汽轮机工作原理

冲动作用原理的特点是汽流在动叶汽道中不膨胀加速而只改变方 向；反动作用原理的特点是汽流在动叶汽道内不仅改变方向，而且 还进行膨胀加速。
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1.2.1.2 级的反动度Ωm 定义 ： 蒸汽在动叶汽道内膨胀时
的理想焓降∆hb与整个级的滞止理想 焓降∆ht*之比
m
Δhb Δhb * Δht* Δhn Δhb
•按结构特点：
•还可按功率大小、汽流方向等进行划分
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•带反动度的冲动级
纯冲动级的作功能力大，而反动 级的效率高。因此实际中的冲动级 将 反 动 度 选 在 00.5 之 间 ， 一 般 取 Ωm=0.05~0.20 。习 惯 上讲这 种级 称 为冲动级。 这种级的特点是：蒸汽的膨胀大 部分发生在喷嘴叶栅中，只有小部 分在动叶栅中发生，故其动叶通道 也稍有收缩。 这种级具有纯冲动级及反动级的 共同优点 现代大型汽轮机中，为了获得尽 可能高的效率，更普遍地采用了反 动级。
p v dv 1 dp cdc c 2 dc 2 dc 代入连续性方程有 2 M v k p kpv a c c 可见，c↑时A应扩大还是缩小取决于M dA dc dc dA dc M2 0 ( M 2 1) ⋛ 1? A c c A c
①当 M<1( 亚音速 ), 即 c<a 时， dA与 dc 符号相反。膨胀 (c↑): 面积应渐缩 . 扩压(p↑c↓):面积应渐扩。 ②当 M>1( 超音速 ), 即 c>a 时， dA 与 dc 符号相同。膨胀 (c↑): 面积应渐扩 . 扩压(p↑c↓):面积应渐缩。 可见，若要使汽流从亚音速变为超 音速 ( 膨胀加速 ) ，管道 ( 喷管 ) 的形状 应先渐缩 — 再渐扩 [ 称为缩放喷嘴或 拉伐尔(De laval)喷嘴]。 ③当M=1，即c=a时，称为临界。 dA=0，最小截面。 因此，速度的变化需两个条件：①压差—力学条件；②通道形状变化 —2014-8-21 几何条件 7
•冲动作用原理——当一运动物体碰到另一静止的或运动速度比它低 的物体时，就会受到阻碍而改变其速度的大小及方向，同时给阻碍 它运动的物体一作用力，这个力称为冲动力，其大小取决于运动物 体的质量和它的速度变化。 在汽轮机中，从喷嘴流出的高速蒸汽通过动叶汽道时，其流动方 向改变，因而对叶片产生一冲击力，推动叶轮运动，作出机械功。 这就是冲动作用原理。 •反动作用原理——反动力是由原来静止或运动速度较小的物体，在 离开或通过另一物体时，聚然获得一个较大的速度而产生的。 在汽轮机中，当蒸汽在动叶片构成的汽道内膨胀加速时，汽流必 然对动叶作用一个由于加速而产生的反动力，推动叶轮运动，作出 机械功。这就是反动作用原理。
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1.1.2 促使流动变化的条件
然降低，如果压力升高，则流速必然降低。
1. 力学条件(速度变化与压力变化之关系) 由运动方程式 vdp cdc 知：在气体流动中，如果流速是增加的，则压力必 2. 几何条件(截面变化与流速之间的关系) dp dv k 0有 将运动方程式 vdp cdc 代入等熵过程分方程式
1.1 预备知识
1.1.1 热力学及流体力学的一些基本公式 1. 状态及过程方程式 pv RT 理想气体的状态方程 k c R 理想气体的定压比热 p k 1 式中 k—等熵指数。对于过热蒸汽k=1.3；对干饱和蒸汽k=1.135; 对湿蒸汽k=1.035+0.1x，x表示膨胀过程初态蒸汽干度 R—气体常数。R=R/=8410/[J/(kg∙K)] R为通用气体常数=8410J/(kmol∙K)，为气体分子量。 对水蒸汽=18.016，R=461.26[J/(kg∙K)]。 k k h cpT RT pv 理想气体的焓 k 1 k 1 pvk p / k 常数 等熵膨胀过程方程
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•三种级的比较
