汽轮机原理 第一章
汽轮机基础原理及理论
第一章概述第一节汽轮机的用途汽轮机是以水蒸气为工质，将蒸汽热能转换成转子旋转的机械能的动力机械，它具有单机功率大、效率高、转速高、运转平稳、单位功率制造成本低和使用寿命长等优点，在现代工业中得到广泛的应用。
汽轮机的主要用途是在热力发电厂中作原动机。
在以煤、石油和天然气为燃料的火力发电厂、核电站和地热电厂中，都采用以汽轮机为原动机的汽轮发电机组，其发电量约占总发电量的80%左右。
另外，汽轮机的排汽或中间抽汽还可以用来满足生产和生活的供热需要，这种既供热、又供电的汽轮机称为热电合供汽轮机，这种汽轮机在热能的综合利用方面具有较高的经济性。
由于汽轮机能够变速运行，故还可以用它直接驱动各种泵、风机、压缩机和船舶螺旋桨等。
在生产过程中有余能、余热的各种工厂企业中，可以利用各种类型的工业汽轮机，使不同品位的热能得到合理有效的利用，从而提高企业的节能和经济效益。
生产电能的工厂称为发电厂(如火力发电厂、水电厂、核电站等)。
火力发电厂简称为火电厂，它是利用化石燃料(煤、石油、天然气)中蕴藏的化学能，在锅炉内通过燃烧转换为蒸汽的热能，然后在汽轮机内将蒸汽的热能转换成机械能带动发电机发电的工厂。
在世界范围内火电厂中，燃煤电厂所占比例最大，如英国和德国高达70%，美国和前苏联几乎占50%，我国超过70%。
第二节汽轮机发展史概述一、汽轮机的发展特点自1883年瑞典工程师拉瓦尔首先发明、制造了世界上第一台单级冲动式汽轮机，1884年英国工程师帕森斯发明了第一台多级反动式汽轮机以来，汽轮机已有一百余年的历史。
近几十年汽轮机的发展尤为迅速，其发展的主要特点是:1、单机功率增大。
世界工业发达国家的汽轮机生产在60年代已达到500～600MW机组等级水平。
1972年瑞士BBC公司制造的1300MW双轴全速汽轮机(24MPa/538℃/538℃，n=3600r/min)在美国投入运行，1976年西德KWU公司制造的单轴半速(n=1500r/mn)1300MW饱和蒸汽参数汽轮机投入运行，1982年世界最大1200MW单轴全速汽轮机(24hEPa/540℃/540℃)在前苏联投入运行。
汽轮机运行
汽轮机运行第一章汽轮机的工作原理一、汽轮机：是一种以具有一定温度和压力的水蒸气为工质，将热能转变为机械能的回转式原动机。
.二、单级气轮机结构：喷嘴，动叶片，叶轮和轴等基本部件组成。
类型：纯冲动式：只在喷嘴中膨胀，动叶片仅受蒸汽的冲动力。
反动式：一半在喷嘴中膨胀，一半在动叶片中膨胀。
焓降相等。
冲动式：大部分在喷嘴中膨胀，还有少部分在动叶片中膨胀。
带有反动度的冲动式气轮机。
三、.气轮机的分类：1.按工作原理：纯冲动式：反动式，冲动反动联合式气轮机。
2.按热力过程：凝汽式，背压式，调整抽汽式，中间在热式。
（背压式，调整抽汽式）统称供热式汽轮机。
3.按蒸汽参数：低压：新蒸汽的压力为1.176—1.47MPa 中压：1.96—3.92MPa高压：5.88—9.8MPa 超高压：11.76—13.72MPa 亚临界：15.68—17.642MPa 超临界：22.06MPa以上。
4.按蒸汽流动方向：周流式，轴流式，辐流式气轮机。
5.另外如单缸，双缸，多缸。
单轴，双轴气轮机等。
四、级的反动度等于蒸汽在动叶片中的理想焓降与整个级的滞止理想焓降之比。
根据级的反动度的大小，可把级分为以下三种类型：1.纯冲动级：ρm=02.反动级：反动度ρm≈0.5.P1 〉P23.带反动度的冲动级：反动度0〈ρm〈0.5 一般取ρm=0.05~0.2 P1〉P24.喷嘴出口理想速度可写成：如果是实际的速度还要乘上速度系数。
