第二章多級汽輪機第一節(jié)多級汽輪機的工作過程

為了提高汽輪機熱效率和單機功率，必須提高初參數(shù)和降低終參數(shù)，這就要求增加汽輪機的級內(nèi)焓降。級內(nèi)焓降的增大使噴管出口速度c1增大，為了保持汽輪機級在最佳速度比范圍內(nèi)工作，就要相應(yīng)地增加級的圓周速度u和級的直徑，但增大圓周速度和級的直徑受到葉輪和葉片材料強度條件的限制，所以焓降不能無限制地增加。

噴嘴出口速度c1不可能太大，故汽輪機整機焓降只能采用多級來分別承擔(dān)，每一級只利用總焓降的一小部分。由此保證整機有較大的做功能力和每一級都處在最佳速度比附近工作。1多級汽輪機的特點1、循環(huán)熱效率提高可以提高初參數(shù)和降低終參數(shù)，可以實現(xiàn)回?zé)嵫h(huán)和再熱循環(huán)。2、相對內(nèi)效率提高A、每一級都在最佳速度比附近工作B、每級的平均直徑和噴嘴出口高度合理，減少葉高損失C、重?zé)岈F(xiàn)象的存在，前面級的損失可以部分被后面各級利用D、余速動能可以被下一級利用。2

多級汽輪機通常采用噴嘴調(diào)節(jié)(控制進汽量)，稱之為調(diào)節(jié)級，其余的級稱為壓力級。中小型汽輪機，通常采用雙列級作為調(diào)節(jié)級，大功率汽輪機多用單列級作為調(diào)節(jié)級。多級汽輪機的通流部分如圖2-1所示。

蒸汽進入汽輪機各級膨脹作功，壓力和溫度逐級降低，比容不斷增加。因此，通流部分尺寸是逐級增大的，特別是在低壓部分，平均直徑增加很快。即葉片的高度越來越長。沖動式汽輪機如下圖所示。3反動式汽輪機如圖所示4高壓缸特點：

級的葉高較小，端部損失較大，若采用部分進汽以增加葉高，則有部分進汽損失。通流面積較小，動靜間隙相對較大，漏氣損失較大，故效率較低。低壓缸特點：

級的葉高較大，扇形損失較大，必須采用扭曲葉片。處于濕蒸汽區(qū)，濕汽損失增加，故效率也較低。中壓缸特點：效率最高52，多級汽輪機的工作過程

：蒸汽在多級汽輪機中膨脹作功過程和在級中的膨脹作功過程一樣。作功過程是重復(fù)的，但參數(shù)是變化的。3，多級汽輪機的熱力過程曲線：其熱力過程曲線如圖2---2。調(diào)節(jié)級前的蒸汽狀態(tài)點為，排汽壓力用表示。汽輪機總理想焓降為。由于進汽機構(gòu)的節(jié)流損失，故調(diào)節(jié)級噴嘴前的實際狀態(tài)點為,由于排汽機構(gòu)的壓力損失，故汽輪機末級動葉出口壓力為。考慮了這兩項損失之后，則總的理想焓降為。而整機的有效焓降。多級汽輪機前一級的排汽狀態(tài)點，就是下一級的進汽狀態(tài)點。把各點連接起來，就是多級汽輪機的熱力過程曲線。整個熱力過程曲線由三部分所組成：進汽機構(gòu)的節(jié)流過程，各級實際膨脹過程,排汽管道的節(jié)流過程。

