1汽轮机工作原理[1]

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。
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。
汽轮机原理
任课教师：张丁旺 联系电话：021-54748084
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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。
1.3.2 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
型式
凝汽式 背压式 一次调节抽汽式 两次调节抽汽式
代号
CB CY Y HN
型式
抽汽背压式 船用 移动式
核电汽轮机
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➢汽轮机型号示例
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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 Δht*
Δhb Δhn* Δhb
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
ccr，参数都称为临界参数，如pcr，vcr等。
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1.1.2 促使流动变化的条件
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
然降低，如果压力升高，则流速必然降低。
2. 几何条件(截面变化与流速之间的关系)
将运动方程式 vdp cdc 代入等熵过程分方程式 dp k dv 0有
略汽流进出系统的势能变化，则系统的能量方程可写为：
h0
c02 2
gz0
q
h1
c12 2
gz1
wi
h0
c02 2
h1
c12 2
wi
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： a dp
2 Adp dR dm dc
dt
dt
dm Adx / v R dR dm ⇒ vdp Rdx cdc
对等熵流动，R =0，则 vdp cdc
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
因此，速度的变化需两个条件：①压差—力7学条件；②通道形状变化—2几020何/5/条20 件
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
对水蒸汽=18.016，R=461.26[J/(kg∙K)]。
理想气体的焓
h
cpT
k RT k 1
k k 1
pv
等熵膨胀过程方程
pvk p / k 常数
dp k dv 0 pv
dp k d 0 p
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2.
连续性方程
即质量平衡方程: qm
或
A1c1 A2c2
Ac v
常数
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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。
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
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。
v1
v2
连续性方程的微分形式:
dA dc dv 0
Ac v
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
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
Ap ( p dp )dA ( p dp)( A dA) dR dm dc
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
•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。
反动级的特点是：
* Ωm=0.5 * p1 p2 * hb hn* 0.5ht* * 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
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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。
⑴ N100-8.83(90)/535
凝汽式汽轮机，额定功率100MW，初压8.83MPa，初温535℃
⑵ N300-16.67(170)/538/538
(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℃
⑶ CC25-8.83/1.27(13)/0.226(2.3)-3
dv v
1 k
dp p
cdc kpv
c2 a2
dc c
M
2
dc c
代入连续性方程有
p
v
dA dc M 2 dc 0 dA (M 2 1) dc
Ac
c
A
c
可见，c↑时A应扩大还是缩小取决于M ⋛ 1?
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。
▪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。
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1.3 汽轮机的分类及型号
1.3.1 汽轮机的分类
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)
•按结构特点：
①单缸、双缸或多缸汽轮机；②单轴、双轴汽轮机等
•还可按功率大小、汽流方向等进行划分 17
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•按工作原理：
①冲动式汽轮机；②反动式汽轮机
•按热力过程：
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
•按用途：
①电站汽轮机；②工业汽轮机；③船用汽轮机等
•按新汽压力：
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)
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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 ( C h a r l e s Parsons) 1884年设计
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。
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。
d
将等熵过程微分方程式 dp k d 0 代入上式得
p
a
kp
kpv
kRT
音速标志了工质可压缩性的大小， 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
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]。百度文库
③当M=1，即c=a时，称为临界。 dA=0，最小截面。
➢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
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1.1 预备知识
1.1.1 热力学及流体力学的一些基本公式
➢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
1. 状态及过程方程式
理想气体的状态方程
pv RT
理想气体的定压比热
k cp k 1 R
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。
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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
•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