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：
第一章汽轮机级的工作原理.
➢ 对于较短的直叶片级，用平均反动度Ωm表示，可 不计反动度沿动叶高度的变化；
➢ 对于长叶片级，在计算不同截面时，必须用相应 截面的反动度。
五、 级的类型和特点：轴流式
⒈ 冲动级和反动级：按蒸汽在动叶通道中的膨胀程度（及反 动度）大小划分。 ⑴ 纯冲动级：Ωm＝0 特点：
式中：q—每kg质量蒸汽流过系统时从外界吸收 的热量，J/kg；绝热时为零。 w—每kg质量蒸汽流过系统时对外界做出的 机械功，J/kg。
③ 状态或过程方程
状态方程：蒸汽在某一截面上的各种状态参数之 间的关系由状态方程式来确定，对于理想气体： pv=RT
式中：p —气体的绝对压力，Pa； v —气体的比容，m3/kg； T —热力学温度，K； R —通用气体常数， R =461.5J/kg·K。
一般情况下：
1 1117 冲动级：2 1 (2~4)
2 20~30
(a) 动静叶栅汽道示意图 (b)顶点靠拢的速度三角形
⑶ 速度三角形（w1、c2 ）的计算
w1 c12 u 2 2c1u cos 1
1
arcsin
c1 sin 1
w1
arc tg
c1 sin 1 c1 cos 1 u
c2 w22 u 2 2w2u cos 2
三、 级的工作过程
火电厂的能量转换过程
⒈ 蒸汽在级内的流动过程：图1.1.1所示 ⑴ 在喷嘴(nozzle)中：降压增速，热力势能转变为汽流的
动能; ⑵ 在动叶(blade)中：动能转变为机械能（冲动级和反动
级有别）。
➢ 对于冲动式汽轮机，当蒸汽通过喷嘴 和动叶后，其压力、速度的变化趋势如 右图。
双列级：能承担较大的理想焓降，一般在195250kJ/kg之间。效率较低。宜用于带尖峰负 荷的机组上。
汽轮机原理-第一章
第一章汽轮机级的工作原理近代大功率汽轮机都是由若干个级构成的多级汽轮机。
由于级的工作过程在一定程度上反映了整个汽轮机的工作过程，所以对汽轮机工作原理的讨论一般总是从汽轮机"级"开始的，这特有助于理解和掌握全机的内在规律性。
"级"是汽轮机中最基本的工作单元。
在结构上它是由静叶栅(喷嘴栅)和对应的动叶栅所组成。
从能量观点上看，它是将工质(蒸汽)的能量转变为汽轮机机械能的一个能量转换过程。
工质的热能在喷嘴栅中(也可以有部分在动叶栅中)首先转变为工质的动能，然后在动叶栅中再使这部分动能转变为机械能。
工质的热能之所以能转变为汽轮机的机械能，是由工质在汽轮机喷嘴栅和动叶栅中的热力过程所形成，因此，研究级的热力过程，也就是研究工质在喷嘴栅和动叶栅中的流动特点和做功原理，以及产生某些损失的原因，并从数量上引出它们相互之间的转换关系，这是本章的主要内容。
第一节蒸汽在级内的流动一、基本假设和基本方程式(一)基本假设为了讨论问题的方便，除把蒸汽当作理想气体处理外，还假设：(1)蒸汽在级内的流动是稳定流动，即蒸汽的所有参数在流动过程中与时间尤关。
实际上，绝对的稳定流动是没有的，蒸汽流过一个级时，由于有动叶在喷嘴栅后转过，蒸汽参数总有一些波动。
当汽轮机稳定工作时，由于蒸汽参数波动不大，可以相对地认为是稳定流动。
(2)蒸汽在级内的流动是一元流动，即级内蒸汽的任一参数只是沿一个坐标(流程)方向变化，而在垂直截面上没有任何变化。
显然，这和实际情况也是不相符的，但当级内通道弯曲变化不激烈，即曲率牛径较大时，可以认为是一元流动。
(3)蒸汽在级内的流动是绝热流动，即蒸汽流动的过程中与外界无热交换。
由于蒸汽流经一个级的时间很短暂，可近似认为正确。
考虑到即使用更复杂的理论来研究蒸汽在级内的流动，其结论与汽轮机真实的工作情况也不完全相符，而且推算也甚为麻烦，因此，上述的假设在用一些实验系数加以修正后，在工程实践中也证明是可行的。
汽轮机原理(第一章)
3.彭台门系数
当喷嘴进出口压力比ε n=p1／p0﹡处于某个数值时，
其相应的流量G与同一初状态下的临界流量Gcr之比值称为
流量比，用β表示，也称为彭台门系数，即
G An
k2k1p0*0*(nk2
k1
nk )
Gcr
An k(k21)kk 11p0*0*
k21(nk2
量损失，因此，蒸汽在动叶通 道中实际的膨胀过程是按熵增 曲线进行的。与喷嘴相似，此 时动叶栅出口汽流的理想相对 速度为
图１－１5蒸汽在动叶栅中的热力过程
w 2 t2 (h 1 h 2 t) w 1 22 h b w 1 22 h b
２. 动叶出口汽流实际速度
w2 w2t
上式对有损失的流动和无损失的流动 均适用。
4.状态方程
（1）理想气体状态方程
p RT
式中
p－气体绝对压力； ρ －气体密度； R－通用气体常数，R=461.76J/（kg.K)； T－ 热力学温标。
（2）蒸汽等熵膨胀过程方程
p 常数
k
式中 k－等熵指数，对于蒸汽而言：过热 蒸汽 k =1.3； 湿蒸汽 k=1.035+0.1x ( x为膨胀过程初态的蒸汽干度）。
Ma=c1t／a=1，这一条件称为临界条件。临界条件下
的所有参数均称为临界参数。
.
