第二章多级汽轮机
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第二章+多级汽轮机
第二章+多级汽轮机
第二章多级汽轮机
第一节多级汽轮机的工作特点
为了满足电力生产日益增长的需要，世界各国都在生产大功率、高效率的汽轮发电机组。要想增大汽轮机的功率，则应增加汽轮机的理想焓降和蒸汽流量。若仍设计成单级汽轮机，则理想焓降增加，将使喷嘴出口速度相应增大，为了保持汽轮机级在最佳速比范围内工作，就必须相应地增加级的圆周速度，而增大圆周速度要受到叶轮和叶片材料强度条件的限制，所以焓降不能无限制地增加；增加级的蒸汽流量，则要增加级通流面积，即增大级的平均直径或叶片高度，同样将受到材料强度的限制。那么提高汽轮机蒸汽初参数和降低背压，既能提高机组循环热效率，又能增大汽轮机功率，但焓降的增加不能仅靠单级来完成，否则，喷嘴出口速度将非常大，为保证级在最佳速比附近工作，又将会出现材料强度所不允许的、极大的圆周速度。因此要增大汽轮机功率、又要保证高效率唯一的途径，就是采用多级汽轮机，其中每一级只利用总焓降的一小部分。
多级汽轮机是由按工作压力高低顺序排列的若干级组成的，常见的多级汽轮机有两种，即多级冲动式汽轮机和多级反动式汽轮机。
图1-8（见文后插页）是东方汽轮机厂生产的300MW 冲动式多级汽轮机的纵剖面图。由图可见，该机组高压缸内有10级（1个单列冲动级作调节级，其余9个为压力级）；中压缸内有6级；低压缸内为对称分流，布置有6×2个压力级。从结构上说，该机组共有28级，但由于蒸汽在低压缸内为对称分流，两部分的工作情况相同，故从热力过程的特点上说，该机组共有22级。
图1-9（见文后插页）为哈尔滨汽轮机厂制造的亚临界600MW 反动式汽轮机纵剖面图。它由1个单列调节级、10个高压反动级、2×9个中压反动级和2×2×7个低压反动级组成，因此从结构上说它有57级，而从热力过程上看，它有27级。
第二章 多级汽轮机-第三节 汽轮机及其装置的评价指标
第三节 汽轮机及其装置的评价指标
由于蒸汽在汽轮机中的能量转换存在着损失，蒸汽的理想比焓降m ac t h ∆不可能全部变为有用功，转换成有用功的只是实际比焓降m ac i h ∆实际比焓降m ac i h ∆小与理想比焓降m ac t h ∆。对于没有回热抽汽、没有前后端轴封漏气和门杆漏气的纯凝汽式汽轮机，m ac t h ∆m ac i h ∆之比称为汽轮机的相对内效率，以i η表示。
m a c t
m a c
i i h h ∆∆=η （2.3.1）
实际上在汽轮机装置的整个循环中，为了使1kg 蒸汽具有理想比焓降
m ac t h ∆，需要加给1kg 热蒸汽的热量远比m ac t h ∆大的多，这主要是因为整个热力循环中存在着很大的冷源损失。m ac i h ∆与整个热力循环中加给1kg 蒸汽的热量之比称为汽轮机的绝对内效率，以i a .η表示，则
i t c
m a c i i
a h h h ηηη='-∆=0. （2.3.2）
式中 0h ——进入汽轮机的新蒸汽比焓；
c
h '——对于纯凝汽式汽轮机为凝结水比焓，即汽轮机排汽压力下的饱和水比焓，有回热抽汽式改为末级高压加热器出口给水比焓。
t η——忽略本机组水泵耗功，且蒸汽动力装置按朗肯循环工作时的
循环热效率c
mac
t t h h h '-∆=0η。
在汽轮发电机组中，效率分为两大类：以全机理想比焓降m ac t h ∆为基准来衡量设备完善程度的效率称为相对效率；以整个循环中加给1kg 蒸汽的热量为基准来衡量的，称为绝对效率。
汽轮机的 内效率i p 为
透平机械原理
本机为反动式机组。 高压缸为单流型，共17级;高压缸总重(包括
连体的主汽阀及调节汽阀)达170t，在制造 厂内组装后整体运至现场。
中压缸为分流型，共2×13级，也是整体组 装出厂，总重197t。采用水平中分面窄法 兰外缸。
低压缸为分流型，共2×6级。
汽轮机总长28.5m
机组总长为48.2m。
（计算中加以修正）； 4) 漏气过程看成节流过程； 5) 当视为理想气体时，t=const; 6) 齿数很多。 （适用于隔板漏气量计算）
即：已知p0、t0、pz、齿数z、漏气面积Fl， 计算Gl。
1．最后一个齿隙低于临界速度时
ΔG’l=Flcltρlt
dl=(d1+d2)/2
Gl' Fl
1、作用于动叶片上的轴向力FZ1 2、叶轮两侧的压力差产生的轴向力FZ2 3、轴封凸肩上的轴向力FZ3 4、轮毂或转子凸肩上的轴向力FZ4 单级所受的轴向推力：Fi= FZ1+ FZ2 FZ3+ FZ4 汽轮机所受的总轴向推力FZ=ΣFZi （有围带时，考虑围带部分产生的轴向推
1、作用于动叶片上的轴向力
4
db
lb
2
d12
pd
4
db
lb
2
d
2 2
p2
d1 d2 d
Fz 2
4
db
lb
电厂汽轮机原理-第二章
cex ——排汽管中的汽流速度，
对于凝汽机，取80~120m/s； 背压机，取 40~60m/s。 一般情况下：p (0.02 ~ 0.06) p
c
c
第二节 多级汽轮机的重热现象
一、来自百度文库热现象
上一级损失中的一小部分焓降可以 在以后各级中得到利用——多级汽 轮机的重热现象。
p1
p2
T1'
h h
多级汽轮机的特点
单机功率大 每一级都能在最佳速度比附近工作 内效率高 可做成多排汽口，提高新蒸汽的参数，增加总进汽量
分类： 冲动式、反动式
多级汽轮机有冲动式和反动式两种。国产100MW、 125MW、200MW汽轮机都是冲动式汽轮机；国产 300MW汽轮机则是反动式汽轮机。多级汽轮机通常 用喷嘴调节，控制进汽量，第一级称为调节级，其 余级称为压力级。中小型汽轮机通常采用双列级作 为调节级，大功率汽轮机多用单列级作为调节级。 通流部分尺寸逐级增大，特别是在低压部分，平均 直径增加很快。即叶片的高度越来越长。受到材料 强度的限制，叶片不可能太长，故大型汽轮机都采 用多排汽口。 单位功率造价、材料消耗和占地面积都比单级汽轮 机明显减小，机组容量越大减小越显著，大大节省 了投资。
1) 和级数有关，级数多，α大； 2) 与各级内效率有关，级内效率低，则α大； 3) 与蒸汽状态有关，过热区α大，湿汽区α小。 ** 决不能误认为α越大越好。提高汽轮机效率的根本途径是提 高各级的相对内效率.
