汽轮机级的工作原理及过程等

冲动式汽轮机
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3) 复速级
速度级:为使充分利用余速，在两列动
叶之间装设—列导向叶片，排汽经过导 向叶片后改变方向，进入第二列动叶继 续作功。这种级称为速度级。
复速级：同一叶轮上装有两列动叶片
的双列速度级，又称为复速级。
工作特点：蒸汽主要在喷嘴中膨胀加
速：动叶通道和导向叶片通道中基本不 膨胀，焓降大、效率较低。用于单级汽 轮机和中、小型多级汽轮机的第一级。
级数和转子的长度增加使转子刚性降低，将转子分成若 干段，采用多汽缸结构
2、采用多排汽口
提高汽轮机单机功率的途径
3、采用双轴系结构
为解决大功率汽轮机排汽口增多使转子过长的困难，可 以设计成双轴系结构。
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一. 汽轮机本体的基本特点(续)
4.高中压缸采用分流合缸方式
当一次再热机组的功率不是很大时，可把高压、中压 通流部分配置在一个共同的汽缸内，采用此种布置的 优点是：
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哈尔滨汽轮机厂四缸四排汽600 MW反功式汽轮机纵剖面
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东汽600MW～1000MW系列空冷机组东方汽轮机厂
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亚临界四排汽机组纵剖面图 亚临界两排汽机组纵剖面图 37
东汽600MW～1000MW系列空冷机东组方汽轮机厂
超临界四排汽机组纵剖面图
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蒸汽流经级时先在喷嘴中膨胀压力 降低，速度增加一方面通过速度方 向的改变，产生冲动力F1
蒸汽在动叶中继续膨胀，压力降低， 所产生的焓降转化为动能造成动叶 出口的相对速度w2大于进口相对速 度w1，使汽流产生了作用于动叶上 的与汽流方向相反的反动力Fr。
在蒸汽的冲动力和反动力合力作用 下推动动叶旋转作功。
分进汽损失、叶轮摩擦损失、漏汽损失和湿汽 损失等
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1．叶栅损失
叶栅损失包括：喷嘴损失和动叶 损失。
从产生原因看，它由：叶型损失、 叶端损失和冲波损失所组成。
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叶ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ损失
指蒸汽流过叶型表面时所产生的能量损失， 由附面层中的摩擦损失、附面层分离时的 涡流损失及尾迹损失组成。
5．漏汽损失
汽轮机通流部分中，隔板与 转轴之间，动叶顶部与汽缸 之间都存在间隙，且间隙前 后蒸汽存在压力差，这样蒸 汽就有一部分不通过动叶通 道，而经间隙漏到后面，造 成损失，称为漏汽损失。
减小漏汽损失的措施是安装 汽封等
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6．湿汽损失
湿蒸汽引起的有用功损失，称为湿汽损失。
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叶端损失
蒸汽在通道的顶部和根部附面层产生的摩 擦损失以及产生的由内弧向背弧的横向流 动（称为二次流）。
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超音速飞机遇到的冲波
冲波损失是指叶栅中汽流在跨音速及超音 速范围内流动时，在某一截面产生冲波 （激波）引起的能量损失。
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级汽轮机由于具有效率高、功率大、投资小等 突出优点而得到广泛应用。
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三．多级汽轮机的轴向推力及其平衡
1. 轴向推力
汽轮机在运行时，转子需要承受很大的轴向推力。
对于反动式汽轮机轴向推力可达几百吨 冲动式汽轮机轴向推力也达到几十吨之多
转子的轴向推力，由每一级产生的轴向推力迭加 而成。每一级的轴向推力由以下三项组成：
3动叶栅
静叶（喷嘴）和对应的动叶
所组成；一列固定的喷嘴和
与它配合的动叶片构成了汽
4喷嘴
轮机的基本作功单元，称为 汽轮机的“级”
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1轴 单级冲动式汽轮机工作原理结构立体图
3
一. 汽轮机的工作原理
➢汽轮机内的能量转换
一定压力和温度的蒸汽流经固定不动的喷 嘴，并在其中膨胀，蒸汽的压力、温度不 断降低，速度不断增加，使蒸汽的热能转 化为动能
点等熵膨胀到p2时的焓降 h t 称为级的理想焓降。
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1. 反动度
反动度：表示蒸汽在动叶通道内膨
胀程度大小的指标。 它等于蒸汽在动叶通道中的理想焓
降与喷嘴的滞止理想焓降和动叶通 道中理想焓降之和的比值 级的平直径处（即1/2叶高处）的 反动度用Ωm表示，其表达式为：
m h n * h b h b h n * h b h b h h tb *
c12 2
h0 , h1 —蒸汽进入和流出叶栅的比焓值，焦耳/公斤；
