热力叶轮机械原理第五章 多级汽轮机1

重热系数上升较快段，对应过热区工作；
i
Hs2
pz 件下，膨胀到2s点。 3.实际情况下 ，透平内
s
多级(两级)透平热力过程
的流动存在损失，膨 胀到2点。
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问题一：内效率与重热系数
多级汽轮机的内效率大于级平均内效率
前一级流动损失消耗动能，变成热能：
p0
I. 流动损失使前一级效率
Hs1
Hs
2s 2
h1 p2
降低。
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多级汽轮机的工作过程
多级冲动式透平的工作过程
4. 最后，从末级出来的蒸汽排出汽轮机。 存在一个排汽节流损失。
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多级汽轮机的工作过程
多级冲动式透平的内效率及功率
忽略调节阀和汽封漏汽
1. 多级汽轮机的有效焓降:
Hi i0 ik hi
2. 对外作功:
m oi
1
hs 1 Hs
汽轮机内效率可表示为：
T oi

(1


)
m oi
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问题一：内效率与重热系数
重热系数的物理意义
I. 在多级透平中，前一级 流动损失提高了下一级 进口温度和焓；
II. 下一级绝热焓降比没有 流动损失时要大；
III. 从 而 提 高 了 下 一 级 的 作 功能力，也提高了透平 的内效率。
I. 多级透平的焓降大， 允许提高蒸汽的初 参数（初压、初温）。 从热力循环角度 看，使循环的热效率提高。
II. 采用多级结构，每级利用总焓降的一部 分，容易保证每个透平级均在最佳速比 下工作。
III. 中间级出口的动能，即余速，有可能被 下一级利用。
结论：采用多级透平是增加汽轮机单机功率 的合理方案。
存在一个进气节流损失。
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多级汽轮机的工作过程
多级冲动式透平的工作过程
2. 进入汽轮机调节级，汽流在调节级中膨胀 作功，压力、温度和焓值降低
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多级汽轮机的工作过程
多级冲动式透平的工作过程
3. 从调节级出来的汽流逐个进入后面的压 力级，在每个压力级中继续膨胀、作功， 汽流压力、温度和焓值逐渐降低
隔板和静叶
1. 汽轮机主轴
2. 主轴上安装若干 个叶轮，叶轮上 安装动叶片
3. 两个叶轮之间装
主轴 叶轮和动叶
有隔板，隔板安 装在汽缸上，隔
图4.1 12000 kW多级冲动式汽轮机示意图 板上装有静叶片
基本单元：透平级 = 静叶栅 + 动叶栅
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多级汽轮机的基本结构
1、多级冲动式透平通流部分基本结构
热力叶轮机械原理
第五章 多级汽轮机
宋立明 副教授 能源与动力工程学院
叶轮机械研究所 E-Mail: songlm@mail.xjtu.edu.cn
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多级汽轮机
概论
多级汽轮 机特殊问 题及解决
的方法
1. 内效率与重热系数 2. 余速利用 3. 级间漏气 4. 湿蒸汽级的能量转换 5. 轴向推力及平衡 6. 热力设计原理
N GHi G hi Ghi Ni
3. 汽轮机的总等熵焓降:
多级汽轮机的膨胀过程线
H s i0 isk
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多级汽轮机的工作过程
多级冲动式透平的内效率及功率
忽略调节阀和汽封漏汽
4. 多级汽轮机的总能量:
GH s
5. 汽轮机的内效率:
T oi

T oi

hi Hs
hsi Hs
s
多级透平热力过程
omi

T oi
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28来自百度文库
问题一：内效率与重热系数
定义：透平效率和级平均效率的比值在
多级透平中永远大于1，大于1的部分叫
做重热系数。
T oi
m oi