c1t=1.414 Δh n* u=πd b n/60（圆周速度)5.当喷嘴工作在过热蒸汽区域时，其流量系数一般可取0.97。
当喷嘴在湿蒸汽区域工作时，其流量系数却大于1◎蒸汽在喷嘴中的流动是绝热的、稳定的，它遵守连续流动方程q mυ=Ac 或q m=Ac 或A=q mυυ c◎因q m是一个常数，会出现四种情况：（1）比容及流速都在增大，如果比容和流速增加的速率相等，这是一个等截面喷嘴。
（2）如果比容增长的速率小于流速增加的速率，这是一个渐缩喷嘴。
汽轮机的工作原理讲解
效率： 复速级<纯冲动级<带反动度的 冲动级<反动级
冲动式汽轮机一般级数较少，反动式汽轮 机级数较多，但反动式汽轮机运行更为稳 定，效率也较高。
3.调节级和非调节级
按通流面积是否随负荷大小而变，又可将汽轮 机的级分为调节级和非调节级。 (1)调节级：通流面积能随负荷改变而改变的级 称为调节级。如喷管调节汽轮机的第一级，这 种级在运行时，可通过改变其通流面积来控制 其进汽量，从而达到调节汽轮机负荷的目的。 一般中小型汽轮机用复速级作为调节级，而大 型汽轮机常用单列冲动级作为调节级。
分是反动力。
带反动度的冲动级的特点：
w1＜w2，P1＞P2, Δhn＞Δhb，Δht ≠Δhn 、Δhb ≠ 0 、 m = 0.05 0.20；
动叶叶型由入口到出口略有收缩； 蒸汽在动叶栅中即膨胀又改变流动方向；
它的作功能力比反动级大比纯冲动级源自、效率比 纯冲动级高。（2）反动级：
复 速 级：
采用最多的是同一叶轮上装有两列动叶片的双列速度 级，又称复速级。
由一组静叶栅和安装在同一叶轮上的两列动叶栅及一 组介于第一、二列动叶栅之间、固定在汽缸上的导向 叶栅所组成。
第一列动叶栅通道流出汽流，其流速还相当大，为了 利用这一部分动能，在第一列动叶栅之后装上一列导 向叶栅以改变汽流的方向，使之顺利进入第二列动叶 栅通道继续作功。
2）带反动度的冲动级
为了提高级的效率，通常，冲动级也带有一定的 反动度（ m = 0.05 0.20 ) ，这种级称为带反动 度的冲动级。
蒸汽的膨胀大部分在喷管中进行，只有一小部分 在动叶中进行
（ Δhb =5%~20%Δht* ）， 蒸汽作用在动叶栅上的力主要是冲动力，一小部
汽轮机原理第一章 级的工作原理
冲动式汽轮机的工作原理
冲动式汽轮机转子
反动式汽轮机断面示意图
反动度
表示蒸汽在动叶中膨 胀程度的一个参数 焓降反动度 压力反动度
纯冲动级：
Ω=0，动叶前后的压差为零
反动级： Ω=0.5 冲动级： Ω=0.05~0.2 复速级：
汽轮机的工作过程
一元 稳定 绝热
2 k 1 1/ 2 0 2 k 1 2 2k p0 k k 1 1 1 k k k n n n n 0 k 1 0 k k
An
2 k 1 1/ 2 0 2k p0 k n n k 0 k 1 0
级的轮周效率
Pu1 轮周效率：轮周功和理想能量之比 u E 0
2 2 2 2 2 c0 c2 c2 ca c2 * E0 0 ht 1 ht 1 1 2 2 2 2 2
做功能力：单位质量蒸汽做功
w12 c12 u 2 2c 1u cos 1 c1 cos 1
2 2 w2 c2 u 2 2c 2 u cos 2 c2 cos 2
wu 2 2u
临界速度只和蒸汽滞止参数有关，和流动过程无关
临界压比
a 2k 0 0 2k 0 0 p00 kp11 p00 kp11 k 1 k 1
1
0 0 k p0 0 k
0 1 p1 p1 2 0 2 p1 2 p1 1 0 nc nc 0 0 k 1 1 p0 k 1 p0 p0 k 1
2 2 2
第一章 汽轮机级的工作原理