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1.2.2.2 按结构分
单列级与双列复速级
双列复速级简称复速级，由美国工程师寇蒂 斯 (Curtis) 于 1900 年前后创造。实际上是冲动级 的一种延伸。 作功能力比单列冲动级的大； 常用于单级汽轮机或中小型汽轮机的第一级； 以利用蒸汽的速度为主，也称其为速度级； 为提高级效率，通常选取(510%)的反动度。
按照 Ωm=0.5 的条件设计的级叫作 反动级。在反动级中，蒸汽的热能 转变为动能的过程，不仅发生在喷 嘴叶栅中，也发生在动叶栅中，而 且这种转变在喷嘴和动叶中大约各 完成一半。 反动级的特点是： * Ωm=0.5 * p1 p2 * * h h 0 . 5 h * b n t * 喷嘴通道及动叶通道都为渐缩 型动、静叶片型状相同，反向安装
•纯冲动级：按照Ωm=0的条件设计的 级叫作纯冲动级。在纯冲动级中， 热能到动能的转换在喷嘴中进行， 而在动叶中只有动能到(机械能)轮周 功的转换。
纯冲动级的特点是： * Ωm=0 * p1 p2 * * hb 0 ht* hn * 动叶通流截面沿流道不变
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•反动级
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汽轮机发展史
第一台轴流式汽轮机由瑞典工程师拉伐尔(De Laval)1883年创造
冲动式，容量3.7kW，转速26000r/min，轮周速度475m/s。拉伐尔解决了等强 度轮盘，挠性轴和缩放喷嘴等较复杂的技术问题。
第一台多级反动式汽轮机由英国工程师查尔斯 · 帕森斯 (Charles Parsons) 1884年设计 1903年至1907年间，出现了热能电能联合生产的汽轮机，即背压 式及调节抽汽式汽轮机；1920年左右，出现了给水回热式汽轮机； 1925年，生产出第一台中间再热式汽轮机 20世纪70年代，美国生产了最大单机功率为 1300MW的双轴汽轮 机，1980年前苏联制造的 1200MW五缸六排汽一次中间再热超临界 单轴汽轮机投入运行 1955年，上汽厂制造了中国第一台功率为6MW的汽轮机，此后我 国 分 别 设 计 制 造 出 了 50MW 、 100MW 、 125MW 、 200MW 和 300MW 等容量的凝汽式汽轮机及不同容量和型式的供热式汽轮机。 80年代，我国引进消化技术，自行制造出了 300MW及600MW亚临 界凝汽式机组。目前我国已具备生产百万级机组的能力。 上汽厂、哈汽厂和东方厂——北重、青汽和武——杭汽、南汽等 美国的通用电气公司 (GE) ，西屋电气公司 (WH) 。瑞士 ABB 、法 国的阿尔斯通 —— 大西洋公司 (AA) 。俄罗斯的列宁格勒金属工厂 (ЛМ3)。日本的三大企业：日立、东芝及三菱等。 3 2014-8-21
dp dv k 0 p v
dp d k 0 p
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2. 连续性方程 Ac q 常数 即质量平衡方程: m v A1c1 A2c2 或 v1 v2 dA dc dv 连续性方程的微分形式: 0 A c v 3. 运动方程式 ——蒸汽流动变化与作用于流体上的力 的关系式 微元段上的力:压力p及阻力dR，重力垂 直流动方向，在运动方向上的分量为零 dp dc Ap ( p )dA ( p dp )( A dA) dR dm 2 dt dc Adp dR dm dt dm Adx / v R dR dm ⇒ vdp Rdx cdc 对等熵流动，R =0，则 vdp cdc
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1.3 汽轮机的分类及型号
1.3.1 汽轮机的分类 •按工作原理： •按热力过程：
•按用途：
①冲动式汽轮机；②反动式汽轮机 ①凝汽式汽轮机；②背压式汽轮机；③调节抽汽式汽轮机 ④抽汽背压式汽轮机；⑤多压式汽轮机等
•按新汽压力：
①电站汽轮机；②工业汽轮机；③船用汽轮机等