hsi 1 ,
Hs
0


T oi
m oi

h1 +h2 hs1 +hs2

hi hsi
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问题一：内效率与重热系数
多级汽轮机的内效率大于级平均内效率
假设2：汽轮机各级的内效率相等。
p0
II. 汽轮机的有效焓降：
Hs1
Hs
2s 2
h2s i Hs2
h1 p2
h2 pz
Hi h1 h2 hi
III. 汽轮机的内效率：
五．轴向推力及其平衡的问题。
六．多级汽轮机热力设计。包括通流部分 形状、级数确定、焓降分配等。
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多级汽轮机原理
概论
多级汽轮 机特殊问 题及解决
的方法
1. 内效率与重热系数 2. 余速利用 3. 级间漏气 4. 湿蒸汽级的能量转换 5. 轴向推力及平衡 6. 热力设计原理
问题一：内效率与重热系数
造价高昂，无法实际应用。
II. 将许多汽轮机级，按压力高低排列，叠置 成为一台多级汽轮机，逐级利用总焓降 。 这种汽轮机叫多级汽轮机。
目的：保证汽轮机效率，提高功率
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多级汽轮机的分类
多级汽机
多级冲动 式汽轮机
多级反动 式汽轮机
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多级汽轮机的基本结构
1、多级冲动式汽机通流部分基本结构
汽轮机内效率为:
T oi

(1.02
~
1.08
)
m oi
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问题一：内效率与重热系数
重热系数绝对值小，但相对变化范围很大。
重热系数的计算：影响因素
1. 设计水平的影响
I.
透平级的平均内效率
； m
oi
II. 透平的内效率oTi；
2. 工作条件的影响
I. 透平的进、排汽参数；
21
反动级
:


u c1
opt

cos1
双列复速级:
u c1
opt

cos 11
4
c1增加，u增加才能保证最佳速比。但u 受到叶轮和叶片材料强度限制。
透平级等熵焓降受最佳速比的限制。
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单级汽轮机功率限制
结论：单级汽轮机的功率受到限制。
Hs
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 KJ / kg
横坐标：汽轮机的总等熵焓降；
纵坐标：级数为无穷多时的重热系数；
参变量：汽轮机进口蒸汽的过热度。
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问题一：内效率与重热系数
重热系数的计算：分析
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I. 过热度为0℃时，整个级组都在湿蒸汽 区工作。湿蒸汽内的压力与温度是对应 的，每一条等压线的斜率不变：
等熵焓降。
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问题一：内效率与重热系数
重热系数的计算：分析
II. 对于5条不同过热度曲线：
0.09
0.08 a ¥
250℃
0.07
过热度200℃
0.06
150℃
0.05 100℃
0.04
50℃ 0.03
0.02
0℃
0.01
Hs
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 KJ / kg
p0
Hs1 2
Hs
2s
h1 p2
hs2
i
Hs2
pz
s
多级透平热力过程
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问题一：内效率与重热系数
重热系数的性质
1.理想过程，没有流动损失:
T oi

m oi
1

0
2.节流过程，不做功:
T oi

0, 较大
3.实际过程，存在流动损失：
T oi

m oi
,
较小
多级透平重热系数： 0.02 ~ 0.08
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多级汽轮机的特殊问题
一．整个汽轮机内效率与每个透平级内效率 平均值的关系问题；
二．余速利用问题，即前一级排汽速度被 下一级利用的可能性以及具体条件；
三． 级间漏汽问题，包括隔板汽封漏汽的 计算和平衡孔的开设；
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多级透平的特殊问题
四．湿蒸汽问题，湿蒸汽引起的损失和水 蚀等问题。
为便于分析，假设汽轮机各级的内效率相等
p0
I. 汽轮机各级内效率：
Hs1
Hs
2s 2
h2s i Hs2
h1 p2
h2 pz
s
多级透平热力过程
m oi
oi

h1 hs1

h2 hs 2

hi hsi

h1

m oi
hs1,
h2

m oi
hs
2

h1 +h2

o（mi hs1
+hs
）
2

II. 透平的级数；
III. 透平的膨胀曲线。
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问题一：内效率与重热系数
重热系数的计算：
0.09
0.08 a ¥
0.07
250℃
绘制条件: 过热度200℃
0.06
150℃
0.05 100℃
0.04
50℃ 0.03
0.02
0℃
级数：
z
级平均内效率：
m oi

