多级汽轮机
多级汽轮机的重热现象
多级汽轮机的重热现象
多级汽轮机的重热现象
多级汽轮机（MLGs）是现代汽轮机设计的一种改进形式，它非常适合在有限的气体预报条件下工作，可以提供高压气体以驱动风力发电机组，但是由于它们的规模和复杂度，多级汽轮机经常会遭受重热问题。
重热是指汽轮机系统运行温度超过允许值。
由于气体在经过每一级叶轮时会发生加热，而且某些时候发电功率过大，所以最终的结果就是系统温度的升高。
汽轮机的热分析是一个非常复杂的过程，因为它涉及到叶轮内部压力与温度的动态变化，以及系统中流体运动、设备散热和蒸汽压力变化等问题。
如果热力学分析过程不能及时发现和控制，就会出现重热现象。
重热可能会损坏多级汽轮机组件，危及机组安全。
因此，多级汽轮机系统中重热检测非常重要。
一般采用末级叶轮排气温度和末级叶轮排气压力来控制多级汽轮机的重热。
要实现精确的重热控制，计算机技术应用也是必不可少的。
因此，为了确保多级汽轮机的安全可靠运行，定期的重热检测是必不可少的，及时发现重热异常，及时采取有效的控制措施，是安全运行的保障。
第二章多级汽轮机
内功率Pi H i 理想功率Pt H t
2、汽轮机的相对有效效率 机械效率：将全部机械损失看成集中在轴承上，则对于轴承 来说，其输入能量为汽轮机的内功率，输出能量称为有效功率 pe，则机械损失为Δpm＝pi－pe，故
机械效率m
有效功率pe 内功率pi
相对有效效率：把汽轮机和轴承看成一个整体，此时输入为 蒸汽的理想功率，输出为有效功率，故
重热系数：由于重热现象而增加的理想焓降占汽轮机理想焓降 的比例，一般α为0.04～0.08。
h H
t
t
Ht
ht 1 Ht
H i ri H t hi rim ht
ηrim — 各级的平均内效率
H i rim (1 )H t
j 1 n
m g
D H 3600
j 1 i
n
ij
Gi ( D j ) ：表示第j段的流量； Hij ：表示第j段的有效焓降。
（二）绝对效率
当考虑发电厂整个热力循环时，若以Q0作为输入能量，以汽 轮发电机组不同的功率作为输出能量所得到的一组效率称为绝 对效率。
当以汽轮机的理想焓降为输出能量时，所得到的效率称为循 环热效率ηt。 H t H t t Qo h0 hc
级的焓降较小，可以采用渐缩喷嘴，避免了采用难以加工、 效率较低的缩放喷嘴。
级的焓降较小，根据最佳速比的要求，可相应减小级的平均 直径，从而可适当增加叶栅高度，减小叶栅的端部损失。
多级汽轮机具有重热现象。
3、多级汽轮机单位功率的投资大大减小 （二）多级汽轮机存在的问题
增加了一些附加的能量损失，如隔板漏汽损失、湿汽损失。
汽轮机分类
汽轮机分类按汽轮机所具有的级数分类单级汽轮机单级汽轮机是只有一个级的汽轮机，即只有一列喷嘴及其后面的一列动叶片，是最简单的汽轮机。
所谓汽轮机的级，是由一列喷嘴与其后变的一列动叶片所组成，用来完成蒸汽热能转变为机械功全过程的基本单元。
2．复速级汽轮机复速级汽轮机是单级汽轮机的变种，仍是单级汽轮机。
它与一般单级汽轮机不同之处是具有两列以上的动叶片，又称为速度级汽轮机。
3.多级汽轮机为了提高汽轮机的效率，汽轮机越来越趋向高温，高压，大容量。
单级汽轮机的功率很小，已不能满足工业的发展，多级汽轮机便应运而生。
按蒸汽在汽轮机内流动的方向分类轴流式汽轮机这种汽轮机的蒸汽在汽轮机内流动的方向和轴平行。
辐流式汽轮机指蒸汽在汽轮机内流动的方向与汽轮机轴相垂直的汽轮机。
周流式汽轮机蒸汽在汽轮机中既不是沿轴线方向流动，也不是沿辐向流动，而是沿圆周方向。
按汽缸的数目分类单缸汽轮机只有一个汽缸的汽轮机叫单缸汽轮机。
双缸汽轮机汽轮机的转子分别装在高、低压两个汽缸内，蒸汽从高压缸流出后，进入低压缸。
高低压缸转子以联轴器连接。
多缸汽轮机由于功率的增加，汽轮机单采用一两个汽缸已不能满足功率的要求，所以出现了高，中，低压三缸及多缸的汽轮机。
新蒸汽从高压缸排出后经导气管进入中压缸，从中压缸排出后在经过导气管进入低压缸。
根据结构需要中，低压缸也可以制成多个。
按汽轮机的工作原理分类冲动式汽轮机蒸汽的热能转变为动能的过程，仅在喷嘴中发生，而工作叶片只是把蒸汽的动能转变成机械能的汽轮机叫做冲动式汽轮机。
即蒸汽仅在喷嘴中产生压力降，而在叶片中不产生压力降。
反动式汽轮机蒸汽的热能转变为动能的过程，不仅在喷嘴中发生，而且在叶片中也同样发生的汽轮机叫做反动式汽轮机。
五．按汽轮机热力系统特征分类1．凝汽式汽轮机蒸汽在汽轮机内做功后除有一部分轴封漏汽外，全部排入凝汽器。
2．调整抽汽式汽轮机它与凝汽式汽轮机的区别在于：其抽汽压力可以在某一范围加以调整，可以有一级调整抽汽，也可以有两级调整抽汽。
3_多级汽轮机
级的反动度明显增大； 各级理想比焓降较大，且增加较快； 余速损失大，湿汽损失越往后越大；漏汽量少，
漏汽损失小，叶高损失也很小，摩擦损失小，无 部分进汽损失。 总之，级效率较低。
中压段 漏汽损失和摩擦损失较小； 叶高损失较小； 无部分进汽损失、无湿汽损失； 余速损失可部分利用。 总之，中压段级效率较高压段和低压段高，反
重热现象分析