第一章汽轮机级的工作原理第一节概述汽轮机是将蒸汽工质的热能转变成动能，再将动能转变成机械能的一种热机。
多级汽轮机由若干个级构成，而每个级就是汽轮机做功的基本单元，级是由喷管叶栅和与之相配合的动叶栅所组成。
喷管叶栅将蒸汽的热能转变成动能，动叶栅将蒸汽的动能转变成机械能。
一、蒸汽的冲动原理和反动原理高速汽流通过动叶栅时，发生动量变化对动叶栅产生冲力，使动叶栅转动做功而获得机械能。
由动量定理可知，机械能的大小决定于工作蒸汽的质量流量和速度变化量，质量流量越大，速度变化越大，作用力也越大。
图1—1所示为无膨胀的动叶通道，汽流在动叶汽道内不膨胀加速，而只随汽道形状改变其流动方向，汽流改变流动方向对汽道所产生的离心力，叫做冲动力，这时蒸汽所做的机械功等于它在动叶栅中动能的变化量，这种级叫做冲动级。
蒸汽在动叶汽道内随汽道改变流动方向的同时仍继续膨胀、加速，加速的汽流流出汽道时，对动叶栅将施加一个与汽流流出方向相反的反作用力，此力类似于火箭发射时，高速气体从火箭尾部流出，给火箭一个与流动方向相反的反作用力，这个作用力叫做反动力。
依靠反动力做功的级叫做反动级，如图1—2所示。
现代汽轮机级中，冲动力和反动力通常是同时作用的，在这两个力的台力作用下，使动叶栅旋转而产生机械功。
这两个力的作用效果是不同的，冲动力的做功能力较大，而反动力的流动效率较高，这一点会在以后的讨论中说明。
二、级的反动度为了说明汽轮机级中反动力所占的比例，即蒸汽在动叶中膨胀程度的大小，常用级的反动度Ω表示，它等于蒸汽在动叶栅中膨胀时的理想比焙降厶Ab和整个级的滞止理想比焰降△ht。
之比，即第5页截面上喷管和动叶中的理想比焙降所确定。
平均直径是动叶项部和根部处叶轮直径的平均值。
图1—3是级中蒸汽膨胀在焓熵图上的热力过程线。
o点是级前的蒸汽状态点，o*点是蒸汽等熵滞止到初速等于零的状态点，Pl、F2分别为喷管出口压力和动叶出口压力。
蒸汽从滞止状态o·点在级内等熵膨胀到P，时的比焙降厶AI。
第一章汽轮机的工作原理
第二节 汽轮机的工作过程
与绝热指 数及喷嘴压力 比有关，其关 系式如右。
k
2
1
2
k n
k 1
n k
k 1
2 k1
k
1
在亚临界条件下： <1，在临界和超临界条 件下：＝1
❖ 与n的关系绘成如图 所示的曲线。计算时，先在 图上查 取 值，然后利用下式计算：
G Gcr 0.648An
p0* RT0*
（四）蒸汽在喷嘴斜切部分中的流动
出口截面:
G Anc1t 1t
ln sin1 tnc1t 1t
在实际结构中， lnln´，所以：
sin1
crccr 1t c1t
s in 1
对等熵流动，有以下等式成立：
1
1
1
cr 1t
pcr p1t
k
cr n
k
k
2
1
k
1
1
nk
ccr c1t
k1
k
1
1
k k1 k 1
临界压力比：临界压力与滞止初压之比 即
cr
pcr p0*
对过热蒸汽，k = 1.3，则0.546 对于干饱和蒸汽，k = 1.135则0.577
3.喷嘴出口汽流实际速度： c1=c1t
----喷嘴速度系数 喷嘴的动能损失:
hn 1 2 hn*
汽轮机原理第一章汽轮机级的工作原理
•
提高动叶本身抗冲蚀能力
– 采用耐侵蚀性能强的的叶片材料 – 在叶片进汽边背弧上镶焊硬质合金 – 对叶片表面镀铬，局部高频淬应，电火花强化，氮化
• 冲动级的实际热力过程线 • 级效率
（连接）
x
– 又称端部损失，实质属于喷嘴和动叶的流动损失。主要决定于叶高。
• 叶轮摩擦损失
– 叶轮两侧及围带表面的粗糙度引起的摩擦损失 – 子午面内的涡流损失引起的损失
• 部分进汽损失
