汽轮机的基本工作原理

统
2.3 汽轮机的零件结构与强度振动概述
2.3.1 基本结构 汽 轮 机 设 备 及 系 2、叶轮结构
o 叶轮通常用于冲动式汽轮机 o 叶轮的外轮缘
• 加工对应于各类叶根的叶 根槽
– 周向安装 – 轴向安装
o 叶轮的内缘
• 套装叶轮
– 红套工艺
• 拉杆叶轮
– 拉杆结构
统
• 整体叶轮
– 在转子上直接加工出叶轮
（1）国内（单位：MW）
• 上海汽轮机厂
– 125、300、600、1000
• 哈尔滨汽轮机厂
– 200、300、600、1000
• 东方汽轮机厂
– 200、300、600、1000
• • • • • • •
• 北京重型电机厂
– 100、200、350、600
美国：GE、WH 德国：KWU（SIEMENS） 瑞士：BBC、ABB 法国：ALSTHOM 日本：MHI、TOS、HIT 英国：GEC 俄罗斯：列宁格勒金属工 厂、哈尔科夫汽轮机厂 • 意大利：
» 单缸 » 多缸
②热力过程
– – –
– – – – –
凝汽式：N 背压式：B 抽汽式：C
中压 高压 超高压 亚临界 超临界
– 汽流总体流向
» 轴流式 » 辐流式
③工质参数（系列化）
（2）型号
N300–16.7/538/538 N600–16.7/538/538 N600–24.2/566/566 N1000–28.2/600/600
E 0 hn hb hl h h f he h hx 1 1 hc2
（2）级内功率
Pi Ghi
（3）级的相对内效率
统
hi i E0
2.2 汽轮机的基本做功原理
2.2.2 多级汽轮机 汽 1、多级汽轮机的结构类型和特点
o 叶身（叶片型线部分）
• 完成做功的场所 • 依据做功原理
– 冲动式叶型 – 反动式叶型
统
o 叶根（叶片固结于叶轮）
• 各种类型的叶根结构
2.3 汽轮机的零件结构与强度振动概述
2.3.1 基本结构 汽 轮 机 设 备 及 系
统
围带
2.3 汽轮机的零件结构与强度振动概述
2.3.1 基本结构 汽 轮 机 设 备 及 系
（1）进汽部分 （2）汽缸缸体
• 中分结构
– 上半缸 – 下半缸 – 中分面法兰
• 多层缸结构
– 内缸 – 外缸
统
（3）排汽结构 （4）抽汽结构
2.3 汽轮机的零件结构与强度振动概述
2.3.2 强度与振动 汽 1、汽轮机强度与振动的主要问题
轮 机 设 备 及 系 （1）热应力
• 温差的存在 → 金属材料热胀冷缩 → 金属材料内部的热膨 胀不均匀，或零件受外部约束 → 被约束的材料处于压应力、 施加约束的材料处于拉应力状态 → 热应力 弹性变形 塑性变形（不可恢复）：汽缸变形、转子热扰曲等
统
2、湿汽损失的计算 3、湿汽损失的危害
• 水蚀及防护
2.2 汽轮机的基本做功原理
汽 轮 机 设 备 及 系 2.2.1 级的基本结构和工作原理 例如：级的能量转化效果
（1）理想焓降 → 有效焓降 hi ht hn hb hl h h f he h hx hc2
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2.2 汽轮机的基本做功原理
2.2.3 汽轮机的变工况 汽 3、变工况简要分析示例
轮 机 设 备 及 系 （1）汽轮机超负荷运行
• • • 汽轮机末级大量过载； 长期运行下，可能导致汽轮机末级损坏； 例如：某厂汽轮机末级叶片断裂，甩入凝汽器。
（2）汽轮机甩负荷带厂用电或零负荷空转
• 汽轮机内部温度将发生强烈变化
– – 局部强烈冷却 局部强烈受热
统
• •
造成严重的热应力，损伤机组的使用寿命 例如：某厂汽轮机调节级、转子产生严重裂纹
2.3 汽轮机的零件结构与强度振动概述
2.3.1 基本结构 汽 轮 机 设 备 及 系 1、汽轮机动叶片
o 叶顶（及附带结构）
• 围带
– 整体围带 – 铆接围带
• 拉金
– 整圈松装拉金 – 部分焊接拉金
统
– 非正常状况
» ‹0（负值） » ›0.5
2.2 汽轮机的基本做功原理
2.2.1 级的基本结构和工作原理 汽 轮 机 设 备 及 系
（4）级的基本分类及特点
• 冲动级
– – – – 反动度小：0~0 .20 做功能力：相对较强 效率：相对较低 结构特点