（２）临界压力比。
cr
pcr p0
2k
(
)k1
k1
对过热蒸汽 k ， 1.3,cr 0.54;6
对干饱和蒸k汽 1， .13,5cr 0.577.
（二）喷嘴流量的计算
1.喷嘴理想流量
Gt Anc1t1t
01汽轮机原理
5
一、汽轮机的级
汽轮机的级
6
级内能量转换过程
具有一定压力、温度的蒸汽通过汽轮机的 级时，首先在静叶栅通道中得到膨胀加速，将 蒸汽的热能转化为高速汽流的动能，然后进入 动叶通道，在其中改变方向或者既改变方向同 时又膨胀加速，推动叶轮旋转，将高速汽流的 动能转变为旋转机械能。
7
8
汽轮机 下隔板
9
* 2k p0 k k ( ) n n * k 1 v0
2
k 1
n p1 p * 喷嘴前后压力比。 0
30
喷嘴流量曲线
当喷嘴前的参数
Gnt An
* 2k p0 ( nk n k ) * k 1 v0
2
k 1
p0*、v0* 和喷嘴出口截面
积 An 一定时，通过喷嘴 的流量只取决于喷嘴前后 压力比 εn 。它们的关系 如图中ABC曲线所示。 当压力比从 1逐渐缩小时，流量逐渐增加，当喷嘴前 后压力比等于临界压力比，达最大值，如B所示。这时的流 量称为临界流量，用 Gnct 表示。当喷嘴前后压力比小于临 界压力比时，流量保持最大值不变，如AB所示。
0* 0
P0* p0
∆hc0
1 2 h hc 0 hn hn c0 h0 * h1t 2
* n
p v p1v1t
2k * * c1t p0 v0 [1 ( k 1
* *k 0 0
k
k 1 p1 k ) ] * p0
∆hn 2 h h1t 1 p1 h1
冲动级高，但作功能力小。
16
冲动级和反动级
4. 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 的导向叶栅所组成的级， 称为复速级，复速级也采
第一章 汽轮机工作原理
16.67MPa. 538℃ 1833.37 t/h 2006.72 t/h 2080 t/h
3.2MPa 538℃。 1529.11 t/h 45 ℃
最终给水温度（THA工况） 额定背压为 额定工况热耗 低压缸末级叶片长度 ： 额定转速：
273.1℃。 15kPa. ( 设计气温17℃ ) 8046 kJ/kWh 620 mm 3000r/min
• • • • • • •
额定工况（THA工况）
汽轮发电机组能在下列条件下安全连续运行，此时发电机输出 功率为600MW（当采用静态励磁时，扣除所消耗的功率）。此工 况条件如下： 1）额定主蒸汽参数及再热蒸汽参数，所规定的汽水品质； 2）背压为15kPa.a (暂定)； 3）补给水率为0%； 4）所规定的最终给水温度273.1℃； 5）全部回热系统正常运行，但不带厂用辅助蒸汽； 6）电动给水泵投入运行，并满足锅炉需要的给水参数； 7）发电机额定功率因数、额定氢压、额定电压、额定频率。 此工况为机组热耗率保证值的验收工况（THA工况）。此工况 的进汽量为汽轮机额定进汽量，此工况的出力为机组额定出力，此 工况的背压为额定背压。
第一章
汽轮机工作原理
来自锅炉的蒸汽依次流过级，将其热能转换成 机械能。级是汽轮机中最基本的工作单元，在结 构上，它由一列喷嘴叶栅（静叶栅）和紧邻其后 与之相配合的动叶栅组成。在功能上，它完成将 蒸汽的热能转变为机械能的能量转换程。
在静叶中热能转变为动能，在动叶中动能转变为机械能。 经过静叶后速度增加为v2,焓值下降，压力下降、温度下降、 比容增大；经过动叶后速度下降，对于冲动式汽轮机焓值 下降不多，对于反动式汽轮机焓值下降等于静叶焓降。