汽轮机原理 多级汽轮机_2
叶片无法制造 ■ 多级，例如哈汽N600汽轮机：高压缸1+10级，
中压缸2*9级，低压缸4*7级，焓降1559kJ/kg， 平均每级57.7kJ/kg
2
1、多级汽轮机的特点
■ 单个级的焓降小，易使每个级在直径较小的情 况下工作于最佳速比；
■ 各级的余速动能可以被下一级利用； ■ 叶片中汽流多为亚音速，减小流动损失； ■ 级的直径较小，当面积一定时可增加叶高； ■ 整机的焓降大，可采用回热、再热技术，提高
27
蜂窝式密封
■ 优点： ■ 在最小的材料质量下能保证密封具有最大的强
度 ■ 允许在高压降下应用且不增加密封的尺寸 ■ 装配简单，比梳齿密封具有更好的转子动力学
特性 ■ 使用可磨损材料，比梳齿密封减少泄漏量 ■ 应用： ■ 离心式高压压缩机（航天飞机高压液氧涡轮泵） ■ 汽轮机低压缸末级叶片的顶部密封（吸附水滴）
流，将汽流动能转变为热能。 ■ 随压力降低，蒸汽比容增大，故对相同结构的汽封，
汽流速度是逐级增大。 ■ 轴封孔口可视为一个渐缩喷嘴，则孔口流速最高可达
当地音速。 ■ 因膨胀后焓值变小、音速降低，因此在汽封中如果出
现超临界流动，只能在最后一个汽封片处出现。
33
■ 漏汽量计算 ■ 假定所有齿片结构尺
寸相同、皆亚音速流 动，第x个齿片（共有 z个）流量：
■ 动叶所受推力：
中压缸2*9级，低压缸4*7级，焓降1559kJ/kg， 平均每级57.7kJ/kg
2
1、多级汽轮机的特点
■ 单个级的焓降小，易使每个级在直径较小的情 况下工作于最佳速比；
■ 各级的余速动能可以被下一级利用； ■ 叶片中汽流多为亚音速，减小流动损失； ■ 级的直径较小，当面积一定时可增加叶高； ■ 整机的焓降大，可采用回热、再热技术，提高
27
蜂窝式密封
■ 优点： ■ 在最小的材料质量下能保证密封具有最大的强
度 ■ 允许在高压降下应用且不增加密封的尺寸 ■ 装配简单，比梳齿密封具有更好的转子动力学
特性 ■ 使用可磨损材料，比梳齿密封减少泄漏量 ■ 应用： ■ 离心式高压压缩机（航天飞机高压液氧涡轮泵） ■ 汽轮机低压缸末级叶片的顶部密封（吸附水滴）
流，将汽流动能转变为热能。 ■ 随压力降低，蒸汽比容增大，故对相同结构的汽封，
汽流速度是逐级增大。 ■ 轴封孔口可视为一个渐缩喷嘴，则孔口流速最高可达
当地音速。 ■ 因膨胀后焓值变小、音速降低，因此在汽封中如果出
现超临界流动，只能在最后一个汽封片处出现。
33
■ 漏汽量计算 ■ 假定所有齿片结构尺
寸相同、皆亚音速流 动，第x个齿片（共有 z个）流量：
■ 动叶所受推力：
第二章多级汽轮机-第五节多级汽轮机的轴向推力及其平衡
第五节多级汽轮机的轴向推力及其平衡
2. 5.1 轴向推力
在轴流式汽轮机中，通常是高压蒸汽由一端进入，低压蒸汽由另一端流出，从整体看，蒸汽对汽轮机转子施加了一个由高压端指向低压端的轴向力，使汽轮机转子有向低压端移动的趋势，这个力就称为转子的轴向推力。
（一）冲动式汽轮机的轴向推力
整个转子上的轴向推力主要是各级轴向推力的总合。作用在冲动级上的轴向推力是由作用在动叶上的轴向推力、作用在叶轮面上的轴向推力以及作用在轴的凸肩上的轴向推力三部分组成。
1．作用在动叶上的轴向推力
如图2.5.1所示
作用在动叶上的轴向推力
是由动叶前后的静压差和汽流在动叶中轴向分速度改变所生成的。
（2.5.1）
在冲动级中，一般轴向分速度都不大，加之动叶进口的轴向通流面积和蒸汽比容的改变都不大，因此汽流流经动叶时的轴向分速度的改变一般都很小。由汽流轴向分速度的改变和产生的轴向推力一般都可忽略不计。
引入压力反动度的概念，压力反动度
定义为
（2.5.2）
于是
（2.5.3）
则作用在动叶上的轴向推力可写成
（2.5.4）
对于速度级，应计算在两列动叶上所受静压差产生的推力之和，若是部分进汽级，则应乘以部分进汽度e。
由于h-s图上同一压差的等压线距离越向下越大，因此各级压力反动度
都小于该级比焓降反动度
，用
代替
所算得的轴向推力偏大，偏于安全，故可认为作用在动叶上的轴向推力
正比于
。
2．作用在叶轮面上的轴向推力
根据图2.5.1的符号，作用在叶轮面上的轴向推力
可写成
（2.5.5）
如果叶轮两侧的轮毂直径相同，即
则有
（2.5.5a）
定义叶轮反动度
，则又有
第二章多级汽轮机
中
大
大
大
较大 湿汽 稍低
§2.1 多级汽轮机的优越性及其特点
ABB û Â Æ Ö » ú · ÷û Æ · ×ð Ë Ê §Ö ·² ¼
100% 80% 60% 40% 20% 0%
27 45 28 ß Ñ · ¸ · ×
33
50
44 32 23 Ð Ñ Ö ¸ · × 18 Í Ñ µ ¸ · × Ò Í ¶ Ð Ë ð Ê § þ ´ ¶ Î ÷ Á ð Ë Ê § ¸ Â Ð © Ë ð § Ê
§2.1 多级汽轮机的优越性及其特点 2. 重热系数 重热系数----各级理想焓降之和大于整机理想焓降 的增量与整机理想焓降的比。重热系数
ht htmac mac 即 h （ 1 + ） h t t htmac
mac h h t t 式中 即为多级汽轮机的重热量，
排汽部分通常做成蜗壳扩散式，尽可能使排汽的余速动 能转变为压力能，补偿流动产生的损失，并内装导流环，使 乏汽均匀地布满整个排汽通道，保持排汽畅通。由于排气管 中扩压器的位置不同，所以有不同的排气管形式，如图表示 了两种不同形式的排气管。 排汽管好坏一般可用能量损失系数ξex和静压恢复系数 ηex来衡量。
§2.2 进汽阻力损失和排汽阻力损失
一、系统特征
新蒸汽经电动主汽门、自动主汽门和调节汽门进入汽轮机， 膨胀作功后由高压缸排汽回到锅炉再热器中加热，经中压主汽门 和中压调节汽门到中、低压缸中继续膨胀作功，再由低压排汽口 排向凝汽器。蒸汽在汽轮机本体之外流道中的流动必然产生损失， 将使机组的效率下降。这些损失归结为进汽损失和排汽损失两部 分。主要特征是汽流的沿程摩擦、转向和涡流损失三方面。 二、进汽阻力损失 蒸汽进入汽轮机工作级前必须先经过主汽阀、调节阀和蒸汽 室。蒸汽通过这些部件时就会产生压力降，主汽阀和调节阀最为 严重。由于通过这些部件时蒸汽的散热损失可忽略，因此蒸汽通 过汽阀的热力过程是一个节流过程，即蒸汽通过汽阀后虽有压力 降落，但比焓值不变。
汽轮机原理2010-第二章
2' t k
但第一级总是有损失存在的，因 此第一级排汽的比熵和温度将增 加，使第二级进口温度不再是 而是 p1 , t1 ，此时第二级的理想比
第二节
多级汽轮机的工作过程
p3 p 2
k -1 k
焓降变为：
ht
2
k RT1 1 k -1
第一节
概
述