6第二節(jié)多級汽輪機的重?zé)岈F(xiàn)象一，重?zé)岈F(xiàn)象

在h—s圖上，在過熱區(qū)內(nèi)，隨著溫度增加，等壓線是呈擴散形；在濕蒸汽區(qū)，等壓線是斜率為常數(shù)的直線。因此，在h—s圖上的兩條等壓線之間的距離（焓降）是隨著熵的增加而增加的。這樣一來，前一級的損失造成的熵增，能使后一級的理想焓降增加。原因是前一級的損失，加熱了蒸汽本身，使后一級的進汽溫度升高，即在后一級得到了利用——這就是多級汽輪機的重?zé)岈F(xiàn)象。7二，重?zé)嵯禂?shù)1，重?zé)嵯禂?shù)如右圖：整機理想焓降為，由于等壓線是呈擴散形，所以：以上各式相加得：即有：也就是：上式之比值：稱為重?zé)嵯禂?shù)，用α表示。則上式寫成82，整機效率與級效率根據(jù)上述推導(dǎo)，表示各級理想焓降之和大于整機理想焓降。由于這部分熱量的利用，使整機的內(nèi)效率大于各級平均內(nèi)效率。設(shè)各級內(nèi)效率相等，用（）表示，則各級有效焓降為：……，相加得9而整機的內(nèi)效率為：由于α>0，所以

，即整機的內(nèi)效率大于各級平均內(nèi)效率。通常，重?zé)嵯禂?shù)

α=0.03-0.08

，其大小與下列因素有關(guān)：1)和級數(shù)有關(guān)，級數(shù)多，α大；2)與各級內(nèi)效率有關(guān)，級內(nèi)效率低，則α大；3)與蒸汽狀態(tài)有關(guān)，過熱區(qū)α大，濕汽區(qū)α小。**這里，決不能誤認為α越大越好。因為α增大，是以增加損失為代價的，而重?zé)嶂荒芑厥論p失其中的一小部分。α大會使整機的內(nèi)效率降低。三，重?zé)嵯禂?shù)的計算：一般用經(jīng)驗公式計算重?zé)嵯禂?shù)

其中，k——修正系數(shù)，過熱區(qū)k=0.2；濕汽區(qū)k=0.12；部分在過熱區(qū)，部分在濕汽區(qū)k=0.14~0.18。10第二節(jié)軸封及其系統(tǒng)

汽輪機除了各級級內(nèi)損失之外，還有進、排汽管道的節(jié)流損失，汽缸前后端的漏汽損失，機械損失。一，前后端的漏汽損失和漏汽量計算1，漏汽原因：由于結(jié)構(gòu)的要求，汽輪機轉(zhuǎn)軸必須從汽缸內(nèi)向外伸出并支持在軸承座上。這樣，轉(zhuǎn)軸和汽缸之間必須留有一定的間隙。汽缸的高壓端，缸內(nèi)蒸汽壓力大于大氣壓力，蒸汽必然要從間隙向外泄漏。這樣就減少了作功蒸汽量，降低了機組的經(jīng)濟性。在機組的排汽端，缸內(nèi)為真空運行，蒸汽壓力低于大氣壓力，外界的空氣將通過間隙流入汽缸內(nèi)，破壞真空，也會降低機組的經(jīng)濟性。1112啟動和低負荷時，軸封供汽進入X腔室，控制密封壓力在0.11~0.12MPa，從X腔室兵分兩路，一路流向汽缸內(nèi)部，一路流向Y腔室，Y腔室連通軸封冷卻器，并通過軸封抽風(fēng)機抽吸，控制Y腔室壓力在0.097MPa,從而避免軸封供汽漏向外界。外界空氣漏入Y腔室后與從X腔室來的密封蒸汽混合，一同流向軸封冷卻器。13高負荷時，中壓缸排汽達到密封壓力，中壓排汽端成為自密封，蒸汽從中壓缸X腔室排出流入軸封母管，再由母管流向低壓缸兩端的X腔室。中壓缸X腔室來的蒸汽進入低壓缸軸封前先進行噴水減溫。這種利用高中壓缸軸封漏氣作為低壓缸軸封用汽的方法稱自密封系統(tǒng)。142，減少漏汽的措施：