– 装有喷嘴的弧段长度Z*L（Z为喷嘴片数）于整个圆周长度∏*Dm的比值来表 示部分进汽的程度，称为部分进气度，用e表示。 – 由于部分进汽带来的能量损失称为部分进汽损失，由鼓风损失和斥汽损失组 成。鼓风损失发生再不装喷嘴的弧段内，斥汽损失欲鼓风损失相反。
• 简单流动模型易用一元稳定等比熵流动的基本方程
– 连续方程：G*v=A*c – 能量方程： h0 + c02/2 = h + c12/2 + w – 状态或过程方程：p*v=const
蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程
• 临界参数的概念
– 蒸汽流量不变时，当喷嘴中等比熵焓降达到临界值时，喷嘴通道面积为最小， 此处便是临界截面，其蒸汽流速等于当地音速。临界状态下的参数称为临界参 数。 – 临界速度，临界压力，临界压比，临界流量，实际流量
下一页
•
漏气损失（隔板的气封装置）
– 对于冲动级，隔板前后存在较大的压差，而隔板和转轴之间又存在着间隙，因此有一部分蒸 汽从隔板前通过间隙漏到隔板与本级动叶之间的汽室内，由于这部分蒸汽不通过喷嘴，因此 不做功，形成了漏气损失。为了避免隔板汽混入动叶中干扰主汽流，一方面在叶轮上开设平 衡孔，使隔板漏气通过平衡孔流到级后，另一方面在动叶根部设置汽封片加以阻挡，并设置 合理的反动度，尽量使动叶根部不出现吸汽或漏汽现象。 – 对于反动级，其漏汽损失比冲动级大因为
第一章汽轮机工作原理
喷嘴进口
入口初速动能
h0 +
1 2 C 2 0
= h0
0
p0
h0
0
p0
1 h0 C02 2
t0
喷嘴损失 动叶进口
hn
h1
1 2 w1 2
h1
h
t
h1t
ht
动叶损失 hb
2 c2 余速动能 hc 2 2
hn
1 21 w1 p 1 2 1 h1
1 p
湿 过热
1 x
或取
1.02
因此理想流动时的喷嘴临界流量为：
Gct
0.667 An p0 / v0 0.637 An p0 / v0
过热蒸汽 0.97 湿蒸汽
1.02
而实际的临界流量为：
G c G ct
0 0
无论过热蒸汽还是湿蒸汽都可用下式计算：
喷嘴速度系数，表示喷嘴损失的大小。
喷嘴损失：
c1 c1t
c12t c12 c12t hn 1 2 1 2 h1t 2 2 2
-喷嘴效率
2
叶片高度l
叶片高度l
渐缩喷嘴速度系数随叶片高度变化曲线
一般 0.95 ~ 0.98 ，计算时取 0.97 。
w1
p1 , h1
u
c2 2 2w2
（2）线段比例合适
p2 , h2
(a)
u
u
db n
60
(a)动静叶栅汽道示意图 (b)顶点靠拢的速度三角形
通过速度三角形，可在已知圆周速度 u 和喷管出口速度c1 的 条件下，求出蒸汽进入动叶的相对速度 w1。 或在已知动叶出口相对速度 w2 和圆周速度u 的条件下，求 出动叶的绝对速度 c 2 。 速度三角形的计算：
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目前常见的复速级内总的反动度 值约在5%～15%之间。
图1-23 带反动度的复速级的热力过程线
复速级的轮周功：复速级的轮周功等于两列动叶 上产生的机械功之和。
Wu Wu Wu u c1 cos1 c2 cos2 c1cos1 c2cos2
➢ β 的大小与喷嘴的进口状态（ 、 p0* v0* ）、压力比εn和蒸汽的 绝热指数κ有关。
Gn Gnc
k
2
1
2
k n
k 1
nk
k 1
2 k 1 k 1
1
0.546 n 1
n 0.546
三、蒸汽在喷嘴斜切部分中的膨胀