增大汽轮机单机功率的途径： 流量增加，叶片高度增加，受强度受到限制，则 通流面积受到限制。 焓降增加，会使ca增加，若保持最佳速比，则u 增加。u增加受叶轮、叶片强度的限制。 增加汽轮机单机功率的途径是采用多级汽轮机。 多级汽轮机是由若干级按工作压力高低顺序排列的 组成的，每一级承担蒸汽总焓降的一部分，蒸汽依次通 过各级做功，汽轮机的输出功率是各级功率之和。 常见的多级汽轮机有两种型式：多级冲动式汽轮机 和多级反动式汽轮机。 现代大容量汽轮机都采用多级设计！
第三节 多级汽轮机的损失与效率 汽轮机的每个轴端汽封都是由几段组成的，相邻两 段之间设有环形腔室，并有管道与之相连。通常把轴封 和与之相连的管道、阀门及附属设备组成的系统称之为 轴封系统。不同型式的机组其轴封系统也不尽相同，它 主要由汽轮机的进汽参数、回热系统的连接方式和轴封 结构等因素决定。 轴封蒸汽系统的作用：1.防止蒸汽外泄，污染轴 承润滑油和环境；2.防止高温蒸汽流过轴端，使其温 度过高，引起轴承超温。3.防止空气漏入汽缸。运行 中空气会影响真空，停机后漏入空气会加速冷却汽缸 和转子，容易造成大轴弯曲。4.回收轴封及门杆漏汽， 减少工质和能量损失。
但第一级总是有损失存在的，因 此第一级排汽的比熵和温度将增 加，使第二级进口温度不再是 而是 p1 , t1 ，此时第二级的理想比
第二节
多级汽轮机的工作过程
p3 p 2
k -1 k
焓降变为：
ht
2
k RT1 1 k -1
第一节
概
述
增大汽轮机单机功率的途径： 流量增加，叶片高度增加，受强度受到限制，则 通流面积受到限制。 焓降增加，会使ca增加，若保持最佳速比，则u 增加。u增加受叶轮、叶片强度的限制。 增加汽轮机单机功率的途径是采用多级汽轮机。 多级汽轮机是由若干级按工作压力高低顺序排列的 组成的，每一级承担蒸汽总焓降的一部分，蒸汽依次通 过各级做功，汽轮机的输出功率是各级功率之和。 常见的多级汽轮机有两种型式：多级冲动式汽轮机 和多级反动式汽轮机。 现代大容量汽轮机都采用多级设计！
第三节 多级汽轮机的损失与效率 汽轮机的每个轴端汽封都是由几段组成的，相邻两 段之间设有环形腔室，并有管道与之相连。通常把轴封 和与之相连的管道、阀门及附属设备组成的系统称之为 轴封系统。不同型式的机组其轴封系统也不尽相同，它 主要由汽轮机的进汽参数、回热系统的连接方式和轴封 结构等因素决定。 轴封蒸汽系统的作用：1.防止蒸汽外泄，污染轴 承润滑油和环境；2.防止高温蒸汽流过轴端，使其温 度过高，引起轴承超温。3.防止空气漏入汽缸。运行 中空气会影响真空，停机后漏入空气会加速冷却汽缸 和转子，容易造成大轴弯曲。4.回收轴封及门杆漏汽， 减少工质和能量损失。
第二章 多级汽轮机
第二章 多级汽轮机
第一节 多级汽轮机的工作过程
一，多级汽轮机的特点和工作过程
1，多 级 汽 轮 机 的采用：
为了提高汽轮机的功率 ，就必须增加汽轮机的进汽量G 和蒸汽的理想 焓降。 从经济和安全两个方面来考虑，只有一个级的汽轮机要能有效地 利用很大的理想焓是不可能的。为了有效地利用蒸汽的理想焓降，唯一 的办法就是采用多级汽轮机。多级汽轮机的一级只利用总焓降中的一部 分。使每一级都能在最佳速度比附近工作，就能有效地利用蒸汽的理想 焓降，提高机组效率。
300MW 汽轮机采用两排汽口。
2
2，多 级 汽 轮 机 的 工 作 过 程 ：
蒸汽在多级汽轮机中
膨 胀 作 功 过 程 和 在 级 中 的 膨 胀 作 功 过 程一 样。作功过程是重复
的，但参数是变化的。
3，多级汽轮机的热力过程曲线：其热力
过程曲线如图2---2。调节级前的蒸汽状态点为
A0 ( p0 , t 0 ) ，排汽压力用pc 表示。汽轮机总理
zl p0 v0
从上式可知，当轴封前后蒸汽压力确定后，增加轴封齿数，可减少漏汽 量 。
2，蒸汽在轴封最后一齿隙中流速达到临界速度时
根据上述公式分析，当蒸汽在轴封最后一齿隙中流速达到临界速度，而在
此之前的各齿中，汽流速度均小于临界速度的情况下，其漏汽量可用上式计
算：
Gl ' = Al
第一节 多级汽轮机的工作过程
一，多级汽轮机的特点和工作过程
1，多 级 汽 轮 机 的采用：
为了提高汽轮机的功率 ，就必须增加汽轮机的进汽量G 和蒸汽的理想 焓降。 从经济和安全两个方面来考虑，只有一个级的汽轮机要能有效地 利用很大的理想焓是不可能的。为了有效地利用蒸汽的理想焓降，唯一 的办法就是采用多级汽轮机。多级汽轮机的一级只利用总焓降中的一部 分。使每一级都能在最佳速度比附近工作，就能有效地利用蒸汽的理想 焓降，提高机组效率。
300MW 汽轮机采用两排汽口。
2
2，多 级 汽 轮 机 的 工 作 过 程 ：
蒸汽在多级汽轮机中
膨 胀 作 功 过 程 和 在 级 中 的 膨 胀 作 功 过 程一 样。作功过程是重复
的，但参数是变化的。
3，多级汽轮机的热力过程曲线：其热力
过程曲线如图2---2。调节级前的蒸汽状态点为
A0 ( p0 , t 0 ) ，排汽压力用pc 表示。汽轮机总理
zl p0 v0
从上式可知，当轴封前后蒸汽压力确定后，增加轴封齿数，可减少漏汽 量 。
2，蒸汽在轴封最后一齿隙中流速达到临界速度时
根据上述公式分析，当蒸汽在轴封最后一齿隙中流速达到临界速度，而在
此之前的各齿中，汽流速度均小于临界速度的情况下，其漏汽量可用上式计
算：
Gl ' = Al
第二章多级汽轮机
汽耗与热耗
汽耗率d:每发单位电量消耗的蒸汽量 热耗q:每发单位电量消耗的热量
轴向推力
轴向推力的平衡
平衡活塞 平衡孔 对流布置 推力轴承
极限功率
在一定的初终参数和转速下,单排汽口 凝汽式汽轮机发出的最大功率
增加单机功率的途径
增加叶片长度 多排汽口 提高新汽参数 高强度,低密度的材料
�
提高机组有效焓降,机组热效率有所提高
轴封及其系统
轴封
转子轴封段
转子轴封段
低压转子轴封段
去除轴封环的轴封套
轴封套,内装汽封齿
汽缸轴封段
隔板汽封
汽封环
轴封系统
自密封结构
沁北电厂轴封系统
自密封系统 自动控制压力和温度 汽源:二段抽汽,辅汽,主蒸汽,Table 2-11 75%负荷以后,达到自密封状态
0 ——流经排汽管的压力损失,
实际上也是损失
ξ ex ——能量损失系数
ξ ex >1,ηex <0:排汽管出口静压低于进口蒸汽静压,
表明排汽缸阻力很大,恢复的静压头不足以弥补损失
ξ ex =1,ηex =0:恢复的静压头正好弥补损失 ξ ex <1,ηex >0:汽轮机末级出口压力低于凝汽器压力,
低压级的工作特点
体积流量大,流通面积大, 体积流量大,流通面积大,叶片长 为了避免叶片过长, 为了避免叶片过长,喷嘴的出口角度大 反动度大 内效率较高
多级汽轮机的工作原理解析
面图，高压缸有12级，调节级为单列冲动级，其后有11级压力级。
汽轮机的中低压缸中，中压部分有10级，低压部分有5级。 经再热后的蒸汽在中低压缸的中压部分做功后，有1/3的 蒸汽在中低压缸的低压部分继续膨胀做功，另外2/3的蒸 汽通过导汽管进入低压缸。