為了提高汽輪機的經(jīng)濟性，防止或減小這種漏進、漏出現(xiàn)象的存在，因此，在汽輪機的兩端漏氣（汽）處裝設(shè)汽封，以減少漏氣（汽）量。裝在汽輪機高壓端的汽封稱為前軸封，作用是為了減少高溫高壓蒸汽從汽缸內(nèi)向外泄漏；裝在汽輪機低壓端的汽封稱為后軸封，它的作用是為了防止外界空氣漏向汽缸，保證汽缸內(nèi)的真空度。對于多缸的大型汽輪機，每個缸的兩端都有軸封，其作用要根據(jù)具體情況而定。（一）齒形軸封的工作原理

1，齒形軸封的結(jié)構(gòu)：

現(xiàn)代汽輪機中常見的軸封是齒形軸封，它是由許多固定在汽缸上的金屬片組成。其高低齒與軸或者軸套上的凸肩相錯對應(yīng)，使兩者之間保持一較小的間隙，以形成許多汽封齒隙。而兩齒之間形成一個環(huán)形汽室，如圖所示。

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2，減少漏汽的途徑：當漏汽通過軸封時，依次逐個通過這些齒隙和環(huán)形汽室。通過軸封漏量按連續(xù)方程來確定。為了減少漏汽量，可以通過：減少齒隙面積A、汽流速度C和增大比容V等辦法來實現(xiàn)。但是：(1),比容是蒸汽流動狀態(tài)來決定，不可任意改變。(2),而面積分別為軸封直徑、間隙）、軸封直徑d是由大軸的強度確定。為了保證安全，間隙不能太小(一般=0.3~0.6mm)。太小，可能使大軸與軸封片摩擦，造成大軸彎曲，引起機組振動。(3),唯一可行的辦法就是減小汽流速度C。汽流速度C取決于軸封齒兩側(cè)的壓力差，所以減小軸封齒兩側(cè)的壓力差是減少軸封漏汽量的主要措施。

16齒形軸封的工作原理：從左圖可見到，蒸汽通過一環(huán)形齒隙時，由于通道面積減小，速度增加，壓力從p0降到p1

。但是蒸汽進入兩齒間的大空間時，容積突然增大，速度大為減小。由于渦流和碰撞，蒸汽動能被消耗而轉(zhuǎn)變成熱量，使蒸汽焓值又回到原值，如左下圖所示。即蒸汽通過軸封齒隙為一節(jié)流過程。其后，蒸汽每通過軸封一齒隙時，都重復(fù)這一過程，壓力不斷降低，直到降低軸封最后一齒后的壓力為止。所以，軸封的作用是將一個較大的壓差分割成若干個減小的壓差，從而達到降低漏汽速度，減小漏汽量的作用。這就是齒形軸封的工作原理。蒸汽每通過軸封一齒隙時，壓力不斷降低，容積不斷擴大，而流量是相同的。根據(jù)連續(xù)性方程，則流速是越來越大的，并在最后一齒最大。如左圖所示，ab曲線對應(yīng)Cρ=常數(shù)，稱為芬諾曲線。17（二）軸封漏汽量計算：

為了計算軸封漏汽量，這里作兩個假設(shè)：1，蒸汽在軸封間隙中的流動和在簡單的漸縮噴嘴中的流動相似；2，假定軸封各齒隙的面積都相同。從軸封的工作原理可知，蒸汽在軸封間隙中的流動時，汽流速度是逐級增加的?，F(xiàn)在假設(shè)蒸汽在軸封間隙中的流動和在簡單的漸縮噴嘴中的流動相似。所以，蒸汽在軸封間隙中的

最大速度

是

臨界速度

，這一速度只可能在軸封

最后一齒中達到

。這樣，蒸汽在軸封間隙中的流動可能產(chǎn)生

兩種情況

：1，蒸汽在軸封各齒隙中的流動

均小于臨界速度；2，蒸汽在軸封

最后一齒隙

中

達到臨界速度

，而在以前各齒中其汽流速度均小于臨界速度。181，蒸汽在軸封最后一齒隙中流速低于臨界速度時

若已知軸封前后蒸汽壓力為，軸封間隙為，軸封齒數(shù)為z，高低齒間隙處的直徑分別為[二者相差小，用平均半徑]，則軸的齒隙面積。則通過軸封的漏汽量可用下式計算：