①低压汽轮机(1.5MPa) ②中压汽轮机(24MPa，我国定型产品为3.43MPa) ③高压汽轮机(610MPa，我国定型产品为8.83MPa) ④超高压汽轮机(1214MPa，我国定型12.75及13.24MPa) ⑤亚临界压力汽轮机(1618MPa，我国定型16.18及16.67MPa) ⑥超临界压力汽轮机(22.6MPa)
汽轮机原理
任课教师：张丁旺 联系电话：021-54748084 13501860320 E-mail：zdw@sjtu.edu.cn
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第一章 汽轮机工作原理
概述
汽轮机——一种将蒸汽的热能转变为机械功的旋转式原动机
•优点 —— 单机功率大，热经济性高，运行平稳可靠，使 用寿命长，单位功率造价低，能使用各种廉价燃料等。 •缺点 —— 体积庞大、变负荷能力差，必须配套有锅炉、 凝汽器、水泵、给水处理等大型设备以及给水回热等复杂 的热力系统。因而机动性差，不便用于移动式装备中。 •用途： 现代火力发电厂和核电厂的主要原动机 可作为大型船舶及军舰的推进动力 冶金、化工等部门用以驱动各种大型工作机 供热式汽轮机还可满足生产和生活用汽、用热的需要， 实现高效益的热电联合生产。
1.2 汽轮机基本工作原理及级的概念
汽轮机是利用蒸汽的 热能来作功的旋转机械 ， 因此它的工作原理是基 于热能转换为机械能的 理论。 •级 —— 喷嘴和与其配合 的动叶栅所构成的汽轮 机基本作功单元。 单级汽轮机与多级汽 轮机
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1.2.1 级的作功原理与反动度
1.2.1.1 级的作功原理
表明了稳定流动中通流截面与汽流速度及蒸汽比容之间的变化关系
式中负号说明在无损失的流动过程中，压力和速度的变化方向相反
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4. 能量方程式 对于稳定流动，进入系统的能量必然等于离开系统的能量。若忽 略汽流进出系统的势能变化，则系统的能量方程可写为： 2 2 c0 c12 c0 c12 h0 gz0 q h1 gz1 wi h0 h1 wi 2 2 2 2 5. 音速与马赫数M 研究气体的流动经常用到临界概念，因此必须首先给出音速表达 式。音速实际上就是压力波的传播速度。根据小压力扰动理论，音 速a可以表示为： dp a d dp d 将等熵过程微分方程式 k 0 代入上式得 p p 音速标志了工质可压缩性的大小， a k kpv kRT 是流体的一个状态参数 对理想气体，k =cp/cv只是温度的函数，故音速也只是温度的函数 流体的速度c与当地音速a的比值叫作马赫数M。即 M c a M=1 时的气流状态称为临界状态，此时气流速度 c 称为临界速度 ccr，参数都称为临界参数，如pcr，vcr等。
Ωm 表示了蒸汽在动叶汽道内的膨 胀程度。实际上， Ωm 沿直径是增加 的。下标m为平均直径。 当级的理想滞止焓降及反动度确 定后，便可根据上式来确定喷嘴和 动叶的理想焓降，即
* Δhn (1 m )Δht*
Δhb mΔht*
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1.2.2 级的分类和特点
1.2.2.1 按反动度分 分为纯冲动级，反动级，带反动度的冲动级三种
1.2.2.3 其他分类
按级的工作特性将其分为调节级和压力级 采用喷嘴调节汽轮机的通流面积随负荷变化 而变化的第一级称为调节级 中小容量机组的调节级一般采用复速级 末级与中间级 孤立级 调节级及末级的余速动能通常不能被利用
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1.2.3 叶栅几何特性
汽轮机叶栅是由许多 相同叶片以同样的间距 和安装角度排列在某一 几何面上而形成的栅型 汽流通道。 叶片高度 ℓ( 喷嘴高度 ℓn 及动叶高度ℓb) 平均直径dm(dn及db) 叶 片 的 横 截 面 形 状 称 为叶型,其周线称为型线 若 叶 片 型 线 沿 叶 高 不 变，则称为等截面叶片 , 若叶片型线沿叶高变化 , 则为变截面叶片。