，p pn n=1.24.3kPa=1.24.3kPa）。水轮机）。水轮机内最低压力区多发生在内最低压力区多发生在叶片背面的进出口叶片背面的进出口和和尾水管的入口处尾水管的入口处。为了不产生汽湿，。为了不产生汽湿，则要求水轮机的则要求水轮机的吸出高度吸出高度吸出高度吸出高度 （下游面至转轮工作最低压力点的距离（下游面至转轮工作最低压力点的距离 图图11-11-1616），即要

202、求），即要求191式中式中 水轮机所处的地面海拔，水轮机所处的地面海拔，m m； H H 水轮机的最高工作水头，水轮机的最高工作水头，m m； 水轮机的汽湿系数，由水轮机模型确定。水轮机的汽湿系数，由水轮机模型确定。在设计时，对于：在设计时，对于： 竖轴轴流式水轮机，竖轴轴流式水轮机， 的的上位置点上位置点取转轮叶片的中心高度；取转轮叶片的中心高度； 竖轴混流式水轮机，竖轴混流式水轮机， 的的上位置点上位置点取导叶的下平面标高；取导叶的下平面标高； 卧轴混流式水轮机，卧轴混流式水轮机， 的的上位置点上位置点取转轮叶片的最高点的标高。取转轮叶片的最高点的标高。 为了安全，为了安全， 将将 值减值减0.51.0m0.51.0m作为水轮机的安装高程。作为水轮机的安装高程。192