第一级没损失，第二级理想比焓 降
k 1
ht2'
k
k
1
RT1'
1
p3 p2
k
第一级有损失，第二级理想比焓
降
k 1
ht2
k
k
1
RT1
1
p3 p2
k
由于 T1 T1' ，所以 ht2 ht2'
p1
p2 T1
T1’
ht2'
ht2
p3
h s
重热系数推导 假设条件： 汽轮机内各级相对内效率相等
重热系数与整机效率关系分析mac iFra biblioteklev i
1
由上式可得出结论：a 越大，整机效率越高？
不可，这是由于重热系数a的很少量增大是在级效率降低 较多的前提下实现的。
因此，拟通过提高重热系数a来提高整机效率的想法是错 误的。重热系数的提高使全机效率的增大远远弥补不了 级效率的降低所引起的全机效率的降低。
p5
s
Δhi4
Δhi3
Δhi2
Δhi1
Δhimac
整个多级汽轮机相对内效率：
由于 因此
mac i
himac htmac
第二章 多级汽轮机-第一节 多级汽轮机的优越性及特点
第一节 多级汽轮机的优越性及特点2.1.1 多级汽轮机的优越性和存在的问题（一）多级汽轮机的热效率大大提高1、多级汽轮机的循环热效率大大提高多级汽轮机的比焓降可比单级汽轮机增大很多，因而多级汽轮机的蒸汽初参数可大大提高，排汽压力可以降的很低，还可采用回热循环和中间再热循环，所以多级汽轮机的循环热效率大大高于单级汽轮机。
2、 多级汽轮机的相对内效率明显提高1）多级汽轮机在设计工况下每一级都在最佳速比附近工作，这就使它比单级汽轮机的相对内效率高。
2）在一定条件下，多级汽轮机的余速动能可以全部或部分地被下一级利用，而单级汽轮机的余速动能不可能被下一级利用。
对于多级汽轮机，只要相邻两级的部分进汽度相同，平均直径变化平滑，喷嘴进汽角与上一级的排汽角相近，级间的轴向间隙较小，两级的流量变化不大，那么上一级的余速动能可以全部或部分地被下一级利用。
除调节级及本汽缸地最末级外，多级汽轮机其他各级地余速动能一般可被下一级利用，因此整个汽轮机地内效率提高了。
3）多级汽轮机各级的比焓降比较小，速比一定时的圆周速度和平均直径m d 也都较小根据第一章中的连续方程111sin t n m n t Gv e d l c μπα=可知，在容积流量1t Gv 相同的条件下，由于m d 较小，喷口出口高n l 度增大，因而叶高损失减小，喷嘴流动效率较高。
4）多级汽轮机上面级的损失可以部分地被下面各级利用，使全机相对内效率提高，这种现象称为重热现象，这也是其效率比单级汽轮机高的一个原因。
综上所述，由于多级汽轮机的效率比单级汽轮机高得多，所以多级汽轮机的单位功率能耗大大低于单级汽轮机。
（二）多级汽轮机单位功率的投资大大减小多级汽轮机的单级功率可以远远大于单级汽轮机，因而使单位功率汽轮机组的造价、耗材和占地面积都比单级汽轮机大大减小，容量越大的机组减小得越多，这就使多级汽轮机单位功率得投资大大减小。
（三）多级汽轮机存在的问题1） 增加了一些附加损失，如隔板漏汽损失。
多级汽轮机
：达到临界速度
：未达到临界速度
2. 轴封孔口流量系数
由图可以看出，轴封齿在进汽侧不应做成圆
弧状或斜面状，应保持轴封齿的尖锐边缘， 此时流量系数较小，1 0.7 ~ 0.8 但是尖锐边缘在汽机运行中会因摩擦
钝化，此时流动情况接近喷嘴，
流量系数变大1 1
3.光轴轴封漏汽量修正系数
p0
p1 pd
p2
1.作用在动叶上的轴向推力FZ
作用在动叶上的轴向推力FZ 是由动叶前后的静压差和 汽流在动叶中轴向分速度的改变所产生的
FZ G(c1 sin 1 c2 sin 2 ) d m lb ( p1 p 2 )
压力反动度 p： p1 p 2 p＝ p0 p 2 于是 p p1 p 2 p ( p 0 p 2 )
圆周速度和平均直径较小，所以在容积流量相同
的条件下，喷嘴出口高度增大，叶高损失减小， 喷嘴流动效率较高。 （4） 多级汽轮机前面级的损失可以部分地被下面各级 利用，使全机相对内效率提高
（二）多级汽轮机单位功率的投资大大减小
存在的问题： （1）增加了一些附加损失 （2）由于级数多，相应地增加了机组的长度和质量 （3）由于新蒸汽与再热蒸汽温度的提高，多级汽轮机 高中压缸前面若干级的工作温度较高，对零部件 的金属材料要求提高了 （4）级数增加，零部件增多，使多级汽轮机的结构更
2 0 ( p0 p z2 )
G1 1 A1
zp 0
（2）当最后一片轴封孔口处流速达到临界速度时
G1 1 A1
p0 0 z 1.25
判断汽流在最后一片轴封孔口中是否达到临界速度：
pz p0
pz p0
汽轮机原理 多级汽轮机_2
■
——多级的理想焓降
■ 凝汽式汽轮机的重热系数约为0.04~0.08
4
■ 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
■ 2）平均级效率
■ 因重热现象，多级的效率大于各级的平均效率
第二章 多级汽轮机
1、多级汽轮机的特点 2、进汽排汽损失和热力过程线 3、轴向推力及其平衡 4、轴封及其系统
1