• • • • • • •
汽轮机最大连续出力（TMCR）工况
汽轮机原理教材1
第一章 汽轮机级的工作原理第一节 概 述汽轮机本体中作功汽流的通道称为汽轮机的通流部分。
它包括主汽门、调节汽门、导管、进汽室、各级喷嘴和动叶及汽轮机的排汽管。
现代电站汽轮机均为多级汽轮机，由若干级组成。
由一列喷嘴叶栅和其后紧邻的一列动叶栅构成的工作单元称为汽轮机的级。
因为汽轮机的热功转换是在各 个级内进行的，所以研究级的工作原理是掌握整个汽轮 机工作原理的基础。
一、级的工作过程图1.1.1为某一冲动式汽轮机级的示意图。
喷嘴叶 片安装在隔板体上，动叶片安装在叶轮的外缘上。
喷嘴前截面用0—0表示，喷嘴叶栅和动叶栅之间的截面用l —l 表示，动叶后截面用2—2表示。
这三个截面通常称为级的特征截面或计算截面。
各截面上的汽流参数分 别注以下标0 ， 1和2，如0p 、1p 和2p ，分别表示喷嘴前、喷嘴后和动叶后的蒸汽压力。
在喷嘴通道内，蒸汽由压力0p 膨胀到1p ，温度由0t 下降到1t ，汽流速度相应地由0c 升到1c 。
可见，蒸汽从四嘴的进口到出口实现了由热能向动能的转换。
高速流动的蒸汽由喷嘴出口进入动叶时，给予动叶以冲动力i F 。
通常汽流在动叶槽道中继续膨胀，并转变方向，当汽流离开动叶槽道时，它给叶片以反动力r F (见图1．1．2)，这两个力的合力，推动动叶带动叶轮和轴旋转，作出机械功。
动叶以转速n 绕汽轮机轴旋转，用u 表示动叶平均直径b d 处(即1/2叶高处，见图(1.1.1)的圆周速度，其大小为（1.1.1）其方向为动叶运动的圆周方向。
由于动叶以圆周速度u 运动，所以，以1c 表示的喷嘴出口汽流的绝对速度，是以相对速度1w 进入动叶的。
1c ,u 与1w 构成动叶进口速度三角形，如 图1．1．3（a ）所示，即1w =1c u - （1.1.2） 汽流以相对速度2w 离开动叶，由于动叶以圆周速度u 运动，所以动叶出口汽流的绝对速度是2c 。
2w , u 与2c 构成动叶出口速度三角形，如图1．1．3(a)所示，即2c =2w u - （1.1.3）图中ß表示叶轮旋转平面与相对汽流速度的夹角，ą表示叶轮旋转平面与绝对汽流速度的夹角。
汽轮机的工作原理
按主蒸汽压力分
汽轮机类别 低压汽轮机 中压汽轮机 高压汽轮机 超高压汽轮机 亚临界压力汽轮机 超临界压力汽轮机 超超临界压力汽轮机 主蒸汽压力（MPa) 0.12~1.5 2~4 6~10 12~14 16~18 >22.1 >32
汽轮机的型号
Δ XX - XX - XX
型 式 变型设计次序 蒸汽参数 额定功率
调节级
喷嘴调节：多数汽轮机采用改变第一级喷嘴面积
的方法调节进汽量，称之为喷嘴调节。
调节级：中、小容量汽轮机的调节级喷嘴调节汽
轮机的第一级称为调节级，一般采用复速级。大
容量汽轮机多采用单列冲动级。
还把汽轮机的级分为速度级和压力级两种。
汽轮机的分类
冲动式汽轮机
按工作原理分 反动式汽轮机 凝汽式汽轮机
蒸汽热能
喷嘴
气流的动能
动叶
轴的机械能
一、汽轮机的工作原理
“级”是汽轮机中最基本的
工作单元。在结构上它是由
2叶轮 3动叶栅
静叶（喷嘴）和对应的动叶
所组成；一列固定的喷嘴和
与它配合的动叶片构成了汽
轮机的基本作功单元，称为
1轴
4喷嘴
汽轮机的“级”
单级冲动式汽轮机工作原理结构立体图
（一）冲动作用原理
理想情况下表面式凝汽器的凝水温度应与排汽温度相同，被冷却水