從上式可知，當軸封前后蒸汽壓力確定后，增加軸封齒數(shù)，可減少漏汽量。2，蒸汽在軸封最后一齒隙中流速達到臨界速度時

根據(jù)上述公式分析，當蒸汽在軸封最后一齒隙中流速達到臨界速度，而在此之前的各齒中，汽流速度均小于臨界速度的情況下，其漏汽量可用上式計算：

而蒸汽在最后一齒隙中流速達到臨界速度,其流量為臨界流量，因此應(yīng)按臨界流量公式進行計算，即

根據(jù)連續(xù)性，兩種流量應(yīng)相等。則軸封最后一齒隙中流速達到臨界時，漏汽量為：193，臨界狀態(tài)判別式

當蒸汽在軸封最后一齒隙中流速達到臨界速度時，則該齒前后壓力比0.546。則可得到臨界狀態(tài)判別式：

即當時，則說明最后一齒達到臨界速度；反之，若，則說明最后一齒未達到臨界速度。當判別之后，分別計算其相應(yīng)的漏汽量。4，軸封漏汽量的流量系數(shù)

在上述兩種情況下的軸封漏汽量計算式中，沒有考慮軸封結(jié)構(gòu)的影響。所以，流過軸封的實際漏汽量，應(yīng)該是在上述兩種計算式中所計算漏汽量再乘以一個流量系數(shù)。即

不同結(jié)構(gòu)的軸封，其流量系數(shù)可從圖2---12中查得。

*對于平齒齒封，其流量的計算，則要從圖2---13中查取一個修正系數(shù)，用此系數(shù)乘以用上述方法計算而得到的軸封漏汽量，即

20圖2—12、圖2—13流量系數(shù)、修正系數(shù)21二，汽輪機進、排汽機構(gòu)的壓力損失

汽輪機必須有進汽機構(gòu)和排汽管道。進汽機構(gòu)由主汽閥、調(diào)節(jié)閥、導(dǎo)汽管和蒸汽室組成。排汽機構(gòu)是一個擴散形的排汽管所構(gòu)成。蒸汽通過汽輪機進、排汽機構(gòu)時，由于摩擦和渦流的存在，會使壓力降低，形成損失。

1，進汽機構(gòu)中的壓力損失

由于摩擦和渦流的存在，蒸汽通過汽輪機進汽管道就會有壓力降低。這個壓力降低不作功，是一種損失。而第一級噴嘴前的壓力為p0，則。從圖可見，由于壓力差p存在，使整機理想焓降從降為。蒸汽在進汽機構(gòu)中的壓力損失和管道長短、閥門型線、蒸汽室形狀及汽流速度有關(guān)。通常，當閥門全開時，汽流速度為（40~60）m/s，則在進汽機構(gòu)中由于節(jié)流所引起的壓力損失為：

對于大型汽輪機（如國產(chǎn)200MW、300MW汽輪機），中壓缸和低壓缸之間有低壓導(dǎo)汽管道相連接，則低壓導(dǎo)汽管道的壓力損失為：

22考慮了進、排汽機構(gòu)的壓力損失的熱力過程曲線232、排汽管道的壓力損失：乏汽從末級動葉排出，經(jīng)排汽管到凝汽器或供熱管道，蒸汽在其中流動時，因摩擦、渦流等原因，會造成壓力損失，即排汽管道的壓力損失。若末級動葉出口壓力為，凝汽器的壓力為，則壓力損失為。由于壓力損失的存在，從圖可知，使整機理想焓降由變?yōu)椤２钪禐椋瑝毫p失主要取決于流速的大小、排汽管道的型線結(jié)構(gòu)等原因。通常用下式來估計排汽管道的壓力損失，即式中，——阻力系數(shù)，一般取=0.05~0.1；——排汽管中的汽流速度，對于凝汽機，取=80~120m/s；對于背壓機，取=40~60m/s。24第五節(jié)汽輪機裝置的效率