■ 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
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。
3
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：
■
——单级的理想焓降之和
5
凝汽式汽轮机各段工作特点
6
■ 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：
■ 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；
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，
《汽轮机》课件九、多级汽轮机
八、轴向推力及平衡方法
反动式汽轮机的轴向力有100~200T，冲动式汽轮机的轴向力有40~80T 1.产生的原因：
转动部件前后存在压差；流动方向变化 2.方向：
高压指向低压，与汽流的运动方向基本上一致 3.影响：
使转子产生轴向位移，破坏动静部分之间的轴向间隙
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轴封套
九、汽轮机装置的经济指标
Pt Pi Pe Pel
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(一) 汽轮发电机组的效率
1.汽轮机的相对内效率
i
H i H t
Pi Pt
2.机械效率 3.发电机效率
g
m
Pel Pe
Pe Pi
4.汽轮发电机组的相对电效率
el
( cn )2
100
pco
凝汽机组的cn<100~120m/s，背压机组cn<40~60m/s
H co
H
' t
H
" t
措施： 导流板和扩压排汽管道
p1 c12 p2 c22
2 2
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（二）外部损失
1．机械损失 支持轴承和推力轴承的摩擦阻力，以及带动主油泵等，消耗一部分有用功而造成损失
m=1.1~1.362 回热比纯凝汽式功率大
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影响极限功率的主要因素：末级蒸汽流量
G max
1 v2
d blb w 2sin 2
1 v2
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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
19Байду номын сангаас
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：
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
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。
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
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
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'
ht'
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
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。
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）
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
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
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
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
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。
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：
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
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
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