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1、第二章 多级汽轮机 v第一节 多级汽轮机的特点和损失 v第二节 汽轮机及其装置的评价指标 v第三节 多级汽轮机的轴向推力及其平衡计算 v第四节 轴封及其系统 1 第一节 多级汽轮机的特点与损失 v多级汽轮机的工作过程 v多级汽轮机的优缺点 v多级汽轮机各级段的工作特点 v重热现象和重热系数 v进汽阻力损失和排汽阻力损失 2 一 多级汽轮机的工作过程 1.多级汽轮机的采用: 为了提高汽轮机的功率 ,就必须增加汽轮机的进汽量G 和蒸汽的 理想焓降。从经济和安全两个方面来考虑,只有一个级的汽轮机要能 有效地利用很大的理想焓是不可能的。为了有效地利用蒸汽的理想焓 降,唯一的办法就是采用多级汽轮机。多级
2、汽轮机的一级只利用总焓 降中的一部分。使每一级都能在最佳速度比附近工作,就能有效地利 用蒸汽的理想焓降,提高机组效率。 和单级汽轮机相比较,多级汽轮机具有单机功率大和内效率高的 特点。 3 多级汽轮机有冲动式和反动式两种。国产100MW、125MW、200MW汽轮机都是冲 动式多级汽轮机;国产300MW汽轮机则是反动式汽轮机。多级汽轮机通常 采用喷嘴调节(控制进汽量),称之为调节级,其余的级称为压力级。中 小型汽轮机,通常采用双列级作为调节级,大功率汽轮机多用单列级作为 调节级。多级汽轮机的通流部分如图2-1所示。蒸汽进入汽轮机各级膨 胀作功,压力和温度逐级降低,比容不断增加。因此,通流部分尺
3、寸是逐 级增大的,特别是在低压部分,平均直径增加很快。即叶片的高度越来越 长。由于受到材料强度的限制,叶片不可能太长,故大型汽轮机都采用多 排汽口。如国产200MW汽轮机,设计为三排汽口和两排汽口;国产300MW汽 轮机采用两排汽口。 4 2.多 级 汽 轮 机 的 工 作 过 程 : 蒸 汽 在 多 级 汽 轮 机 中 膨 胀 作 功 过 程 和 在 级 中 的 膨 胀 作 功 过 程一 样。作功过程是重复的,但参数 是变化的。 3.多级汽轮机的热力过程曲线:其热力 过程曲线如图2-2。调节级前的蒸汽状态点为 ,排汽压力用 表示。汽轮机总理 想焓降为 。由于进汽机的节流损失和排汽 机构的压力
4、损失,故调节级喷嘴前的实际状态 点为 , 而汽轮机末级动叶出口压力为 。考 虑了这两项损失之后,则总的理想焓降为 。 为整机的有效焓降。 多级汽轮机前一级的排 汽状态点,就是下一级的进汽状态点。把各 点连接起来,就是多级汽轮机的热力过程曲 线。整个热力过程曲线由三部分所组成:进 汽机构的节流过程,各级实际膨胀过程, 排 汽管道的节流过程。 5 二 多级汽轮机的优缺点 1.多级汽轮机每级的焓降较小,有可能使速度比设计在最佳速 度比附近,同时c1小、u也小,即直径小,叶高或部分进汽 度相应大,这些都使效率增大; 2.各级余速动能可以部分的被利用; 3.多级汽轮机可以实现回热循环和中间再热循环; 4
5、.由于重热现象,多级汽轮机前面级的损失部分的被后面各级 所利用。 6 三 多级汽轮机各级段的工作特点 一般情况下,沿着蒸汽流动的方向总可以将多级汽轮机 分为高压段、中压段和低压段三个部分。对于分缸的大型 汽轮机则可分为高压缸、中压缸和低压缸。由于各部分所 处的条件不同,各级段的工作特点也不一样。 1.高压段 2.低压段 3.中压段 7 四 重热现象和重热系数 1.重热现象: 在hs 图上,在过热区内,随着温度增加,等压线 是呈扩散形;在湿蒸汽区,等压线是斜率为常数的直线。 因此,在hs 图上的两条等压线之间的距离(焓降)是随 着熵的增加而增加的。这样一来,前一级的损失造成的熵 增,能使后一级的
