常规岛-汽机原理与结构

•汽轮机发电机组的设备组成
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
2.1 级的作功原理
•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。
2. 容积流量大
由于湿蒸汽汽轮机的参数低、理想焓降小以及效率较 低 ， 因而 蒸 汽容 积 流量 比 同功 率 的高 参 数汽 轮 机约 大 60%~100%(如300MW核汽轮机的蒸汽流量约为2000t/h， 相当于600MW的火电机组)。由此导致核汽轮机的下列特 点： (1) 进汽机构的尺寸增大 ； (2) 功率大于600~800MW汽轮机的高压缸已做成双分流 结构 ； (3) 调节级的叶片高度大，故弯曲应力较大，因此采用 部分进汽困难，不宜采用喷嘴调节； (4) 低压缸通流量大，因而排汽的余速损失对热效率有 更大的影响，这就要求增大排汽面积以降低余速损失，同 时须提高排汽管中的速度动能利用系数。
湿蒸汽中的水珠还会使叶片顶部进汽边背弧受到冲蚀
2.6 核电站湿蒸汽汽轮机的特点
1. 蒸汽参数低，在一定范围内变化
绝大多数核电站汽轮机是利用湿蒸汽工作的，这对汽轮机的设计和构造有着重 要的影响。与常规电站汽轮机相比，核电站汽轮机的主要特点有：
蒸汽参数低的原因：压水堆核电厂二回路新蒸汽参数取决于一回路冷却剂温 度。为了保证反应堆的安全稳定运行，不允许一回路冷却剂沸腾(过冷水)。即一 回路冷却剂温度取决于一回路压力，而一回路压力应按照反应堆压力容器的计算 极限压力选取。另外， 核燃料芯块的锆合金 包壳与水的相容温度 不允许超过350℃。 况且，水的临界温度 为374.15℃，因而一 回路冷却剂温度提高 有限。因此压水堆核 电厂二回路的蒸汽参 数不可能取高。 通常，蒸汽压力为 5.0~7.0MPa，温度为 260~285℃。
2.3.3 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
2.4 汽轮机的分类及型号
2.4.1 汽轮机的分类 •按工作原理： •按热力过程：
4. 部分进汽损失δhe 鼓风损失
鼓风损失发生在与不装喷嘴的弧段对应的动叶通道内。 当旋转着的动叶通过无喷嘴的“死区”弧段时，动叶片就象鼓 风机一样，将“死区”中基本处于静止状态的蒸汽从一侧鼓到另 一侧,因此需消耗一部分轮周功。 部分进汽度e越小,非工作区弧段越长，此项损失也就越大。 采用护套装臵把“死区”内的动叶罩住可有效减小此项损失。
⑵ N300-16.67(170)/538/538
凝汽式汽轮机，额定功率100MW，初压8.83MPa，初温535℃
⑶ CC25-8.83/1.27(13)/0.226(2.3)-3 ⑷ B25-8.83/0.98
抽汽背压式汽轮机，额定功率 25MW，初压 8.83MPa，抽汽压力 1.47MPa，背压0.49MPa
•按结构特点：
•还可按功率大小、汽流方向等进行划分
①单缸、双缸或多缸汽轮机；②单轴、双轴汽轮机等
2.4.2 汽轮机型号
Δ ×××-××-× 变型设计序数 蒸汽参数(不同型式有不同含义) 额定功率(MW) 汽轮机型式代号
国产汽轮机型式代号
代号
N B C CC
型
凝汽式 Βιβλιοθήκη Baidu压式
式
代号
CB CY Y HN
5. 漏汽损失δhδ 冲动级 隔板漏汽损失 叶顶漏汽损失 减小措施： 设臵汽封 轮盘上开设平衡孔 选取合理的反动度， 尽量使叶根处不吸不漏
反动级 反动级采用转鼓结构，其漏汽损失比 冲动级大。 内径汽封的漏汽量比冲动级的隔板漏汽 量大，原因是汽封直径较大而汽封齿数 却较少 由于动叶前后的压差较大，所以叶顶漏 汽量也相当可观。
•三种级的比较
2.3.2 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。
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*
2.3级的分类和特点
2.3.1 按反动度分 分为纯冲动级，反动级，带反动度的冲动级三种
失急剧增大。
2. 扇形损失δhθ 平均直径以外的其它截面上的节距、圆 周速度和进汽角等偏离最佳值而产生的流 动损失 等截面直叶片级的轴向间隙中存在的由 内径向外径逐渐增加压力梯度产生径向流 动损失 扇形损失的大小与径高比 θ 有密切的 关系(与θ 2成反比)。θ越小，扇形损失就越 大。一般当 θ 较大 ( 如 >8~12) 而又采用等截 面直叶片时存在扇形损失。采用扭叶片虽 加工较困难，但却避免了扇形损失。 3. 叶轮(包括围带)摩擦损失δhf 圆柱面上的速度梯度引起的摩擦损失 子午面内的涡流运动引起的损失
