汽轮机原理实验指导书(演示性实验含参观

《汽轮机原理》实验指导书

罗向龙

广东工业大学材料与能源学院

二零零七年七月印刷

实验指导书

实验项目名称：汽轮机本体结构及单级冲动原理分析

实验项目性质：专业课实验（演示性）

所属课程名称：汽轮机原理

实验计划学时：2学时

一、实验目的

1．理解汽轮机单级叶轮冲动作用原理；

2．理解单级冲动式汽轮机作用工质能量转换过程；

3．对汽轮机的主要组成部分、本体结构有感性认识，理解汽轮机各组成部分的主要功能；

4．理解叶片强度、叶片振动和机组振动的基本概念以及引起机组振动的主要原因；

5．掌握转子的临界转速的物理意义；

6．熟悉模拟汽轮机通电转动的操作过程；

7．通过灯光模拟工质的流动，熟悉从高压缸经中压缸到低压缸的蒸汽流动方向。

二、演示实验原理

由力学可知，当一运动物体碰到另一静止的或运动速度较低的物体时，就会受到阻碍而改变其速度，同时给阻碍它的物体一个作用力，这个作用力称为冲动力。根据冲量定律，冲动力的大小取决于运动物体的质量和速度变化，质量越大，冲动力越大；速度变化越大，冲动力也越大。若阻碍运动的物体在此力作用下产生了速度变化，则运动物体就做了机械功。

在汽轮机中，如图1冲动式汽轮机工作原理图,蒸汽在喷嘴中发生膨胀，压力降低，速度增加，热能转变为动能。高速汽流流经动叶片3时，由于汽流方向改变，产生了对叶片的冲动力，推动叶轮2旋转做功，将蒸汽的动能变成轴旋转的机械能。这种利用冲动力做功的原理，称为冲动作用原理。

单级冲动式汽轮机工作原理图如图2。蒸汽在喷嘴中发生膨胀，压力由p0降至p1，流速从c0增至c1，将蒸汽的热能转变为动能。蒸汽进入动叶栅后，改变流动方向，产生了冲动作用力使叶轮旋转做功，将蒸汽动能转变为转子的机械能。蒸汽离开动叶栅的速度降至c2。由于蒸汽在动叶栅中不膨胀，所以动叶栅前后压力相等，即p1=p2。

图1. 冲动式汽轮机工作原理图图2单级冲动式汽轮机工作原理图

汽轮机由转动部分和静止部分所组成。汽轮机转动部件的组合体称为转子，它包括主轴、叶轮(或转鼓)、动叶栅、联轴器及装在轴上的其他零件。蒸汽作用在动叶栅上的力矩，通过叶轮、主轴和联轴器传递给发电机或其他设备，并使它们旋转而做功。汽轮机的静止部分包括基础、台板(机座)、汽缸、喷嘴、隔板、汽封、轴承等部件，但主要是汽缸和隔板。

汽轮机转子在高温蒸汽中高速旋转，不仅要承受汽流的作用力和由叶片、叶轮本身离心力所引起的应力，而且还承受着由温度差所引起的热应力。转子（汽轮机所有转动部位的组合）上的叶轮是一种圆盘形的零件，它一般由轮缘、轮体(轮面)和轮壳三部分组成。轮缘用来固定叶片，其具体结构与叶片的受力情况及叶根形状有关，大多数轮缘具有比轮体大的截面。轮壳是叶轮套于主轴上的配合部分，故只有套装转子才有，其结构取决于叶轮在主轴上的套装方式，为了保证轮壳有足够的强度，轮壳部分一般都要加厚。轮体是叶轮的中间部分，它起着连接轮缘与轮壳的作用，其断面应根据受力情况来确定。