低压缸内对称布置各5级共10级。 整个汽轮机共有27个热力级，37个结构级。 2、多级反动式汽轮机：
1、机械损失： 克服支持轴承和推力轴承的摩擦阻力，以及带动主油泵、调速器等消耗一部分有用功而 造成的损失。
2、外部漏汽损失： 汽轮机主轴在穿出汽缸两端时，留有一定间隙，由于存在压差，在高压端总有部分蒸汽 向外漏出，在低压端总有空气向里漏入，由此造成的能量损失。 解决方法：轴封系统。
3、进汽机构的节流损失： 蒸汽流经自动主汽阀和调节汽阀后，由于阀门的节流作用，造成汽轮机理想焓降下降， 形成的能量损失。
进汽机构的压力降：p 0.03 ~ 0.05p0
影响因此： 其大小与汽流速度、阀门型式、门芯型线及汽室形状等因此有关。
减少损失的方法： 为减少进汽机构节流损失，一般需限制通过自动主汽阀和调节汽阀的流速， 流速不超过40~60m/s，并选用流动性能好的阀门结构。
4、排汽管损失： 汽轮机排汽经连接排汽缸和凝汽器的排汽管时，由于摩擦、涡流等形成的阻 力而产生理想焓降下降，形成能量损失。
进汽端和排汽端得进汽机构节
汽轮机的中低压缸中，中压部分有10级，低压部分有5级。 经再热后的蒸汽在中低压缸的中压部分做功后，有1/3的 蒸汽在中低压缸的低压部分继续膨胀做功，另外2/3的蒸 汽通过导汽管进入低压缸。
低压缸内对称布置各5级共10级。 整个汽轮机共有27个热力级，37个结构级。 2、多级反动式汽轮机：
1、机械损失： 克服支持轴承和推力轴承的摩擦阻力，以及带动主油泵、调速器等消耗一部分有用功而 造成的损失。
2、外部漏汽损失： 汽轮机主轴在穿出汽缸两端时，留有一定间隙，由于存在压差，在高压端总有部分蒸汽 向外漏出，在低压端总有空气向里漏入，由此造成的能量损失。 解决方法：轴封系统。
3、进汽机构的节流损失： 蒸汽流经自动主汽阀和调节汽阀后，由于阀门的节流作用，造成汽轮机理想焓降下降， 形成的能量损失。
进汽机构的压力降：p 0.03 ~ 0.05p0
影响因此： 其大小与汽流速度、阀门型式、门芯型线及汽室形状等因此有关。
减少损失的方法： 为减少进汽机构节流损失，一般需限制通过自动主汽阀和调节汽阀的流速， 流速不超过40~60m/s，并选用流动性能好的阀门结构。
4、排汽管损失： 汽轮机排汽经连接排汽缸和凝汽器的排汽管时，由于摩擦、涡流等形成的阻 力而产生理想焓降下降，形成能量损失。
进汽端和排汽端得进汽机构节
汽轮机原理 多级汽轮机
第二章 多级汽轮机
1、多级汽轮机的特点 2、进汽排汽损失和热力过程线 3、轴向推力及其平衡 4、轴封及其系统
1
提高单级汽轮机功率： （1）增大进汽量 （2）增大有效比焓降 但遇到以下难题： （1）如果比焓降很大，喷嘴出口汽流的马赫
数很大，流动损失很大 （2）如果压力比很小，蒸汽比容变化大，则
缸 2）防止空气漏入低压缸
轴封的类型： 1）梳齿式（曲径式） 2）蜂窝式 3）刷式
27
蜂窝式密封
优点： 在最小的材料质量下能保证密封具有最大的强
度 允许在高压降下应用且不增加密封的尺寸 装配简单，比梳齿密封具有更好的转子动力学
特性 使用可磨损材料，比梳齿密封减少泄漏量 应用： 离心式高压压缩机（航天飞机高压液氧涡轮泵） 汽轮机低压缸末级叶片的顶部密封（吸附水滴）
43
动叶所受推力：
F1 Gc1 sin1 c2 sin2 dmlb p1 p2
F1 dmlb p1 p2 dmlb p p0 p2
F1 dmlbm p0 p2
19
叶轮所受推力
F2 A2 pd p2 A2d p0 p2
28
29
刷式密封
刷式密封是现代先进透平机械发展的关键技术之一， 已应用于航空发动机、工业燃气轮机和汽轮机等叶轮 机械。如Siemens Westinghouse的501E燃气轮机、 空中客车A320、欧洲幻影2000、美国F15、F16、 F22等飞机的发动机。
1、多级汽轮机的特点 2、进汽排汽损失和热力过程线 3、轴向推力及其平衡 4、轴封及其系统
1
提高单级汽轮机功率： （1）增大进汽量 （2）增大有效比焓降 但遇到以下难题： （1）如果比焓降很大，喷嘴出口汽流的马赫
数很大，流动损失很大 （2）如果压力比很小，蒸汽比容变化大，则
缸 2）防止空气漏入低压缸
轴封的类型： 1）梳齿式（曲径式） 2）蜂窝式 3）刷式
27
蜂窝式密封
优点： 在最小的材料质量下能保证密封具有最大的强
度 允许在高压降下应用且不增加密封的尺寸 装配简单，比梳齿密封具有更好的转子动力学
特性 使用可磨损材料，比梳齿密封减少泄漏量 应用： 离心式高压压缩机（航天飞机高压液氧涡轮泵） 汽轮机低压缸末级叶片的顶部密封（吸附水滴）
43
动叶所受推力：
F1 Gc1 sin1 c2 sin2 dmlb p1 p2
F1 dmlb p1 p2 dmlb p p0 p2
F1 dmlbm p0 p2
19
叶轮所受推力
F2 A2 pd p2 A2d p0 p2
28
29
刷式密封
刷式密封是现代先进透平机械发展的关键技术之一， 已应用于航空发动机、工业燃气轮机和汽轮机等叶轮 机械。如Siemens Westinghouse的501E燃气轮机、 空中客车A320、欧洲幻影2000、美国F15、F16、 F22等飞机的发动机。
《汽轮机原理》课程教学大纲(本科)
汽轮机原理
Principle of Steamer
课程代码：02312130
学分：2
学时： 32 （其中：课堂教学学时：30 实验学时：0 上机学时： 0 课程实践学时: 0 ）先修课程：工程热力学、传热学、流体力学
适用专业：能源与动力工程
教材：《汽轮机原理》，重庆大学沈士一、西安交通大学庄贺庆、东南大学康松、华北电力学院庞力云合编，中国电力出版社, 2012。
一、课程性质与课程目标
（一）课程性质（需说明课程对人才培养方面的贡献）
《汽轮机原理》是热能与动力工程专业的一门主要的专业课，通过该门课程的学习，使学生系统地掌握蒸汽在汽轮机内的流动过程和能量转换原理、汽轮机变工况特性、凝汽设备、汽轮机零件强度及汽轮机调节保护系统。
（二）课程目标（根据课程特点和对毕业要求的贡献，确定课程目标。应包括知识目标和能力目标。）
课程目标1：掌握汽轮机的热力工作原理；
课程目标2：掌握汽轮机的零件强度；
课程目标3：掌握汽轮机的调节；
课程目标4：培养学生具备汽轮机的初步设计及运行能力；
课程目标5：培养学生具备初步的相关实验设计与分析测试能力；
二、课程内容与教学要求（按章撰写）
绪论
（一）课程内容
1、本课程的性质、研究对象与方法、目的、任务；
2、介绍了汽轮机发展历史和目前国内外汽轮机工业概况
（二）教学要求
1、了解汽轮机的发展历史与分类方法。
2、理解汽轮机的发展历史和现状
（三）重点与难点
1、理解汽轮机的用途与分类
第一章汽轮机级的工作原理
（一）课程内容
1、级的概念，级的反动度，蒸汽在喷嘴和动叶中的流动和基本方程式，动叶进出口速度三角形，级的热力过程线，汽流的临界状态与临界压比，喷嘴截面积的变化规律，通过喷嘴和动叶的流量，蒸汽在喷嘴斜切部分的流动；
