多级汽轮机
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19
2、叶轮
F2 A2 pd p2 A2d p0 p2
叶轮的受力面积A2？ 叶轮前的压力pd=? 根据漏汽量平衡：
隔板漏汽量＋动叶根部漏汽量＝平衡孔漏汽量
隔板漏汽量：
G1
1 A1
z
21 d p0 p2
vd
20
平衡孔漏汽量：
G2 2 A2
2d p0 p2
vd
叶根漏汽量： 先求叶根间隙的压差：
增加排汽面积方法：
1）增大直径（转子制造成本、离心应力）；
2）增大叶高（半速技术、叶片制造成本、离心 应力）；
3）增大排汽口数（制造成本、轴系长度）。
17
末级排汽压力与环境条件及冷却方式有关： 1）低压末级排汽比容随压力变化很大，故排汽
面积的选择与排汽压力关联性很强； 2）我国南方和北方年平均温度差异较大，南方
机组排汽压力高、排汽比容小，北方相反； 3）环境温度随季节变化，开式循环与闭式循环，
水冷与空冷，排汽压力也会变化。
18
第三节 轴向推力及其平衡
汽轮机的转子受到轴向推力，在轴向固定转子时需要 施加一反力给予平衡。
一、冲动式汽轮机的轴向推力 1、动叶
F1 Gc1 sin1 c2 sin2 dmlb p1 p2 F1 dmlb p1 p2 dmlb p p0 p2 F1 dmlbm p0 p2
33
三段二室
34
35
课堂练习
1、冲动式汽轮机沿蒸汽膨胀流程反动度与焓 降逐级增大的原因是什么？ 2、在等直径曲径汽封中，如果发生临界流动 只可能在最后一道汽封齿，为什么？ 3、三段二室轴封系统是如何保证空气不漏入、 蒸汽不漏出的？
36
The End
第二章 多级汽轮机
提高单级汽轮机功率： （1）增大进汽量 （2）增大有效比焓降 但遇到以下难题： （1）如果比焓降很大，喷嘴出口汽流的马赫 数很大，流动损失很大 （2）如果压力比很小，蒸汽比容变化大，则 叶片无法制造 多级，例如哈汽N600汽轮机：高压缸1+10级， 中压缸2*9级，低压缸4*7级，焓降 1559kJ/kg，平均每级57.7kJ/kg
2
第一节 多级汽轮机的特点 第二节 进汽排汽损失和热力过程线 第三节 轴向推力及其平衡 第四节 轴封及其系统
3
第一节 多级汽轮机的特点
单个级的焓降小，易使每个级在直径较小的情 况下工作于最佳速比 各级的余速动能可以被下一级利用 叶片中汽流多为亚音速，减小流动损失 级的直径较小，当面积一定时可增加叶高 整机的焓降大，可采用回热、再热技术，提高 循环热效率 重热现象可部分弥补级内损失，提高整机效率 单位功率造价低
12
进汽阀门节流损失
蒸汽在进汽通道上的 流动过程属于绝热等 焓过程 由于节流过程引起汽 轮机理想焓降减小 高压进汽部分的压损： 2％～5％p0 再热管道部分的压损： 8％～12％ pr0
13
Westinghouse600MW汽轮机高压主气门
14
排汽管阻力损失
在排汽管进出口建立伯努利方程：
p1
6、汽耗率 单位发电量所用蒸汽量
7、热耗率 单位发电量所用热量
10
课堂练习
1、汽轮机的进汽温度升高后，通流部分的内 效率将如何变化？ 2、上述指标中，哪一个最能反映级和级组的 经济性？哪一个最能反映汽轮发电机组的经济 性？ 3、如何评价一个热力发电厂的经济性（锅炉、 管道、汽轮机、发电机）？
11
第二节 进汽排汽损失和热力过程线
二、反动式汽轮机的轴向推力
方法与冲动式的基本相同 不需计算叶根漏汽量
22
轴向推力的平衡
平衡活塞——反动式
23
对称布置
24
推力轴承
25
第四节 轴封及其系统
轴封的作用： 1）防止高压蒸汽漏出汽缸 2）防止空气漏入低压缸 轴封的类型： 1）梳齿式（曲径式） 2）蜂窝式 3）刷式
26
蜂窝式密封
优点： 在最小的材料质量下能保证密封具有最大的强度 允许在高压降下应用且不增加密封的尺寸 装配简单，比梳齿密封具有更好的转子动力学特性 使用可磨损材料，比梳齿密封减少泄漏量 应用： 离心式高压压缩机（航天飞机高压液氧涡轮泵） 汽轮机低压缸末级叶片的顶部密封（吸附水滴）
30
31
2、漏汽量 1）最后一片孔口亚音速
Gl l Al
0
p02
p
2 z
zp0
2）最后一片孔口达到音速
Gl l Al
0 p0
z 1.25
当 pz 0.82 p0 z 1.25
3）流量系数
4）漏汽量单一表达式
32
轴封系统
1、轴封系统示例
2、轴封系统特点 1）轴封汽的利用 2）低压低温汽源的利用 3）防止蒸汽漏入大气 4）防止空气漏入真空部分
9、进入饱和区，湿汽损 失增大
10、效率排名：中压段 > 低压段 > 高压段
9
汽轮机装置评价指标
1、相对内效率 汽轮机有效焓降÷汽轮机理想焓降