c 0 , c1 —蒸汽进入和流出叶栅的速度，米/秒。
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二、级内损失和级效率
(一)级的内部损失：在汽轮机通流部分中与流 动、能量转换有直接联系的损失称为汽轮 机级的内部损失
➢级内的损失主要有叶栅损失、余速损失、部
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4) 反动级
定义：蒸汽在级中的理想焓降平均分配 在喷嘴和动叶通道中的级称为反动级
工作特点：蒸汽在喷嘴和动叶通道中的 膨胀程度相等，作功的力冲动力和反动 力各占一半
结构特点：动叶叶型与喷嘴叶型完全相 同。反动级的效率高于冲动级，但整级 的理想焓降较小。
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蒸汽由于凝结成水使作功量减少 高速的蒸汽带动低速的水珠而消耗一部分动能 水珠进入动叶时撞击在进口处的动叶片背弧上，阻止
叶轮旋转
安全上，动叶会被湿汽冲蚀损坏
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（二） 级的相对内效率
r
hi E0
E0
E0
h
教材勘误！
单机功率大。单位功率汽轮机组的
造价、材料消耗和占地面积减小。
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（三）多级汽轮机存在的问题
增加了一些附加损失，如隔板漏汽损失； 增加了机组的长度和质量； 对零件的金属材料要求提高； 级数增加，结构更加复杂。
➢总体上讲：多级汽轮机远优于单级汽轮机。多
级的相对内效率表示级的能量转换的完善 程度，是用来衡量级经济性的一个重要指 标，它与级的类型、叶型、反动度、速比、 叶高、蒸汽的性质、级的结构特点等有关。
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第三节 多级汽轮机
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一、多级汽轮机概述
东方汽轮机厂生产的双缸双排汽300 MW汽轮机纵剖面
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第四章 汽轮机设备
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第一节 汽轮机概述
汽轮机以蒸汽为工质，将热能转 变为机械能，为发电机发电提供 机械能。
火力发电厂三大主要设备之一， 单机功率大、效率高、运行平稳、 使用寿命长
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一、汽轮机的工作原理
“级”是汽轮机中最基本的 2叶轮 工作单元。在结构上它是由
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（二）反动作用原理
反动力定义：蒸汽在动叶汽道内膨胀时 对动叶的作用力。根据动量守恒定律， 当气体从容器中加速流出时，要对容器 产生—个与流动方向相反的力。
基本特点：蒸汽在动叶流道中不仅要改 变方向，而且还要膨胀加速，从结构上 看动叶通道是逐渐收缩的。
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从作用力方面分析原理
静止部分：汽缸、喷嘴、隔板、汽封、轴承和滑销
系统等；
转动部分：主轴、叶轮和叶片等组成的转子。
通流部分：汽轮机本体中作功汽流的通道称为汽轮
机的通流部分
包括主汽门、调节汽门、导管、进汽室、各级喷嘴和动叶及 汽轮机的进汽管。
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一. 汽轮机本体的基本特点
1、采用多汽缸结构
1．高温区集中在汽缸中部，两端温度压力较低，从而减 少了对轴承和端部汽封的影响；
2．与分缸设计相比，可缩短主轴长度，减少轴封漏气； 3．可部分平衡轴向推力。
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高中压缸合缸
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一. 汽轮机本体的基本特点(续)
5、采用单独阀体结构
把蒸汽室和调节阀从高压缸的缸体上分离出去 布置在汽轮机两侧，使汽缸具有良好的对称性，温度
蒸汽热能
气流的动能
轴的机械能
喷嘴
动叶
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（一）冲动作用原理
冲动力的定义：根据力学知识，当
一运动物体碰到另一个静止的物体 或者运动速度低于它的物体时，就 会受到阻碍而改变其速度的大小或 方向，同时给阻碍它的物体的一个 作用力
特点：蒸汽仅把从喷嘴中获得的动
能转变为机械功，蒸汽在动叶通道 中不膨胀，动叶通道不收缩
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一、级的作功原理
喷嘴汽道示意图
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• 级是汽轮机中最基本的 工作单位
• 级由静叶（喷嘴）和对 应的动叶组成
• 工质的热能在喷嘴中先 转变为工质的动能，然 后在动叶中使能转变为 机械能
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引用热力学第一定律导出的能量方程，方程可表示为
h0
c02 2
h1