汽轮机 第二章
作用在一个级上的轴向推力为三部分之和:
FZ F F F
Z
Z
Ⅲ Z
二、反动式汽轮机的轴向推力
在反动式汽轮机中，作用在通流部分转子上的轴向推力由下列三部分组成：
①作用在叶片上的轴向推力；
②作用在轮鼓锥形面上的轴向推力； ③作用在转子阶梯上的轴向推力。
三、轴向推力的平衡
1.平衡活塞法
pz p0
pz p0
pz p0
0.82 z 1.25
0.82 z 1.25
0.82 z 1.25
：达到临界速度
：未达到临界速度
2. 轴封孔口流量系数
由图可以看出，轴封齿在进汽侧不应做成圆
弧状或斜面状，应保持轴封齿的尖锐边缘， 此时流量系数较小，1 0.7 ~ 0.8 但是尖锐边缘在汽机运行中会因摩擦
2.机械效率：
m
Pe Pi Pm P 1 m Pi Pi Pi
3.发电机效率
Pe1 3.6 Pe1 Pe1 g Pe D0 H tim G0 H tim
或
g 1
Pg Pe
4.汽轮发电机组的相对电效率
e1 im g
e1
Pe1 G0 H t
一、冲动式汽轮机的轴向推力
作用在动叶上的轴向推力、作用在叶轮面上的轴向推力以 及作用在轴的凸肩处的轴向推力三部分组成
多级汽轮机的工作原理解析
第二章 多级汽轮机的工作原理
一、为何采用多级汽轮机：
1、对汽轮机的要求：
1）提高汽轮机效率：减小汽轮机的各种损失；提高蒸汽初参数和降低 背压；
2）提高汽轮机功率：增大进入汽轮机的蒸汽量；增大汽轮机的焓降。
从以上两个方面出发，都要求提高蒸汽在汽轮机中的焓降。
2、单级汽轮机功率增大后带来的问题： 焓降增大后，喷嘴出口汽流速度增大。从 xa
1、机械损失： 克服支持轴承和推力轴承的摩擦阻力，以及带动主油泵、调速器等消耗一部分有用功而 造成的损失。
2、外部漏汽损失： 汽轮机主轴在穿出汽缸两端时，留有一定间隙，由于存在压差，在高压端总有部分蒸汽 向外漏出，在低压端总有空气向里漏入，由此造成的能量损失。 解决方法：轴封系统。
3、进汽机构的节流损失： 蒸汽流经自动主汽阀和调节汽阀后，由于阀门的节流作用，造成汽轮机理想焓降下降， 形成的能量损失。
进汽机构的压力降：p 0.03 ~ 0.05p0
影响因此： 其大小与汽流速度、阀门型式、门芯型线及汽室形状等因此有关。
减少损失的方法： 为减少进汽机构节流损失，一般需限制通过自动主汽阀和调节汽阀的流速， 流速不超过40~60m/s，并选用流动性能好的阀门结构。
4、排汽管损失： 汽轮机排汽经连接排汽缸和凝汽器的排汽管时，由于摩擦、涡流等形成的阻 力而产生理想焓降下降，形成能量损失。
⑤低压级蒸汽比容大，叶轮摩擦损失很小；
一、为何采用多级汽轮机：
1、对汽轮机的要求：
1）提高汽轮机效率：减小汽轮机的各种损失；提高蒸汽初参数和降低 背压；
2）提高汽轮机功率：增大进入汽轮机的蒸汽量；增大汽轮机的焓降。
从以上两个方面出发，都要求提高蒸汽在汽轮机中的焓降。
2、单级汽轮机功率增大后带来的问题： 焓降增大后，喷嘴出口汽流速度增大。从 xa
1、机械损失： 克服支持轴承和推力轴承的摩擦阻力，以及带动主油泵、调速器等消耗一部分有用功而 造成的损失。
2、外部漏汽损失： 汽轮机主轴在穿出汽缸两端时，留有一定间隙，由于存在压差，在高压端总有部分蒸汽 向外漏出，在低压端总有空气向里漏入，由此造成的能量损失。 解决方法：轴封系统。
3、进汽机构的节流损失： 蒸汽流经自动主汽阀和调节汽阀后，由于阀门的节流作用，造成汽轮机理想焓降下降， 形成的能量损失。
进汽机构的压力降：p 0.03 ~ 0.05p0
影响因此： 其大小与汽流速度、阀门型式、门芯型线及汽室形状等因此有关。
减少损失的方法： 为减少进汽机构节流损失，一般需限制通过自动主汽阀和调节汽阀的流速， 流速不超过40~60m/s，并选用流动性能好的阀门结构。
4、排汽管损失： 汽轮机排汽经连接排汽缸和凝汽器的排汽管时，由于摩擦、涡流等形成的阻 力而产生理想焓降下降，形成能量损失。
⑤低压级蒸汽比容大，叶轮摩擦损失很小；
汽轮机原理(第二章)ppt课件
损失中的一部分，而这一部分远不能补偿损失
的增大，所以应说， 越大，汽轮机的内效
率就越低。
整理版课件
12
五、进汽阻力损失和排汽阻力损失
p 0 －主汽阀前蒸汽压力；
p 0 －调节汽阀后蒸汽压力； p s －高压缸排汽压力； p s －低压缸进汽压力； p c －低压缸末级动叶后压力；
p c －凝汽器压力。
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9
2 . 重热系数
4
htj ht1 ht2 ht3 ht4 H t
j1Leabharlann Baidu
4
htj ht1ht2ht3ht4
j1
4
4
显然 h t j >
htj Ht
j1
j1
4
htj H t
定义 j1
H t
为重热系数 （1）
影响重热系数的因素? 整理版课件
10
整台汽轮机的相对内效率
i
px —对应计算面上的。 静压力
F z 3 一般很小 任一级总轴向推力 Fz=Fz1+Fz2+Fz3
整台汽轮机轴向推力 F z=F z 1 +F z 2 +F z 3
整理版课件
31
三、反动式汽轮机的轴向推力
1 .反动式汽轮机转子为鼓式转子，无叶轮， 叶片直接装在转鼓上。（为什么？）
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p0 p0 p0
2、排汽管中的压力损失 （1）产生原因：汽轮机的排汽从末级动叶排出后，由排汽管 道引至凝汽器。蒸汽在排汽管道中流动时，存在摩擦、撞击和 涡流等项损失，使压力降低，即汽轮机末级动叶后压力pc′高于 ' 凝汽器的压力pc ，存在着压降 pc pc pc H c H t H t ， 这部分压降用于克服排汽管道的流动阻力，而未参与作功，故 称为排汽管的压力损失。 （2）影响因素：排汽管中蒸汽的速度和排汽管的结构；
第二章 多级汽轮机
哈尔滨工程大学核科学与技术学院
第一节 多级汽轮机的工作特点
速度分级与压力分级
多级汽轮机的概念
按工作压力高低顺序排列的若干级组成； 能够增大汽轮机功率，又能保证高效率； 常见的有多级冲动式汽轮机和多级反动式汽轮机。
东方300MW汽轮机
哈尔滨亚临界600MW汽轮机
0.02~0.027MPa
（二）多级汽轮机的内部损失 1．汽轮机进汽机构的节流损失 （1）产生原因：新蒸汽在进入汽轮机的第一级喷嘴之前，首 先要经过主汽阀、调节汽阀、管道和蒸汽室，蒸汽流经这些 部件时由于摩擦、涡流等要造成压力降低，即节流过程。在 背压不变的条件下使整机的理想焓降减小。这种由于节流作 用引起的损失称为节流损失。 （2）影响因素：管道长短、汽流速度，阀门型线及汽室形状。 第一级喷嘴前