2、机械效率 汽轮机轴端功率÷汽轮机内功率
3、发电机效率 发电机出线端功率÷汽轮机轴端功率
4、汽轮发电机组的相对电效率 相对内效率×机械效率×发电机效率
5、汽轮发电机组的绝对电效率 循环热效率×相对电效率
28
刷毛材料一般为钴基耐热合金Haynes25，轴表面喷涂 一层硬质涂层如陶瓷ZrO等。
29
曲径轴封
1、工作原理 蒸汽在汽封中的流动当作绝热等焓过程。 蒸汽在流经汽封片时节流加速，然后在腔室中产生涡 流，将汽流动能转变为热能。 随压力降低，蒸汽比容增大，故对相同结构的汽封， 汽流速度是逐级增大。 轴封孔口可视为一个渐缩喷嘴，则孔口流速最高可达 当地音速。 因膨胀后焓值变小、音速降低，因此在汽封中如果出 现超临界流动，只能在最后一个汽封片处出现。
27
刷式密封
刷式密封是现代先进透平机械发展的关键技术之一，已 应用于航空发动机、工业燃气轮机和汽轮机等叶轮机械。 如Siemens Westinghouse的501E燃气轮机、空中客车 A320、欧洲幻影2000、美国F15、F16、F22等飞机的发 动机。 刷式密封在转子瞬间大幅径向位移后可保持密封间隙不 变。 其泄漏量是梳齿密封的1/5～1/10，使发动机耗油率降低 约2%，并能改善转子运行的稳定性。 刷式密封可以承受的转子线速度为305m/s, 运行温度达 690℃。 刷毛是直径一般为0.05～0.07mm 的细金属丝,其自由端 与轴表面接触。
蒸汽比容增大引起叶高增大；
最佳速比把u和c1联系起来； 直径增大，u增大，c1增大，级的焓降增大；
温度减小，音速减小；焓降增大，流速增大；
7
8
5、叶根反动度一定时， 叶高增大引起平均反动度 增大
6、蒸汽压差减小、比容 增大，漏汽损失减小
7、叶高增大，叶高损失 减小
8、比容增大，叶轮摩擦 损失减小
5
（1）级效率越低，重热系数越大
（2）级数越多，重热系数越大
（3）初始状态的熵越大，重热系数越大
（4）过热蒸汽的重热系数比湿蒸汽大
重热系数对效率的影响：
（1）多级的效率
hi ht'
（2）平均级效率
' hi
ht
因重热现象，多级的效率大于各级的平均效率
6
凝汽式汽轮机各段工作特点 蒸汽在多级汽轮机中膨胀作功，压力和温度降 低、比容增大，导致沿蒸汽膨胀流程的通流面 积增大，使汽轮机通流部分结构和工作特征沿 蒸汽流程发生很大变化：
1c12
2
p2
2c22
2
0
p1
1c12
2
p2
p2
1c12
p1 /2
1c12
/
2
1
h s
当损失项>1，进口压力高；
当损失项=1，进出口压力相等；
当损失项<1，进口压力低，末级焓降较大。
15
多级汽轮机热力过程线
h s
16
末级排汽损失及叶高、排汽口数
末级排汽余速：
c2
Gv2
dl sin 2
当排汽量和排汽压力一定，增大排汽面积，可 减小排汽余速损失。
pr r d p0 p2
考虑泵浦效应、抽汽效应后：
pr r d b c p0 p2
G3 3 A3
2r d b c p0 p2
vd
21
由3个流量的平衡，联立求解pd，再求出F2 3、轴肩 轴肩受轴向推力为F3 所以，一个级的总的轴向推力：
Fz F1 F2 F3
4
重热现象
在h-s图上，随着熵增大，两条等压线间的理 想焓降也增大 前一级的损失，引起后面级的理想焓降增大， 有效焓降也随着增大 以上称作重热现象，可部分弥补级内损失 定义重热系数：
ht ht'
hFra Baidu bibliotek'
h—t —单级的理想焓降之和 h—t' —多级的理想焓降 凝汽式汽轮机的重热系数约为0.04~0.08
2、叶轮
F2 A2 pd p2 A2d p0 p2
叶轮的受力面积A2？ 叶轮前的压力pd=? 根据漏汽量平衡：
隔板漏汽量＋动叶根部漏汽量＝平衡孔漏汽量
隔板漏汽量：
G1
1 A1
z
21 d p0 p2
vd
20
平衡孔漏汽量：
G2 2 A2
2d p0 p2
vd
叶根漏汽量： 先求叶根间隙的压差：
增加排汽面积方法：
1）增大直径（转子制造成本、离心应力）；
2）增大叶高（半速技术、叶片制造成本、离心 应力）；
3）增大排汽口数（制造成本、轴系长度）。
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末级排汽压力与环境条件及冷却方式有关： 1）低压末级排汽比容随压力变化很大，故排汽
面积的选择与排汽压力关联性很强； 2）我国南方和北方年平均温度差异较大，南方
机组排汽压力高、排汽比容小，北方相反； 3）环境温度随季节变化，开式循环与闭式循环，
水冷与空冷，排汽压力也会变化。
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第三节 轴向推力及其平衡