汽轮机弯曲型渐缩叶栅通道，在喉部后形成斜切出口通道，将此称为 斜切部分。它的存在极大地改变了叶栅通道的流动特性。
极限膨胀压力比 1d
k
1d
p1d p0
2 k1
k 1
sin 1
2k k1
汽流偏转角
sin 1 1
sin
1
ccr c1t
cr 1t
图1-13 蒸汽在喷嘴斜切部分的膨胀
第三节 蒸汽在动叶中的流动
圆周速度： u dmn
60
相对速度：W1、W2
绝对速度：C1、C2
➢ 进口速度三角形 ➢ 出口速度三角形
➢ 叶栅流道：喷嘴叶栅和动叶栅的安
装角s和s、喷嘴叶栅和动叶栅的 叶型进口几何角0g和0g、喷嘴叶 栅和动叶栅的叶型出口几何角1g和 1g、喷嘴出口汽流角1和动叶出口 汽流角2等
喷嘴叶栅和动叶栅的几何参数
喷嘴叶栅结构尺寸：
An
Gn 1
c1
ednln sin1
ln
An
ednSin1
动叶栅结构尺寸：
Gc1
c2
轮周力
Fu Gc1 cos1 c2 cos 2
轴向力
Fz Fa Fp Gc1 sin 1 c2 sin 2 Az P1 P2
四、轮周功率和轮周效率
轮周功率：单位时间内周向力Fu在动叶上所做的功
Pu uFu uGc1 cos1 c2 cos 2
1kg蒸汽作的轮周功 Wu uc1 cos1 c2 cos2
➢ 圆周速度不同引起的损失 ➢ 相对栅距不同引起的损失 ➢ 汽流径向流动引起的损失
长叶片级的设计方法
➢ 简单径向平衡法 ➢ 完全径向平衡法两种
图1-34 长叶片级的速度三角形
第六节 级内损失和级效率
一、级内损失
➢ （1）喷嘴损失 ➢ （2）动叶损失 ➢ （3）余速损失 ➢ （4）叶栅损失 ➢ （5）扇型损失 ➢ （6）叶轮摩擦损失 ➢ （7）部分进汽损失 ➢ （8）漏气损失 ➢ （9）湿汽损失 ➢ （10）撞击损失
轮周有效比焓降：
hu
0
c
2 0
2
ht
hn
hb
hc2
轮周效率：1Kg/s蒸汽在级内转换的轮周功和其参与
能量转换的理想 能量E0之比
u
Wu E0
余速损失：
hc 2
c
2 2
2
第四节 速度比和轮周效率的关系
速度比：
x1 u / c1
最佳速度比：
➢ 纯冲动级
( x1 ) op
cos1 2
p0*
* 0
1
pcr p0*
k
➢ 临界压力比：临界压力与滞止压力之比称为临界压力
比。
k
cr
pcr p0*
2 k1 k 1
➢ 过热蒸汽： k 1.3 ➢ 饱和蒸汽： k 1.135
cr 0.546
cr 0.577
喷嘴的理想流量
Gnt Anc1t 1t An
2 1
2
Ab
Gb
b2t w2t
edblb sin 2
lb
Ab edblb sin 2
喷嘴叶栅和动叶栅主要参数的选择
➢ 叶栅出口汽流角1和2的选择：通常冲动级1=11°～ 14°，反动级1=14°～20°。动叶栅出汽角通常选择 为2=1－(3°～5°) 。
➢ 部分进汽度的选择 ：压力级e=1，调节级e＜1,为了减少 损失，应该使e≥0.15 。
➢ 反动级 ➢ 冲动级
(x1)op cos 1
( x1 ) op
cos1
21 m
影响轮周效率的因素
➢ 速度比
➢ 喷嘴速度系数、动叶速度系数
➢ 喷嘴出汽角、动叶出口角
➢ 动叶进口角
复速级的热力过程
为了改善叶片通道内的流动状况 ，提高复速级的效率，一般复速 级都在其动叶和导叶内采用适当 的反动度。
相对内效率最高时的最佳速
度比小于轮周效率最高时的
最佳速度比
图1-52 级效率 i与速度比xa的关系曲线
本章小结
基本概念
➢ 喷嘴、动叶、汽轮机的级、反动度、冲击原理、反击 原理、部分进汽度
级的工作过程
➢ 喷嘴流道：热能转换为动能 ➢ 动叶流道：动能转换为机械功
级内损失和效率