ri
内功率Pi H i 理想功率Pt H t
2、汽轮机的相对有效效率 机械效率：将全部机械损失看成集中在轴承上，则对于轴承 来说，其输入能量为汽轮机的内功率，输出能量称为有效功率 pe，则机械损失为Δpm＝pi－pe，故
机械效率m
有效功率pe 内功率pi
相对有效效率：把汽轮机和轴承看成一个整体，此时输入为 蒸汽的理想功率，输出为有效功率，故
（一）多级汽轮机的外部损失 1、机械损失 汽轮机运行时，要克服支持轴承和推力轴承的摩擦阻力，及 带动主油泵、调速器等，要消耗一部分有用功而造成的损失。 2、外部漏汽损失 主轴穿出汽缸两端时留有间隙，汽缸内外存在压差，造成蒸 汽漏出或空气漏入，形成损失。
解决方法：设臵轴封装臵（正压轴封、负压轴封）
级的焓降较小，可以采用渐缩喷嘴，避免了采用难以加工、 效率较低的缩放喷嘴。
级的焓降较小，根据最佳速比的要求，可相应减小级的平均 直径，从而可适当增加叶栅高度，减小叶栅的端部损失。
多级汽轮机具有重热现象。
3、多级汽轮机单位功率的投资大大减小 （二）多级汽轮机存在的问题
增加了一些附加的能量损失，如隔板漏汽损失、湿汽损失。
汽轮机各汽缸端部的轴封及其与之相连接的管道和附属设备， 称为汽轮机的轴封系统。
弹簧片 汽封圈 定位面
3 轴封套筒
常用结构：齿形汽封，能够尽量地减小漏汽间隙，并能有 效地降低漏汽速度。
300MW汽轮机轴封系统
在机组正常运行时，靠高中压缸两端轴封漏汽作为低压 端轴封供汽，不需另供轴封用汽，这种系统称为自密封轴封 系统。
（3）减小措施：将排汽管设计成扩压效率较高的扩压管，同 时在扩压段内部和其后设臵一些导流环或导流板，使乏汽均匀 地布满整个排汽通道，使排汽通畅，减少排汽动能的消耗。
3、联通管的压力损失 蒸汽由高压缸出来经过容汽管道把蒸汽引入低压缸工作， 由于蒸汽与管壁发生的摩擦损失造成压力降。若蒸汽经过再 热器或汽水分离再热器都带来附加的损失。此时损失压力差 就比较大。一般摩擦损失引起的压力降是蒸汽管前面压力ps的 2%-3%。
ri
H i rim (1 ) H t
由于重热现象，使整机效率提高。 不能说，重热系数越大，多级汽轮机的内效率就越高。
四、多级汽轮机各级段的工作特点
1．高压段 工作蒸汽的压力、温度很高，比体积较小，蒸汽容积流量较 小，所需的通流面积也较小； 在冲动式汽轮机的高压段，级的反动度一般不大； 各级焓降不大，焓降的变化也不大； 2．低压段 叶片高度很大； 级的反动度在低压段明显增大； 叶轮直径增加，圆周速度增加较快，使各级的焓降增加较快 3．中压段 反动度介于高压和低压之间。
第二节 汽轮机的损失及其装置的效率 和经济指标
一、多级汽轮机的损失
直接影响蒸汽状 态的损失
分 类
不直接影响蒸汽 状态的损失
进汽机构的节流损失 级内各项损失 内部损失中间再热管道损失 排汽管的阻力损失 机组的散热损失 机械损失 外部损失 外部漏汽损失
采用低转速，增大末级叶片长度；
增加单机功率的最有效措施是增加汽轮机的排汽口，即进行 分流。
第三节 多级汽轮机的轴向推力
蒸汽在轴流式多级汽轮机的通流部分膨 胀作功时，使转子由高压端向低压端移动的 轴向力，这个力称为轴向推力。
一、多级汽轮机的轴向推力
1、作用在动叶片上的轴向推力
Fz1 G(c1 sin 1 c2 sin 2 ) dblb ( p1 p2 ) dblb m ( p0 p2 )
一、多级汽轮机的特点
（一）多级汽轮机的优越性 1、多级汽轮机的循环热效率大大提高 多级汽轮机可以采用较高的进汽参数和较低的排汽参数， 还可以采用回热循环和再热循环。 2、多级汽轮机的相对内效率明显提高 每一级承担的焓降不必很大，可以保证各级都在最佳速比附 近工作。
在一定条件下，余速动能可以全部或部分地被下一级利用。
（二）提高单机功率的途径 提高新蒸汽参数，并配合采用中间再热循环可以有效地提高 单机组功率。
提高冷凝器的压力，使排汽的比容减小，在相同的末级通流 面积时流过的蒸汽量增大，也就提高了机组发出的功率，显然 这是用降低循环效率的方法达到的。
采用高强度、低密度材料，可使末级叶高大大增加，从而提 高极限功率；
d D 3600 pel H tel
百度文库
（二）热耗率q 汽轮发电机组每发1度电所消耗的热量，单位 kJ/(kw h)
q d (h0 h fw ) 3600 h0 h fw ) ( H tel 3600
ael
hfw — 给水焓
对于中间再热机组，
Dr q d (h0 h fw ) (hr hr ) D0
D0 — 汽轮机总进汽量，kg/h；
Dr — 再热蒸汽量，kg/h；
hr，hr '— 再热蒸汽段焓和冷段焓，kJ/kg。
四、汽轮机的极限功率和提高单机功率的途径
（一）汽轮机的极限功率 在一定的蒸汽初、终参数和转速下，单排汽口凝汽式汽轮 机所能获得的最大功率称为极限功率。 凝汽式汽轮机组的发电极限功率：
多级汽轮机通流部分结构特点：逐渐扩张
多级汽轮机热力过程线
0'— 第一级喷嘴前蒸汽状态点 1 — 第一级喷嘴后状态点 2 — 第一级排汽状态点
图中：pe — 汽轮机背压
Ht — 汽轮机的理想焓降 Hi — 汽轮机的有效焓降
Hi hi
H i H t
汽轮机相对内效率 ri
h0 — 汽轮机新蒸汽的初焓； hc' — 凝结水的焓。
绝对电效率：加给每千克蒸汽的热量最终转变成电能的份额。
ael trim g
三、汽轮发电机组的经济指标 （一）汽耗率d
汽耗率d ：汽轮发电机组每发1度电所消耗的蒸汽量 ，单位为
kg/(kW h)
汽耗量D：每小时消耗的蒸汽量，单位为kg/h
* hi ht h hc 2 1 0, ri E0 ht*
ri ri
2．余速利用对整机效率的影响 余速利用后，整机热力过程线左 移，整个过程的熵增减小，汽轮机的 效率提高。
3．实现余速利用的条件
相邻两级的部分进汽度相同。
调节级余速基本不可利用。 相邻两级的通流部分过渡平滑。 相邻两级之间的轴向间隙要小，流量变化不大。 前一级的排汽角α2应与后一级喷嘴的进汽角α0g一致。
多级汽轮机的中间级基本上都能充分的利用前一级的余 速动能。
三、多级汽轮机的重热现象
ht1 ht2 ht3 ht4 ht5 ht1 ht2 ht3 ht4 ht5
h H
t
t
各级理想焓降之和
整机理想焓降
由于多级汽轮机前面级的损失能够 在后面级中作为理想焓降而加以利用， 这种现象称为多级汽轮机的重热现象。
相对有效效率re 有效功率pe pe pi mri 理想功率pt pi pt
3．汽轮发电机组的相对电效率
发电机效率：单独讨论发电机，其输入为有效功率pe，输出 为电功率pel，则
发电机效率 g
电功率pel 有效功率pe
相对电效率：将汽轮机、轴承、发电机看作一个整体，则 整个机组的输入为理想功率pt，输出为电功率pel，而整个机 组的效率称为相对电效率：