火力發(fā)電廠的生產(chǎn)過程，要經(jīng)過一系列的能量轉(zhuǎn)換之后，最后才能將礦物燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。在這些轉(zhuǎn)換過程中，要用各種效率來描述整個能量轉(zhuǎn)換過程中的完善程度。

一，汽輪機的相對內(nèi)效率

汽輪機的相對內(nèi)效率是衡量汽輪機內(nèi)能量轉(zhuǎn)換完善程度的重要指標。它是整機的有效焓降與理想焓降之比，即

25二，汽輪機的內(nèi)功率

汽輪機的內(nèi)功率等于汽輪機的進汽量與有效焓降之乘積。

對于無回?zé)峒訜嵯到y(tǒng)

的汽輪機，它的內(nèi)功率為：

(kw)或者，=(kw)對于有回?zé)峒訜嵯到y(tǒng)

的汽輪機，它的內(nèi)功率為：

其中，D、G為汽輪機各級蒸汽量，為相應(yīng)的有效焓降。

26三，汽輪機的軸端功率、電功率

對于無回?zé)峒訜嵯到y(tǒng)的汽輪機，它的

軸端功率為：

汽輪機以軸端功率來拖動發(fā)電機發(fā)電，還要考慮發(fā)電機的機械損失和電氣損失。用表示

發(fā)電機的效率，則在發(fā)電機的出線端所獲得的

電功率為：

其中，，稱為相對電效率。它表示每kg蒸汽所具有的理想焓降中最后轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿姆蓊~，是衡量汽輪發(fā)電機組經(jīng)濟性的一項重要指標。

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四，循環(huán)熱效率和絕對電效率

由于汽輪發(fā)電機組熱力循環(huán)中存在著

冷源損失

，所以，為了使得1kg蒸汽獲得

理想焓降為的熱量，就需要加給比它比多許多的熱量。若忽略

水泵耗功，并且使裝置按

朗肯循環(huán)

工作，則裝置的

循環(huán)熱效率為：

其中，--------蒸汽的初焓，-------凝結(jié)水焓，即在背壓pc下的飽和水焓。這里，為每1kg蒸汽在鍋爐中所獲得的熱量。對于有回?zé)峒訜嵯到y(tǒng)來說，則hc應(yīng)為末級高壓加熱器出口的

給水焓值。這樣，整個熱力循環(huán)中加給1kg蒸汽的熱量最終轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿姆蓊~稱為

絕對電效率，用表示：

28五，汽耗率d熱耗率q

除了用效率表示汽輪發(fā)電機組的經(jīng)濟性外，還經(jīng)常用

汽耗率d熱耗率q

來表示其經(jīng)濟性。

生產(chǎn)1kw.h的電能所需要的蒸汽量稱為汽耗率，用d表示，即

對于同功率的汽輪機組，雖然功率相同，但因蒸汽的初終參數(shù)不同，而使得汽耗量不一樣。所以，汽耗率d并不宜用來比較不同類型機組的經(jīng)濟性，而是采用反映機組經(jīng)濟性的另一指標——熱耗率，即

發(fā)出1kw.h電能所需要熱量

，用q表示：

29第三節(jié)多級汽輪機的軸向推力及平衡一，多級汽輪機的軸向推力

蒸汽通過汽輪機通流部分膨脹作功時，對葉片的作用力由圓周分力和軸向分力所組成。其中，圓周分力推動葉輪作功，而軸向分力則對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生一個軸向推力。在一般情況下，作用在一個沖動級上的軸向推力由3部分所組成：

1、作用在動葉片上的軸向力：

當反動度不大時，壓力反動度（）和焓降反動度相差不大，這樣一來，則上式為

302、作用在葉輪面上的軸向力

當葉輪兩側(cè)輪轂相等時，則上式為：

其中，為隔板和輪盤間的蒸汽壓力。

3、作用在軸封凸肩上的軸向力

這樣，多級汽輪機總的軸向推力為各級軸向推力之和。即