0.8
0.01
双列复速级所能利用的等熵焓降250kJ/kg - 340kJ/kg，压比为5。
中压汽轮机焓降1260 kJ/kg，超高压再热 机组总焓降1680 ~2100 kJ/kg，压比1005000。
任何单级汽轮机都不能有效的利用如此大 的焓降和压比。
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汽轮机级的叠置
解决方案：
I. 采用多台单级汽轮机，按压力高低排列， 每台汽轮机分段利用总焓降。
不考虑汽轮机的进、排汽作用，单级 汽轮机的内效率等于级的内效率：
p0
Hs=hs
i
Hi=hi pz
s
单级透平热力过程
1. 级 的 等 熵 焓 降 与 透 平
的等熵焓降相等:
hs = H s
2. 级 的 有 效 焓 降 与 透 平
的有效焓降相等:
hi Hi
3. 级 的 内 效 率 与 透 平 的
内效率相等:
0.09
0.08 a ¥
0.07
di 250℃ ( ds ) p T const
过热度200℃
0.06 0.05
150℃ 100℃
等压线的扩散程
0.04 50℃
0.03
度都相同。因而，
0.02
0℃
重热系数正比于
0.01 0
Hs
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 KJ / kg
II. 流动损失使下一级进口 的温度和焓升高，增加
hs2 i Hs2
h2 pz
s
多级透平热力过程
了下一级理想焓降，提 高了做功能力：
hs1
hsi

H s1 H si


hsi
H si H s
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问题一：内效率与重热系数
多级汽轮机的内效率大于级平均内效率
冲动式
1884年，英国 柏森斯，反动
式7.5KW
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1982年，前苏 联，1200MW单
轴全转速
4
单级汽轮机功率限制
提高单级汽轮机的功率，须提高透平级的 轮周功率。透平级的轮周功率：
Nu Ghs*u
1、蒸汽流量
提高通流面积，提高级的平均直径、采 用长叶片等
受叶轮和叶片材料强度限制，不能无限 制的通过增加流量来提高透平级功率。
静叶
主轴
平衡活塞 轮鼓和动叶
图4.2 反动式多级汽轮机示意图
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1. 汽轮机主轴 2. 主轴上安装若干个
轮鼓，轮鼓上安装 动叶片 3. 静 叶 安 装 在 汽 缸 上；
4. 设 有 平 衡 活 塞 ， 以减小轴向推力
12
多级汽轮机的工作过程
多级冲动式透平的工作过程
1. 在多级汽轮机中蒸汽首先通过主汽阀、调 节阀。
oi

T oi
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问题一：内效率与重热系数
多级汽轮机的内效率大于级平均内效率
假设1：不考虑汽轮机的进、排汽节流作用：
p0
1.汽轮机等熵焓降为Hs：
Hs1
h1 p2
Hs Hs1 Hs2 Hsi
2. 汽 流 首 先 在 第 一 级 叶
Hs
2 2s
片中膨胀，在理想条
Hi Hs

i0 ik i0 isk
6. 汽轮机的内功率:
多级汽轮机的膨胀过程线
Ni
GH i

GH
s
T oi
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多级汽轮机的优点
透平总功率等于每个透平级功率之和：
N Ni
1. 能够实现单机大功率。
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多级汽轮机的优点
2. 多级透平容易获得高效率。
本章讨论的问题
1.为什么要采用多级汽轮机？
2.什么是多级汽轮机？
3.多级汽轮机有什么特点？
4.多级汽轮机带来哪些特殊问题？ 怎样解决？
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3
为什么采用多级汽轮机
汽轮机单机功率不断增加：
火电：1300MW 核电：1700MW
1883年，瑞士 拉阀尔，冲动
式3.8KW
1902年，法 国拉托，多级
2、轮周效率 目前内效率已接近90%，提高有限。
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单级汽轮机功率限制
3、透平级的等熵滞止焓降
焓降增加，导致c1增加。为保证透平级 效率，级速比须在最佳速比范围内：
冲动级:
u c1
opt

cos1
2
带反动度的冲动级:
u c1
opt

cos1
调 节
隔板和静叶
级
4. 多 级 汽 轮 机 的 第 一级：调节级(可 采用双列复速级), 其余级：压力级
5. 汽轮机前后两端安
主轴
装有汽封，内部装
汽封
叶轮和动叶
汽封 有隔板汽封，以减
图4.1 12000 kW多级冲动式汽轮机示意图 小汽轮机的漏汽量
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多级汽轮机的基本结构
2、多级反动式透平通流部分基本结构