重热系数：由于重热现象而增加的理想焓降占汽轮机理想焓降 的比例，一般α为0.04～0.08。
h H
t
t
Ht
ht 1 Ht
H i ri H t hi rim ht
ηrim — 各级的平均内效率
H i rim (1 )H t
j 1 n
m g
D H 3600
j 1 i
n
ij
Gi ( D j ) ：表示第j段的流量； Hij ：表示第j段的有效焓降。
（二）绝对效率
当考虑发电厂整个热力循环时，若以Q0作为输入能量，以汽 轮发电机组不同的功率作为输出能量所得到的一组效率称为绝 对效率。
当以汽轮机的理想焓降为输出能量时，所得到的效率称为循 环热效率ηt。 H t H t t Qo h0 hc
相对电效率rel 电功率pel p p p el e i gmri gre 理想功率pt pe pi pt
4、汽轮发电机组的电功率 （1）无回热抽汽
pel GH trim g
DH t ri m g 3600
或
pel
（2）有回热抽汽
pel m g Gi H ij
ps 2% 3% ps
pr — 再热压力
二、汽轮机及其装臵的效率
一个机械或装臵的输入能量与输出能量之比称为此机械或 装臵的效率。 （一）相对效率 当分折汽轮发电机组的经济性时，将汽轮发电机组作为研 究对象，则输入汽轮发电机组中的能量为汽轮机的理想焓降 ΔHt，以此而得到的一组效率称为相对效率。 1、汽轮机的相对内效率 衡量汽轮机内能量转换过程完善程度的指标；一般汽轮机 组的相对内效率约为0.78-0.89，大功率电站会更高些。
pel ,max Gc,max Htrimg
Gc,max — 通过汽轮机末级的最大流量。
Gc ,max 1 1 dblb w2 sin 2 dblbc2 sin 2 v2 v2
Gcmax
3600u 2c2 sin 2 n2v2
v2 — 末级出口比容，可以通过降低真空减小。 θ— 径高比，θ=db/lb，受叶片强度的限制。 c2、v2的变化范围是受限的，影响Gc,max的主要因素是末 级排汽面积πdblb，但db、lb的增大将使动叶离心力增大，受 到叶片材料强度的限制。
p1 p2 压力反动度 p m p0 p2
２、作用在叶轮轮面上的轴向推力
Fz 2
( db lb ) 2 d12 pd 4
2 (d b lb ) 2 d 2 p2 4
若轮毂直径相等，d1＝d2＝d
Fz 2
由于级数多，相应地增加了机组的长度和质量。
由于新蒸汽和再热蒸汽温度的提高，故对零部件的金属材料 要求高了。
级数增加，零部件增多，使多级汽轮机的结构更为复杂。
二、多级汽轮机的余速利用
1．余速利用对级效率的影响
* hi ht h hc 2 1 0, ri E0 ht* 1hc 2
2、排汽管中的压力损失 （1）产生原因：汽轮机的排汽从末级动叶排出后，由排汽管 道引至凝汽器。蒸汽在排汽管道中流动时，存在摩擦、撞击和 涡流等项损失，使压力降低，即汽轮机末级动叶后压力pc′高于 ' 凝汽器的压力pc ，存在着压降 pc pc pc H c H t H t ， 这部分压降用于克服排汽管道的流动阻力，而未参与作功，故 称为排汽管的压力损失。 （2）影响因素：排汽管中蒸汽的速度和排汽管的结构；
第二章 多级汽轮机
哈尔滨工程大学核科学与技术学院
第一节 多级汽轮机的工作特点
速度分级与压力分级
多级汽轮机的概念
按工作压力高低顺序排列的若干级组成； 能够增大汽轮机功率，又能保证高效率； 常见的有多级冲动式汽轮机和多级反动式汽轮机。
东方300MW汽轮机
哈尔滨亚临界600MW汽轮机
0.02~0.027MPa
（二）多级汽轮机的内部损失 1．汽轮机进汽机构的节流损失 （1）产生原因：新蒸汽在进入汽轮机的第一级喷嘴之前，首 先要经过主汽阀、调节汽阀、管道和蒸汽室，蒸汽流经这些 部件时由于摩擦、涡流等要造成压力降低，即节流过程。在 背压不变的条件下使整机的理想焓降减小。这种由于节流作 用引起的损失称为节流损失。 （2）影响因素：管道长短、汽流速度，阀门型线及汽室形状。 第一级喷嘴前
ri
内功率Pi H i 理想功率Pt H t
2、汽轮机的相对有效效率 机械效率：将全部机械损失看成集中在轴承上，则对于轴承 来说，其输入能量为汽轮机的内功率，输出能量称为有效功率 pe，则机械损失为Δpm＝pi－pe，故
机械效率m
有效功率pe 内功率pi
相对有效效率：把汽轮机和轴承看成一个整体，此时输入为 蒸汽的理想功率，输出为有效功率，故
（一）多级汽轮机的外部损失 1、机械损失 汽轮机运行时，要克服支持轴承和推力轴承的摩擦阻力，及 带动主油泵、调速器等，要消耗一部分有用功而造成的损失。 2、外部漏汽损失 主轴穿出汽缸两端时留有间隙，汽缸内外存在压差，造成蒸 汽漏出或空气漏入，形成损失。
解决方法：设臵轴封装臵（正压轴封、负压轴封）
级的焓降较小，可以采用渐缩喷嘴，避免了采用难以加工、 效率较低的缩放喷嘴。
级的焓降较小，根据最佳速比的要求，可相应减小级的平均 直径，从而可适当增加叶栅高度，减小叶栅的端部损失。
多级汽轮机具有重热现象。
3、多级汽轮机单位功率的投资大大减小 （二）多级汽轮机存在的问题
增加了一些附加的能量损失，如隔板漏汽损失、湿汽损失。
汽轮机各汽缸端部的轴封及其与之相连接的管道和附属设备， 称为汽轮机的轴封系统。
弹簧片 汽封圈 定位面
3 轴封套筒
常用结构：齿形汽封，能够尽量地减小漏汽间隙，并能有 效地降低漏汽速度。
300MW汽轮机轴封系统
在机组正常运行时，靠高中压缸两端轴封漏汽作为低压 端轴封供汽，不需另供轴封用汽，这种系统称为自密封轴封 系统。
（3）减小措施：将排汽管设计成扩压效率较高的扩压管，同 时在扩压段内部和其后设臵一些导流环或导流板，使乏汽均匀 地布满整个排汽通道，使排汽通畅，减少排汽动能的消耗。
3、联通管的压力损失 蒸汽由高压缸出来经过容汽管道把蒸汽引入低压缸工作， 由于蒸汽与管壁发生的摩擦损失造成压力降。若蒸汽经过再 热器或汽水分离再热器都带来附加的损失。此时损失压力差 就比较大。一般摩擦损失引起的压力降是蒸汽管前面压力ps的 2%-3%。
ri
H i rim (1 ) H t
由于重热现象，使整机效率提高。 不能说，重热系数越大，多级汽轮机的内效率就越高。
四、多级汽轮机各级段的工作特点
1．高压段 工作蒸汽的压力、温度很高，比体积较小，蒸汽容积流量较 小，所需的通流面积也较小； 在冲动式汽轮机的高压段，级的反动度一般不大； 各级焓降不大，焓降的变化也不大； 2．低压段 叶片高度很大； 级的反动度在低压段明显增大； 叶轮直径增加，圆周速度增加较快，使各级的焓降增加较快 3．中压段 反动度介于高压和低压之间。
第二节 汽轮机的损失及其装置的效率 和经济指标
一、多级汽轮机的损失
直接影响蒸汽状 态的损失
分 类
不直接影响蒸汽 状态的损失