» 隔板 » 叶轮
• 反动级
– ≡ 0.5 – 相对较弱 – 相对较高
轮 机 设 备 及 系 （1）按工作压力高低顺序排列的若干级组成。 （2）基本类型
• • • • 冲动式汽轮机 反动式汽轮机 调节级：采用喷嘴调节时，汽轮机的第一级； 压力级：除调节级外的所有其他级。
（3）汽轮机中对级的特指 （4）按实际蒸汽流动时的依次通流位置
• • • • 第一级：通常指调节级； 中间级 次末级 末级：对于凝汽式汽轮机，其排汽直接进入凝汽器。
（6）级的能量转化效果
统
（7）长叶片级的工作特点
2.2 汽轮机的基本做功原理
汽 轮 机 设 备 及 系 2.2.1 级的基本结构和工作原理 例如：级的湿汽损失
1．产生原因：
• 蒸汽进入湿蒸汽区域工作
– 部分蒸汽凝结成水，使作 功蒸汽流量减少； – 蒸汽携带水滴流动耗功 （蒸汽动能减少）； – 水滴反向撞击动叶片（作 负功，水蚀：绘图说明其 产生、危害部位等） – 蒸汽来不及凝结而未放出 汽化潜热，从而造成过冷 损失
2.2.3 汽轮机的变工况 汽 1、汽轮机变工况的基本理论
轮 机 设 备 及 系 （1）喷嘴的变工况 （2）级的变工况 （3）级组的变工况 （4）汽轮机的变工况
2、汽轮机变工况的主要问题
（1）汽轮机进汽的调节 （2）变工况下汽轮机内部各级的工作状况变化 （3）汽轮机轴向推力的变化 （4）变工况下汽轮机内效率的变化
统
2.2 汽轮机的基本做功原理
2.2.1 级的基本结构和工作原理 汽 轮 机 设 备 及 系 1、级
（1）定义：
• 级是由喷嘴叶栅（或静叶 栅）和它相配合的动叶栅 所组成； • 汽轮机作功的基本单元。
蒸汽热能 喷嘴（静叶栅）↓ 蒸汽动能 动叶栅 ↓ 机械能
• 应用
– 单个级
» 单级汽轮机
统
– 多个级串联wk.baidu.com
» 多级汽轮机
2.2 汽轮机的基本做功原理
2.2.1 级的基本结构和工作原理 汽 轮 机 设 备 及 系
（2）级的基本做功原理
①冲动作用原理
– 蒸汽仅把从喷嘴中获得的 动能转变为机械功，不涉 及蒸汽在动叶通道中的膨 胀。
②反动作用原理
– 汽流在动叶通道中继续膨 胀加速，则在汽流离开动 叶时，施加给动叶一个与 汽流运动方向相反的作用 力，即反动力（又称反击 力）。
汽 轮 机 设 备 及 系 1、汽轮机
o 汽轮机是一种以蒸汽为工质，并将蒸汽的热能转换为机械功的旋 转机械。 o 英文：Turbine，译名透平 o 叶轮机械（广义范畴）
统
2.1 汽轮机概述
2.1.1 汽轮机定义及特点 汽 2、汽轮机的特点
轮 机 设 备 及 系 （1）单机功率大：300MW→600MW→900MW （2）效率高：汽轮机内效率：→90% 电厂效率：→40% （3）运转平稳： 机组振动<0.03mm （4）使用寿命长： >30年 （5）整个循环中燃用劣质、廉价燃料： 如劣质煤等 （6）使用范围专业而广泛
2.2.1 级的基本结构和工作原理 汽 2、蒸汽在级中的能源转换
轮 机 设 备 及 系 （1）蒸汽在喷嘴中的流动 （2）汽轮机中喷嘴的结构形式及流动特点 （3）蒸汽在动叶通道中的流动：级的速度三角形 （4）叶栅的几何结构尺寸及最佳参数 （5）级做功过程中的各种损失及危害
• • • • 漏汽损失、湿汽损失、……（9项） 理想焓降 → 有效焓降 级内功率 （10~30MW） 级的相对内效率 （85~90）%
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2.2 汽轮机的基本做功原理
2.2.1 级的基本结构和工作原理 汽 轮 机 设 备 及 系
（3）级的反动度
• 反动度是衡量级中冲动作 用、反动作用相对大小的 参数。 • （焓降）反动度
• 蒸汽在动叶通道内膨胀时 的理想焓降和整个级的滞 止理想焓降的比值 • 数值范围
– 正常状况
» 0~0.5
hb hb m ht hn hb
• 喷嘴（喷嘴的型线部分）
– 完成蒸汽加速的场所
• 内圈
– 安装隔板汽封结构
（2）上下中分
• 上隔板 • 下隔板
统
（3）制造工艺
• 铸造 • 焊接
2.3 汽轮机的零件结构与强度振动概述
2.3.1 基本结构 汽 轮 机 设 备 及 系
统