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反动式汽轮机
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调节级
➢ 喷嘴调节：多数汽轮机采 用改变第一级喷嘴面积的 方法调节进汽量，称之为 喷嘴调节。
➢ 调节级：中、小容量汽轮
机的调节级喷嘴调节汽轮
机的第一级称为调节级，
一般采用复速级。大容量
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第二节 汽轮机的基本作功原理
近代大功率汽轮机都是由若干个级构成的多级 汽轮机，由于级的工作过程在一定程度上反映 了整个汽轮机的工作过程，所以对汽轮机工作 原理的讨论一般总是从汽轮机“级”开始的， 有助于理解和掌握全机的内在规律性。
1．动叶片上的轴向推力； 2．作用在叶轮轮面上的轴向推力； 3．作用在轴肩上的轴向推力。
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2. 轴向推力的平衡
平衡的方法除了在叶轮轮面上开平衡孔外， 主要采用下列两种方法：
1．平衡活塞法； 2．相反流动布置法。
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第四节 汽轮机本体
汽轮机本体包括静止和转动两大部分。
分布均匀，减少热应力和热变形。
6、多层汽缸结构
太厚的汽缸壁会产生过大的热应力
7、加长低压级叶片长度
提高单机功率的有效途径
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2. 级的类型及特点
汽轮机的级可分为冲动级和反动级两大类
(1)、冲动级
冲动级又分：纯冲动级、带反动度的冲动级速度级 1) 纯冲动级：反动度为零的级称为纯冲动级 工作特点：是蒸汽只在喷嘴中膨胀，在动叶通道中不膨胀 结构特点：动叶叶型近似对称弯曲，作功能力大，但效率
比带反动度的冲动级低。
超临界两排汽机组纵剖面图
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ALSTOM
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三菱重工
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东汽超超临界1000MW汽轮机
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多级汽轮机的热力过程线
汽轮机的相对内效率
ri

H i H t
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二. 多级汽轮机的特点
（一）多级汽轮机的效率大大提高
2. 余速损失
蒸汽离开动叶栅时带走的余速动 能称为余速损失。
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3．叶轮摩擦损失
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4．部分进汽损失
由于部分进汽造成的能量损失称为部分进汽损失。 由鼓风损失和斥汽损失组成。
在不装喷喷的弧段内把动叶栅罩住，可减少鼓风损失。
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在设计工况下每一级都在最佳工况附近工作 余速动能可以全部或部分的被下一级利用 在容积流量相同的条件下由于直径较小因而叶高损失
减小，喷嘴流动效率较高 蒸汽初参数可大大提高，排汽压力降低，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高
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（二）多级汽轮机单位功率的投资大大减小
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从作用力方面分析原理
喷嘴出口处：蒸汽以相对速
度w1进入动叶通道，由于受到动 叶的阻碍，汽流方向不断改变， 最后以相对速度w2流出动叶通道， 在流道中蒸汽对动叶产生一个轮 周方向的冲动力F1，该力对动叶 作功使动叶转动
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蒸汽流过无膨胀动叶通道时速度的变化
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2) 带反动度的冲动级
现代冲动式汽轮机中广泛采用具有一定反动度的冲动 级，简称为冲动级
工作特点:蒸汽的膨胀主要喷嘴中进行，在动叶通道 中仅有小部分膨胀，产生的反动力较小，主要利用冲 动力作功
结构特点：作功能力比反动级的大，效率又比纯冲动 级高。
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动叶通道是逐渐收缩的
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（三）反动度和级类型
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基本概念
级滞止理想焓降：0点是级前
的蒸汽状态点，0*点是汽流被等 熵滞止到初速等于零的状态，p1、 p2分别为喷嘴出口压力和动叶出 口压力，蒸汽在级内从滞止状态 0*等熵膨胀到p2时的焓降称为级 的滞止理想焓降
级理想焓降：蒸汽在级内从0