汽轮机的转子受到轴向推力，在轴向固定转子时需要 施加一反力给予平衡。
一、冲动式汽轮机的轴向推力 1、动叶
F1 Gc1 sin1 c2 sin2 dmlb p1 p2 F1 dmlb p1 p2 dmlb p p0 p2 F1 dmlbm p0 p2
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三段二室
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课堂练习
1、冲动式汽轮机沿蒸汽膨胀流程反动度与焓 降逐级增大的原因是什么？ 2、在等直径曲径汽封中，如果发生临界流动 只可能在最后一道汽封齿，为什么？ 3、三段二室轴封系统是如何保证空气不漏入、 蒸汽不漏出的？
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The End
第二章 多级汽轮机
提高单级汽轮机功率： （1）增大进汽量 （2）增大有效比焓降 但遇到以下难题： （1）如果比焓降很大，喷嘴出口汽流的马赫 数很大，流动损失很大 （2）如果压力比很小，蒸汽比容变化大，则 叶片无法制造 多级，例如哈汽N600汽轮机：高压缸1+10级， 中压缸2*9级，低压缸4*7级，焓降 1559kJ/kg，平均每级57.7kJ/kg
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第一节 多级汽轮机的特点 第二节 进汽排汽损失和热力过程线 第三节 轴向推力及其平衡 第四节 轴封及其系统
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第一节 多级汽轮机的特点
单个级的焓降小，易使每个级在直径较小的情 况下工作于最佳速比 各级的余速动能可以被下一级利用 叶片中汽流多为亚音速，减小流动损失 级的直径较小，当面积一定时可增加叶高 整机的焓降大，可采用回热、再热技术，提高 循环热效率 重热现象可部分弥补级内损失，提高整机效率 单位功率造价低
12
进汽阀门节流损失
蒸汽在进汽通道上的 流动过程属于绝热等 焓过程 由于节流过程引起汽 轮机理想焓降减小 高压进汽部分的压损： 2％～5％p0 再热管道部分的压损： 8％～12％ pr0
13
Westinghouse600MW汽轮机高压主气门
14
排汽管阻力损失
在排汽管进出口建立伯努利方程：
p1
6、汽耗率 单位发电量所用蒸汽量
7、热耗率 单位发电量所用热量
10
课堂练习
1、汽轮机的进汽温度升高后，通流部分的内 效率将如何变化？ 2、上述指标中，哪一个最能反映级和级组的 经济性？哪一个最能反映汽轮发电机组的经济 性？ 3、如何评价一个热力发电厂的经济性（锅炉、 管道、汽轮机、发电机）？
11
第二节 进汽排汽损失和热力过程线
二、反动式汽轮机的轴向推力
方法与冲动式的基本相同 不需计算叶根漏汽量
22
轴向推力的平衡
平衡活塞——反动式
23
对称布置
24
推力轴承
25
第四节 轴封及其系统
轴封的作用： 1）防止高压蒸汽漏出汽缸 2）防止空气漏入低压缸 轴封的类型： 1）梳齿式（曲径式） 2）蜂窝式 3）刷式
26
蜂窝式密封
优点： 在最小的材料质量下能保证密封具有最大的强度 允许在高压降下应用且不增加密封的尺寸 装配简单，比梳齿密封具有更好的转子动力学特性 使用可磨损材料，比梳齿密封减少泄漏量 应用： 离心式高压压缩机（航天飞机高压液氧涡轮泵） 汽轮机低压缸末级叶片的顶部密封（吸附水滴）
30
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2、漏汽量 1）最后一片孔口亚音速
Gl l Al
0
p02
p
2 z
zp0
2）最后一片孔口达到音速
Gl l Al
0 p0
z 1.25
当 pz 0.82 p0 z 1.25
3）流量系数
4）漏汽量单一表达式
32
轴封系统
1、轴封系统示例
2、轴封系统特点 1）轴封汽的利用 2）低压低温汽源的利用 3）防止蒸汽漏入大气 4）防止空气漏入真空部分
9、进入饱和区，湿汽损 失增大
10、效率排名：中压段 > 低压段 > 高压段
9
汽轮机装置评价指标
1、相对内效率 汽轮机有效焓降÷汽轮机理想焓降
2、机械效率 汽轮机轴端功率÷汽轮机内功率
3、发电机效率 发电机出线端功率÷汽轮机轴端功率
4、汽轮发电机组的相对电效率 相对内效率×机械效率×发电机效率
5、汽轮发电机组的绝对电效率 循环热效率×相对电效率
28
刷毛材料一般为钴基耐热合金Haynes25，轴表面喷涂 一层硬质涂层如陶瓷ZrO等。