6、理想焓降增加。即前一级的损失,加热 了蒸汽本身,使后一级的进汽温度升高,即在后一级得到 了利用这就是多级汽轮机的重热现象。 8 2.重热系数 (1)重热系数 如右图:整机理想焓降为 , 由于等压线是呈扩散形,所以 : 以上各式相加得: 即有 : 也就是 : 上式之比值 : 称为重热系数,用表示。则上式写成 9 (2)整机效率与级效率 根据上述推导, 表示各级理想焓降之和大于整机理想焓降。由于这 部分热量的利用,使整机的内效率大于各级平均内效率。设各级内效率相 等,用( )表示,则各级有效焓降为: , 相加得 10 而整机的内效率为: 由于 0,所以 ,即整机的内效率大于各级平均内效率。 通常,
7、重热系数 = 0.03 0.08 ,其大小与下列因素有关: 1) 和级数有关,级数多,大; 2) 与各级内效率有关,级内效率低,则大; 3) 与蒸汽状态有关,过热区大,湿汽区小。 * 这里,决不能误认为越大越好。因为增大,是以增加损失为代价 的,而重热只能回收损失其中的一小部分。大会使整机的内效率降低。 3.重热系数的计算: 一般用经验公式计算重热系数 其中,k修正系数,过热区 k = 0.2;湿汽区 k = 0.12;部分在过热区 ,部分在湿汽区 k = 0.140.18。 11 五 进汽阻力损失和排汽阻力损失 汽轮机必须有进汽机构和排汽管道。进汽机构由主汽阀 、调节阀、导汽管和蒸汽室组成。
8、排汽机构是一个扩散形的 排汽管所构成。蒸汽通过汽轮机进、排汽机构时,由于摩擦 和涡流的存在,会使压力降低,形成损失。 1.进汽机构中的压力损失 由于摩擦和涡流的存在,蒸汽通过汽轮机进汽管道就会 有压力降低。这个压力降低不作功,是一种损失。而第一级 喷嘴前的压力为 ,则 。 从图2-3 (b) 中可见,由于压力差p存在,使整机理 想焓降从 降为 。 000 ppp-=D 12 蒸汽在进汽机构中的压力损失和管道长短、阀门型线、蒸汽 室形状及汽流速度有关。通常,当阀门全开时,汽流速度为 (40 60)m / s ,则在进汽机构中由于节流所引起的压力 损失为: (2- - ) 对于大型汽轮机(如国产2
9、00MW 、300MW汽轮机),中压 缸和低压缸之间有低压导汽管道相连接,则低压导汽管道的 压力损失为: (2 - - ) 13 图213 考虑了进、排汽机构的压力损失的热力过程曲线 14 2. 排汽管道的压力损失:乏汽从末级动叶排出,经排汽管到凝 汽器或供热管道,蒸汽在其中流动时,因摩擦、涡流等原因 ,会造成压力损失,即排汽管道的压力损失。若末级动叶出 口压力为 ,凝汽器的压力为 ,则压力损失为 由于压力损失的存在,从图213(b)可知,使整机理想焓 降由 变为 。差值为 ,压力损失主 要取决于流速的大小、排汽管道的型线结构等原因。 15 通常用下式来估计排汽管道的压力损失,即 式中, 阻力