➢ 级内损失：喷嘴损失、动叶损失、余速损失、叶栅损 失、扇型损失、叶轮摩擦损失、部分进汽损失、漏气 损失、湿汽损失、撞击损失
➢ 直叶片压力级：m=0.05～0.20，f=1.85～1.65（径高比θ 越大，m越大，f取偏小值）。
➢ 扭叶片级：m=0.20～0.40，f=1.7～1.4。 ➢ 复速级：m=0.03～0.08，fn︰fb︰fgb︰fb′=1︰(1.6～1.45)
︰(2.6～2.35)︰(4～3.2)
长叶片
特点：
s in 1
2
arcsin
w2 c2
sin 2
二、蒸汽在动叶中的流动
动叶蒸汽的滞止参数 动叶出口的理想汽流速度
h1
w12 2
h1*
h1
w12 2
h2t
w22t 2
w2t 2 h1 h2t w12 2hb w12 2hb*
动叶的理想比焓降 hb 动叶的滞止理想比焓降 hb*
n
1
n
p0* v0*
喷嘴的实际流量
Gn Anc11 nGnt n An
2
1
2
n
1
n
p0* v0*
流量系数
n
Gn Gnt
1 1t
喷嘴的理想临界流量
1
Gnct An
2
1
1
p0* v0*
过热蒸汽：
Gnct 0.667 An
p0*
* 0
饱和蒸汽：
Gnct 0.635An
喷嘴
喷嘴叶栅
动叶
动叶栅
汽轮机的级：由一列 喷嘴叶栅和其后的一 列动叶栅组成的汽轮 机的最基本的作功单 元
喷嘴叶栅
动叶栅
热能—— 动能—— 机械能
蒸汽的冲动原理和反动原理
冲击原理和反击原理
❖ 冲击力：运动物体质量越大，受阻前后的速度矢量变化 越大，则冲击力越大。（弯曲流道）
❖ 反击力：动叶流道前后压差越大，膨胀加速越明显，则 反击力越大。（渐缩形流道）
喷嘴速度系数 c1 / c1t
喷嘴损失
hn
c12t c12 2
12
hn*
喷嘴能量损失系数
n
hn
hn*
12
影响因素：
喷嘴高度、叶型、 表面粗糙度和前 后压差等
二、蒸汽流过喷嘴的流量
喷嘴中汽流的临界状态
➢ 临界速度：与当地声速相等的汽流速度称为临界速度
。
k 1
ccr
2k k 1
➢ 盖度的选择 ：使蒸汽顺利地进入动叶栅
➢ 动、静叶栅之间的轴向间隙和径向间隙
➢ 平衡孔 ：可见只有在叶根反动度适当以及隔板漏汽量 较大时，采用平衡孔才可以提高级效率 。
冲动级内反动度的选择
➢ 一般的压力级，级效率最高时根部反动度r=0.03～0.05 。
➢ 平均发动度：
➢
叶顶反动度：m
1
1
r
db
动叶出口的实际速度 w2
动叶速度系数 w2 / w2t
动叶损失
hb
w
2 2t
w22
2
12
hb*
动叶能量损失系数
b
hb
hb*
12
影响因素
动叶高度、反动度、 叶型、表面粗糙度等
三、蒸汽作用在动叶上的力
蒸汽受力 叶片受力
Fp Fb
Fb Fp
mmaamFpc2mc1c2GFra bibliotek1c2Fcp1
二、级的相对内效率和内功率
级的有效焓降
hi ht* (hn hb hc2 h)
级的相对内效率
i
hi E0
级的内功率
Pi
Dhi 3600
三、相对内效率和速度比的关系
i u l f e x
叶高损失、叶轮摩擦损失和 部分进汽损失随速度比的增
加而增大
级内损失不仅使级的轮周效 率降低，也会使最佳速度比 值减小
冲动级
Ω＝0.5 Ω＝0.05～0.2
复速级
三、汽轮机内能量转换的特点
基本假设
❖ 稳定流动 ❖ 一元流动 ❖ 绝热流动
➢基本方程
pv RT
❖状态及过程方程 pvn £
❖连续性方程
❖能量守恒方程 ❖动量方程
dA dc dv 0
A cv
h0
c02 2
q
h1
c12 2
W
dp cdc
第二节 蒸汽在喷嘴中的流动
cc12
u
u
ww21