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。
2.2 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
⑸ CB25-8.83/1.47/0.49
背压式汽轮机，额定功率25MW，初压8.83MPa，背压0.98MPa
2.5 级内损失与级效率
2.3.4.1 级内损失 喷管损失δhn，动叶损失δhb，余速损失δhc2，叶高损失δhℓ，扇形 损失 δhθ ，叶轮摩擦损失 δhf ，部分进汽损失 δhe ，漏汽损失 δhδ 和湿 汽损失δhx。 1. 叶高损失δhℓ 工程上为方便计算将其单 独分出来。而在计算喷嘴损 失时取 φ=0.97 ，动叶速度系 数ψ用图中的曲线查取。 叶高损失实际上是喷嘴和 动叶汽道上下端壁附面层内 的摩擦和二次流所造成的损 失，其大小与叶高有着密切 的关系，当叶片高度较大时, 当叶高小于12~15mm时，叶道根部 二次流对主流的影响较弱， 与顶部的双旋涡将汇合，充满了整个 这时叶高损失就较小；反之 汽道，严重地扰乱了主流，使叶高损 叶高损失就较大。
•蒸汽参数低的结果
蒸汽参数低使得: (1)循环热效率低 最先进的压水堆核电站的循环热效率 仅有36%,约为先进火电机组的70%左右。 (2)理想焓降小 多级湿蒸汽汽轮机的理想焓降比高参数 汽轮机的约小30%~40%，因此： ①大多数湿蒸汽汽轮机中没有中压缸； ②低压缸发出的功率约占整个机组的 50%~60%[而在火 电厂高参数机组中低压缸约占 30%~40%左右]，因此低压 缸对机组的相对内效率具有更大的影响; ③蒸汽在进汽机构、外臵式分离再热器中的压力损失， 对机组的热效率有很大影响，应尽可能改善这些部件的气 动力学性能。
型
船 用
式
抽汽背压式
一次调节抽汽式 两次调节抽汽式
移动式 核电汽轮机
汽轮机型号示例
⑴ N100-8.83(90)/535
(一次中间再热 )凝汽式汽轮机，额定功率 300MW,初压 16.67MPa, 初温538℃，再热汽温538℃ 两次调节抽汽式汽轮机，额定功率25MW,初压8.83MPa,高压调节 抽汽压力1.27MPa,低压调节抽汽压力0.226MPa,第3次变形设计
•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中间再热式汽轮机等
•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)
斥汽损失
斥汽损失发生在装有喷嘴的弧段内。 当动叶由非工作段进入工作弧段时 ,喷嘴
中射出的高速汽流须推出汽道中的停滞蒸 汽，从而消耗了工作蒸汽的一部分动能。 由于叶轮高速旋转的作用 ,在喷嘴组出口 端 A处产生漏汽引起损失。并且反动度越 大，这种漏汽越严重；而在喷嘴组进入端 B则产生抽汽，将一部分停滞蒸汽吸入动 叶汽道，干扰了主流引起损失。 由于动叶每经过一组喷嘴弧段时就要发生一次斥汽损失。所以在相同部分进汽 度下，喷嘴沿圆周分布组数越多，斥汽损失就越大。
3. 核汽轮机大多数级处于湿蒸汽区
由于新蒸汽是饱和汽，膨胀后即进入湿汽区。因而核汽 轮机大多数级处于湿蒸汽区。可以近似地认为，排汽平均 湿度每增大1%，汽轮机的相对内效率约降低1%。且湿蒸 汽膨胀所形成的水分对汽轮机通流部分元件及其他过流设 备会产生冲蚀破坏作用。 为此，湿蒸汽汽轮机高、低压缸中都必须采用有效的去 湿结构和防腐措施，而且饱和蒸汽汽轮机毫无例外地设有 外部汽水分离器。 外部汽水分离器通常设臵在高、低压缸之间，并且同时 使用中间再热。再热器通常分为两段，首先用高压缸抽汽 对汽水分离器分离出来的蒸汽进行再热，然后再用高温主 蒸汽再行加热。采用再热的核电站汽轮机的分缸压力通常 为新蒸汽压力的18%~23%。
湿蒸汽凝结成水减少了作功蒸汽量； 高速蒸汽挟带低速水珠 需消耗部分动能； 水珠进入动叶时将撞击 在动叶进口处的背弧上， 从而产生了撞击损失； 水珠进入下级时也要撞 击在喷嘴进口处的背弧 上，从而扰乱了主流， 形成损失； 捕水装臵不可避免地抽出了一部分蒸汽造成工质损失。
6. 湿汽损失δhx
•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。
核电站汽轮机原理与结构
1 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。
•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
•反动级
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