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曲径轴封
1、工作原理 蒸汽在汽封中的流动当作绝热等焓过程。 蒸汽在流经汽封片时节流加速，然后在腔室中产生涡 流，将汽流动能转变为热能。 随压力降低，蒸汽比容增大，故对相同结构的汽封， 汽流速度是逐级增大。 轴封孔口可视为一个渐缩喷嘴，则孔口流速最高可达 当地音速。 因膨胀后焓值变小、音速降低，因此在汽封中如果出 现超临界流动，只能在最后一个汽封片处出现。
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刷式密封
刷式密封是现代先进透平机械发展的关键技术之一，已 应用于航空发动机、工业燃气轮机和汽轮机等叶轮机械。 如Siemens Westinghouse的501E燃气轮机、空中客车 A320、欧洲幻影2000、美国F15、F16、F22等飞机的发 动机。 刷式密封在转子瞬间大幅径向位移后可保持密封间隙不 变。 其泄漏量是梳齿密封的1/5～1/10，使发动机耗油率降低 约2%，并能改善转子运行的稳定性。 刷式密封可以承受的转子线速度为305m/s, 运行温度达 690℃。 刷毛是直径一般为0.05～0.07mm 的细金属丝,其自由端 与轴表面接触。
蒸汽比容增大引起叶高增大；
最佳速比把u和c1联系起来； 直径增大，u增大，c1增大，级的焓降增大；
温度减小，音速减小；焓降增大，流速增大；
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5、叶根反动度一定时， 叶高增大引起平均反动度 增大
6、蒸汽压差减小、比容 增大，漏汽损失减小
7、叶高增大，叶高损失 减小
8、比容增大，叶轮摩擦 损失减小
5
（1）级效率越低，重热系数越大
（2）级数越多，重热系数越大
（3）初始状态的熵越大，重热系数越大
（4）过热蒸汽的重热系数比湿蒸汽大
重热系数对效率的影响：
（1）多级的效率
hi ht'
（2）平均级效率
' hi
ht
因重热现象，多级的效率大于各级的平均效率
6
凝汽式汽轮机各段工作特点 蒸汽在多级汽轮机中膨胀作功，压力和温度降 低、比容增大，导致沿蒸汽膨胀流程的通流面 积增大，使汽轮机通流部分结构和工作特征沿 蒸汽流程发生很大变化：
1c12
2
p2
2c22
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1c12
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p2
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1c12
p1 /2
1c12
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h s
当损失项>1，进口压力高；
当损失项=1，进出口压力相等；
当损失项<1，进口压力低，末级焓降较大。
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多级汽轮机热力过程线
h s
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末级排汽损失及叶高、排汽口数
末级排汽余速：
c2
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dl sin 2
当排汽量和排汽压力一定，增大排汽面积，可 减小排汽余速损失。
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考虑泵浦效应、抽汽效应后：
pr r d b c p0 p2
G3 3 A3
2r d b c p0 p2
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由3个流量的平衡，联立求解pd，再求出F2 3、轴肩 轴肩受轴向推力为F3 所以，一个级的总的轴向推力：
Fz F1 F2 F3
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重热现象
在h-s图上，随着熵增大，两条等压线间的理 想焓降也增大 前一级的损失，引起后面级的理想焓降增大， 有效焓降也随着增大 以上称作重热现象，可部分弥补级内损失 定义重热系数：
ht ht'
hFra Baidu bibliotek'
h—t —单级的理想焓降之和 h—t' —多级的理想焓降 凝汽式汽轮机的重热系数约为0.04~0.08