叶片通过叶根固定在叶轮上，叶根与叶轮的连接应该牢固可靠，而且应保证叶片在任何运行条件下不会松动。同时，叶根的结构应在满足强度的条件下尽量简单，使制造、安装方便，并使叶轮轮缘的轴向尺寸为最小。随着动叶片的圆周速度和长度的不同，其叶根所受的作用力也不同，这就需要采用不同的叶根结构型式。由于各制造厂有不同的经验和习惯，因而叶根的结构型式很多。不同形式的叶根在轮缘上的装配情况也不同。叶型部分是叶片的工作部分，相邻叶片的叶型部分组成蒸汽的流道。叶型部分有两种型式：一种是截面沿叶高方向相同的等截面叶片；另一种是截面沿叶高方向变化的扭曲叶片。前者制造工艺简单，成本较低，但气动特性较差，适用于叶片相对高度较小的短叶片；后者气动特性较好，并具有较高的强度，但制造工艺较复杂，成本较高，适用于长叶片。

汽缸是汽轮机的外壳。其作用是将汽轮机的通流部分与大气隔开，将蒸汽包容在汽缸中膨胀做功，完成其能量转换过程。汽缸内部装有喷嘴室、喷嘴、隔板套、隔板和汽封等静止零部件，它们与转子上相应的运动部件相配合，共同工作。汽缸和隔板是汽轮机主要的静止部分结构。根据机组功率的不同，汽轮机有单缸和多缸结构。在我国，一般功率在100MW以下的汽轮机多采用单缸结构，功率在100MW以上的汽轮机采用多缸结构。高、中压部分汽缸均为铸造结构，低压排汽缸除功率较小的采用铸造结构外，大功率机组多采用钢板焊接结构或小铸件和钢板焊接的组合结构。汽缸从高压向低压方向看，大致上呈圆简形或圆锥形。为了便于加工、安装及检修，汽缸一般做成水平对分式，即分为上、下汽缸，水平结合面一般用法兰螺栓连接，另外，为了合理利用材料和便于加工、运输，汽缸也常按缸内压力高低沿轴向分为几段，垂直结合面也采用法兰螺栓连接，由于垂直结合面一般不需拆卸，为保证其严密性，有些汽缸还在结合面的内圆加以密封焊。

汽缸的高、中压段或高中压缸，在运行中承受其内部蒸汽较高压力和较高温度的作用。汽缸的低压段或低压缸尾部，在运动时其内部压力低于大气压力，因而承受着大气压力的作用。由此可见，汽缸壁必须具有一定的厚度，以满足强度和刚度的要求。水平法兰的厚度更大，以保证结合面的严密性。汽缸的形状要尽可能简单、均匀和对称，使其能均匀的膨胀和收缩，以减少热应力和应力集中。

将汽轮机末级动叶排出的蒸汽导入凝汽器的部分称为排汽缸。排汽缸工作在真空状态下，尺寸又很大。设计时主要应保证它有足够的刚性，并具有良好的流动特性以回收排汽动能。

汽轮机总体布置型式包括汽缸、排汽口(又称“流”)及转轴数量和布置方式。汽轮机总体布置型式取决于汽轮机的新蒸汽参数和汽轮机功率。对于高参数汽轮机，其蒸汽比焓降大，级数多，进汽和排汽比容相差大，导致高压和低压部分流通截面相差悬殊，因而必须采用双缸或多缸结构。对于大功率汽轮机，低压部分往往采用双缸或多缸，排汽口相应增加。在总体配置上，饱和汽轮机组总是设计成高压缸和一组低压缸串级式配置，在进入低压缸前设置有汽水分离再热器，有的设计在汽水分离再热器和低压缸之间设置中压缸或中压段。

三、演示（观察）内容

第一部分：汽轮机冲动原理演示仪，如图3。

模型尺寸：直径250mm ，模型比例1：20。

主要观察点：汽轮机单级叶轮、叶片、喷嘴、支架等，用风代替蒸汽，模拟吹动轮机转动。可以看到汽轮机在风的吹动下旋转。

图3汽轮机冲动原理演示仪