带走的热量仅为排汽的汽化潜热。但实际运行中，由于排汽流动阻 力及非凝结气体的存在，导致凝结水温度低于排汽温度，两者的温 差称为过冷却度。冷却水管布置不当，运行中凝结水位过高而浸泡 冷却水管,均会加大过冷却度。正常情况过冷却度应不大于1～2℃。 排汽压力与机组功率 降低凝汽式汽轮机的排汽压力,虽可提高 热效率，但因排汽比容增大,汽轮机末级通流面积和叶片需要相应增 大,这加大了制造成本,使加工困难。因此，最佳排汽压力需通过技术 经济综合分析确定。目前一般凝汽式汽轮机排汽压力取为0.004～ 0.006兆帕。 汽轮机功率决定于蒸汽流量。凝汽式汽轮机可通过的最大流量 决定于末级叶片长度。由于叶片越大，离心力越大,这使它受到材料 强度的限制。目前,末级叶片最大长度可达1000～1200毫米，叶片顶 端最大允许圆周速度为550～650米/秒,单排汽口极限功率约为100～ 120兆瓦。低压缸采用分流式结构可提高单机功率。到80年代末，常 规火电厂最大凝汽式单机功率，双轴机组为1300兆瓦，单轴机组为 800兆瓦。 凝汽式机组设计为低转速（1500或1800转/分）时，可提高极限 功率，但这又使汽轮机尺寸及材料消耗增加，因为汽轮机总重量与 转速的三次方成反比。因此，除核电站为适应低参数、大流量特点， 常采用低速汽轮机外，中国火力发电厂均采用3000转/分汽轮机
汽轮机原理
汽轮机工作原理示。
蒸汽在喷嘴1流冲击台面上的木块3二、汽轮机的基本工作原理最简单的汽轮机如图蒸汽的压力温度降低，完成动能到机械能的转换。
三、汽轮机的分类汽轮机的类型很多，在实际运用当中，常按下列方法对汽轮机进行分类。
１、按工作原理分类１）冲动式汽轮机：按冲动作功原理工作的汽轮机称为冲动式汽轮机。
它在工作时，蒸汽的膨胀主要在喷嘴中进行，少部分在动叶片中膨胀。
２）反动式汽轮机：按反动作功原理工作的汽轮机称为反动式汽轮机。
它在工作时，蒸汽的膨胀在喷嘴动叶片中各进行大约一半。
３）冲动反动联合式汽轮机：由冲动级和反动级组合而成的汽轮机称为冲动反动联合式汽轮机。
２、按热力过程分类１）凝汽式汽轮机：进入汽轮机作功的蒸汽，除少量的漏气外，全部或大部分排入凝汽器的汽轮机。
蒸汽全部排入凝汽器的汽轮机又称纯凝汽式汽轮机；采用回热加热系统，除部分抽气外，大部分蒸汽排入凝汽器的汽轮机，称为凝汽式汽轮机２）背压式汽轮机：蒸汽在汽轮机作功后，以高于大气压的压力排出，供工业或采暖使用。
这种汽轮机称为背压式汽轮机。
若排汽供给中低压汽轮机使用时，又称为前置式汽轮机。
３）调整抽汽式汽轮机：将部分作过功的蒸汽在一种或两种压力下抽出，供工业或采暖用汽，其余蒸汽仍排至凝汽器，这类汽轮机叫调整抽汽式汽轮机。
调整抽汽式汽轮机和背压式汽轮机统称为供热式汽轮机。
４）中间再热式汽轮机：将在汽轮机高压缸部分作过功的蒸汽，引至锅炉再热器再次加热到一定温度，然后再重新返回汽轮机的中低压缸部分继续做功，这类汽轮机叫中间再热式汽轮机。
再热次数可以是一次，两次或多次，但一般采用一次中间再热。
３、按蒸汽初参数分类１）低压汽轮机：新蒸汽压力为1.176～1.47MPa;２）中压汽轮机：新蒸汽压力为1.96～3.92 MPa;３）高压汽轮机：新蒸汽压力为5.88～9.8 MPa;４）超高压汽轮机：新蒸汽压力为11.76～13.72 MPa;５）亚临界压力汽轮机：新蒸汽压力为15.68～17.64 MPa;６）超临界压力汽轮机：新蒸汽压力大于22.06 MPa。
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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