进汽机构的节流损失 级内各项损失 内部损失中间再热管道损失 排汽管的阻力损失 机组的散热损失 机械损失 外部损失 外部漏汽损失
采用低转速，增大末级叶片长度；
增加单机功率的最有效措施是增加汽轮机的排汽口，即进行 分流。
第三节 多级汽轮机的轴向推力
蒸汽在轴流式多级汽轮机的通流部分膨 胀作功时，使转子由高压端向低压端移动的 轴向力，这个力称为轴向推力。
一、多级汽轮机的轴向推力
1、作用在动叶片上的轴向推力
Fz1 G(c1 sin 1 c2 sin 2 ) dblb ( p1 p2 ) dblb m ( p0 p2 )
一、多级汽轮机的特点
（一）多级汽轮机的优越性 1、多级汽轮机的循环热效率大大提高 多级汽轮机可以采用较高的进汽参数和较低的排汽参数， 还可以采用回热循环和再热循环。 2、多级汽轮机的相对内效率明显提高 每一级承担的焓降不必很大，可以保证各级都在最佳速比附 近工作。
在一定条件下，余速动能可以全部或部分地被下一级利用。
（二）提高单机功率的途径 提高新蒸汽参数，并配合采用中间再热循环可以有效地提高 单机组功率。
提高冷凝器的压力，使排汽的比容减小，在相同的末级通流 面积时流过的蒸汽量增大，也就提高了机组发出的功率，显然 这是用降低循环效率的方法达到的。
采用高强度、低密度材料，可使末级叶高大大增加，从而提 高极限功率；
d D 3600 pel H tel
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（二）热耗率q 汽轮发电机组每发1度电所消耗的热量，单位 kJ/(kw h)
q d (h0 h fw ) 3600 h0 h fw ) ( H tel 3600
ael
hfw — 给水焓
对于中间再热机组，
Dr q d (h0 h fw ) (hr hr ) D0
D0 — 汽轮机总进汽量，kg/h；
Dr — 再热蒸汽量，kg/h；
hr，hr '— 再热蒸汽段焓和冷段焓，kJ/kg。
四、汽轮机的极限功率和提高单机功率的途径
（一）汽轮机的极限功率 在一定的蒸汽初、终参数和转速下，单排汽口凝汽式汽轮 机所能获得的最大功率称为极限功率。 凝汽式汽轮机组的发电极限功率：
多级汽轮机通流部分结构特点：逐渐扩张
多级汽轮机热力过程线
0'— 第一级喷嘴前蒸汽状态点 1 — 第一级喷嘴后状态点 2 — 第一级排汽状态点
图中：pe — 汽轮机背压
Ht — 汽轮机的理想焓降 Hi — 汽轮机的有效焓降
Hi hi
H i H t
汽轮机相对内效率 ri
h0 — 汽轮机新蒸汽的初焓； hc' — 凝结水的焓。
绝对电效率：加给每千克蒸汽的热量最终转变成电能的份额。
ael trim g
三、汽轮发电机组的经济指标 （一）汽耗率d
汽耗率d ：汽轮发电机组每发1度电所消耗的蒸汽量 ，单位为
kg/(kW h)
汽耗量D：每小时消耗的蒸汽量，单位为kg/h
* hi ht h hc 2 1 0, ri E0 ht*
ri ri
2．余速利用对整机效率的影响 余速利用后，整机热力过程线左 移，整个过程的熵增减小，汽轮机的 效率提高。
3．实现余速利用的条件
相邻两级的部分进汽度相同。
调节级余速基本不可利用。 相邻两级的通流部分过渡平滑。 相邻两级之间的轴向间隙要小，流量变化不大。 前一级的排汽角α2应与后一级喷嘴的进汽角α0g一致。
多级汽轮机的中间级基本上都能充分的利用前一级的余 速动能。
三、多级汽轮机的重热现象
ht1 ht2 ht3 ht4 ht5 ht1 ht2 ht3 ht4 ht5
h H
t
t
各级理想焓降之和
整机理想焓降
由于多级汽轮机前面级的损失能够 在后面级中作为理想焓降而加以利用， 这种现象称为多级汽轮机的重热现象。
相对有效效率re 有效功率pe pe pi mri 理想功率pt pi pt
3．汽轮发电机组的相对电效率
发电机效率：单独讨论发电机，其输入为有效功率pe，输出 为电功率pel，则
发电机效率 g
电功率pel 有效功率pe
相对电效率：将汽轮机、轴承、发电机看作一个整体，则 整个机组的输入为理想功率pt，输出为电功率pel，而整个机 组的效率称为相对电效率：
重热系数：由于重热现象而增加的理想焓降占汽轮机理想焓降 的比例，一般α为0.04～0.08。
h H
t
t
Ht
ht 1 Ht
H i ri H t hi rim ht
ηrim — 各级的平均内效率
H i rim (1 )H t
j 1 n
m g
D H 3600
j 1 i
n
ij
Gi ( D j ) ：表示第j段的流量； Hij ：表示第j段的有效焓降。
（二）绝对效率
当考虑发电厂整个热力循环时，若以Q0作为输入能量，以汽 轮发电机组不同的功率作为输出能量所得到的一组效率称为绝 对效率。
当以汽轮机的理想焓降为输出能量时，所得到的效率称为循 环热效率ηt。 H t H t t Qo h0 hc
相对电效率rel 电功率pel p p p el e i gmri gre 理想功率pt pe pi pt
4、汽轮发电机组的电功率 （1）无回热抽汽
pel GH trim g
DH t ri m g 3600
或
pel
（2）有回热抽汽
pel m g Gi H ij
ps 2% 3% ps
pr — 再热压力
二、汽轮机及其装臵的效率
一个机械或装臵的输入能量与输出能量之比称为此机械或 装臵的效率。 （一）相对效率 当分折汽轮发电机组的经济性时，将汽轮发电机组作为研 究对象，则输入汽轮发电机组中的能量为汽轮机的理想焓降 ΔHt，以此而得到的一组效率称为相对效率。 1、汽轮机的相对内效率 衡量汽轮机内能量转换过程完善程度的指标；一般汽轮机 组的相对内效率约为0.78-0.89，大功率电站会更高些。
pel ,max Gc,max Htrimg
Gc,max — 通过汽轮机末级的最大流量。
Gc ,max 1 1 dblb w2 sin 2 dblbc2 sin 2 v2 v2
Gcmax
3600u 2c2 sin 2 n2v2
v2 — 末级出口比容，可以通过降低真空减小。 θ— 径高比，θ=db/lb，受叶片强度的限制。 c2、v2的变化范围是受限的，影响Gc,max的主要因素是末 级排汽面积πdblb，但db、lb的增大将使动叶离心力增大，受 到叶片材料强度的限制。
p1 p2 压力反动度 p m p0 p2
２、作用在叶轮轮面上的轴向推力
Fz 2
( db lb ) 2 d12 pd 4
2 (d b lb ) 2 d 2 p2 4
若轮毂直径相等，d1＝d2＝d
Fz 2
由于级数多，相应地增加了机组的长度和质量。
由于新蒸汽和再热蒸汽温度的提高，故对零部件的金属材料 要求高了。
级数增加，零部件增多，使多级汽轮机的结构更为复杂。
二、多级汽轮机的余速利用
1．余速利用对级效率的影响
* hi ht h hc 2 1 0, ri E0 ht* 1hc 2