焊接隔板
2.3 汽轮机的零件结构与强度振动概述
2.3.1 基本结构 汽 轮 机 设 备 及 系 5、汽缸
统
• 组合转子 • 拉杆转子
2.3 汽轮机的零件结构与强度振动概述
2.3.1 基本结构 汽 轮 机 设 备 及 系
统
整锻转子、焊接转子
2.3 汽轮机的零件结构与强度振动概述
2.3.1 基本结构 汽 轮 机 设 备 及 系 4、隔板、静叶栅
（1）隔板构造
• 外圈
– 用隔板套将隔板组合成一 个相对组合体 – 将隔板安装于汽缸内
2.3 汽轮机的零件结构与强度振动概述
2.3.1 基本结构 汽 轮 机 设 备 及 系 3、转子结构
o 汇聚各级功率，向外传递扭矩，是汽轮机所有转动部件的组合体 o 转子的类型
• 套装转子
– 叶轮
» 单独加工、红套
– 转轴
• 焊接转子
– 轮盘
» 单独加工、焊接
• 整锻转子
– 有中心孔 – 无中心孔
二、汽轮机的基本工作原理
主要内容
汽
1、汽轮机概述 轮 2、汽轮机的基本做功原理
机 设 备 及 系 （1）级的基本结构和工作原理 （2）多级汽轮机 （3）汽轮机的变工况
3、汽轮机的零件结构与强度振动概述
（1）基本结构 （2）强度与振动问题
统
4、汽轮机的调节、监测、保护概述
2.1 汽轮机概述
2.1.1 汽轮机定义及特点
• • • • 火电厂 核电厂 直接驱动 „„
统
2.1 汽轮机概述
2.1.1 汽轮机定义及特点 汽 3、汽轮机的发展趋势
轮 机 设 备 及 系 （1）增加单机功率：→300、600、1000、1300MW （2）提高蒸汽参数
• • • 亚临界：16.7MPa，538℃ 超临界：24.2MPa，566℃ 超超临界：28.2MPa，600℃
统
各种类型的叶根
2.3 汽轮机的零件结构与强度振动概述
2.3.1 基本结构 汽 轮 机 设 备 及 系 例如：某末级叶片 851、905、1000、1016
（1）叶顶结构
• 拉金 • 汽封
（2）叶身
• 扭叶片 • 防水蚀结构
– 表面焊硬质合金 – 其他表面处理
（3）叶根
• 四叉叉型叶根 • 五叉叶根槽 • 销
设 备 及 系 （1）基本特点
• • • 大功率：百万千瓦级 高效率：内效率可以达到90%以上 考虑新的特点
– 重热现象、余速利用 轴封漏汽损失、机械损失、蒸汽流动阻力损失（进汽、排汽） 进汽机构、汽缸转子的支承、排汽通道、抽汽管道……
（2）构成一个完整的整体
•
•
整机的其他损失
– –
统
完整的系统
2.2 汽轮机的基本做功原理
• 青岛汽轮机厂
– 中小型汽轮机
• 南京汽轮发电机厂
– 中小型汽轮机、燃气轮机
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• 杭州汽轮机厂
– 工业汽轮机
2.1 汽轮机概述
汽 轮 机 设 备 及 系 2.1.1 汽轮机定义及特点 ④其他方法： 5、汽轮机的分类及型号
（1）分类
① 工作原理
– – 冲动式 反动式 – 轴系
» 单轴 » 双轴
– 汽缸布置
（3）提高效率 （4）降低金属消耗量和成本 （5）提高机组运行水平，增强机组的负荷适应性 （6）采用联合循环（燃气––蒸汽联合循环）
• • 提高效率： →57%~60% 清洁燃烧技术（减少污染：除尘、脱硫、脱硝、重金属等）
统
2.1 汽轮机概述
汽 轮 机 设 备 及 系 2.1.1 汽轮机定义及特点 （2）国外 4、汽轮机生产厂家
» 静叶栅 » 动叶栅 » →反动式汽轮机 » →级数相对较多 » →轴系细长
– 构成的汽轮机
» →冲动式汽轮机 » →级数相对较少 » →轴系相对短而粗
统
o 构成汽轮机的两类基本流派， 各有特点，各有应用
o 目前发展的趋势在于两者的 相互各取所长，最佳的反动 度大约在0.4左右。
2.2 汽轮机的基本做功原理
统
2.2 汽轮机的基本做功原理
2.2.2 多级汽轮机 汽 轮 机 设 备 及 系
统
多级冲动式汽轮机
2.2 汽轮机的基本做功原理
2.2.2 多级汽轮机 汽 轮 机 设 备 及 系
统
多级反动式汽轮机
2.2 汽轮机的基本做功原理
2.2.2 多级汽轮机 汽 2、多级汽轮机的工作特点 级 → 汽轮机 轮 （基本做功单元） → （完整的机械） 机