10、系数,一般取 =0.050.1; 排汽管中的汽流速度,对于凝汽机,取 =80120m/s;对于背压机,取 =4060m/s。 16 第二节 汽轮机及其装置的评价指标 1. 汽轮机的相对内效率 2. 机械效率 3. 发电机效率 则汽轮发电机组的相对和绝对电效率为: 蒸汽的热能 内功率Pi 电功率Pel 轴功率Pax 17 4. 汽耗率机组每生产1KWh电能所消耗的蒸汽量 5. 热耗率机组每生产1 KWh电能所需的热量 18 第三节 多级汽轮机的轴向推力及平衡 v多级汽轮机的轴向推力 v轴 向 推 力 的 平 衡 方 法 19 一 多级汽轮机的轴向推力 蒸汽通过汽轮机通流部分膨胀作功时,对叶片的作
11、用力由 圆周分力和轴向分力所组成。其中,圆周分力推动叶轮作功, 而轴向分力则对转子产生一个轴向推力。 在一般情况下,作用在一个冲动级上的轴向推力由 4 部分 所组成: 作用在动叶片上的轴向力 : ( 265 ) 当反动度不大时,压力反动度( )和焓降 反动度相差不大,这样一来, 则上式为 (266) 20 2.作用在叶轮面上的轴向力 当 叶轮两侧轮毂相等时,则上式为: (2-6 7 ) 其 中 , 为叶轮前的压力。(略) 3.作用在轮毂上或者转子凸肩上的轴向力 (268 ) 4.作用在轴封凸肩上的轴向力 (2-70 ) 这样,多级汽轮机总的轴向推力为各级轴向推力之和。即 , ( N ) (2-
12、71 ) 21 二 轴向推力的平衡方法 在多级汽机中 ,总的轴向推力是很大的。特别是反动式汽轮机,其总的 轴向推力可达 200 300 T ,冲 动式汽轮机 , 其总的轴向推力可达 4080T。 这样大的轴向推力是推力轴承所不能承受的 。 因此 ,必须设法减少总的轴向 推力 ,使之符合推力轴承的能承载能力。也就是说 ,对汽轮机总的轴向推力 应加与平衡 。 常见的轴向推力平衡办法有 : 1.采用平衡孔平衡轴向推力 在叶轮上开设平衡孔可以减少叶轮两侧的压力差,从而可以减少作用在叶 轮上的轴向力。 2.设置平衡活塞 如图2 - 23 所示,在平衡活塞上装有齿形轴封, 当蒸汽由活塞的高压侧向低压侧流动
13、时,压力由 降为 。平衡活塞在压力差作用下,就产生了 一个向左的作用力 。 这个力刚好与 方向相反, 起到了平衡作用。 22 3.采用多缸反向布置 采用多缸反向布置,使汽流在不同的汽缸中作反向流动, 其轴向力方向相 反,达到了平衡的目的。图2-24为多缸反向布置的示意图。国产125MW、 200MW、300MW 汽轮机都采用多缸反向布置的办法来平衡轴向力。 4.推力轴承所承担的轴向推力 汽轮机的运行要求推力轴承承担一部分轴向推力,以保证汽轮机运行工况 发生变化时,轴向推力方向不变,达到机组稳定运转的目的。推力轴承所承 担的轴向推力为: 为了安全起见,核算推力轴承 时,其安全系数 应大于1.5
14、1.7。 23 第四节 轴封及其系统 v汽封的结构与种类 v曲径轴封 v齿形轴封的工作原理 v轴 封 漏汽量计算 v轴封系统 24 一 汽封的结构与种类 1. 按其安装位置的不同: 通流部分汽封 隔板(或静叶环)汽封 平衡活塞气封 轴端汽封 2. 汽封的结构型式:曲径式、碳精式和水封式 25 1. 齿形轴封的工作原理: 从左图可见到,蒸汽通过一环形齿隙 时,由于通道面积减小,速度增加,压力从 Po降到p1 。但是蒸汽进入两齿间的大空间 时,容积突然增大,速度大为减小。由于涡 流和碰撞,蒸汽动能被消耗而转变成热量, 使蒸汽焓值又回到原值,如左下图所示。即 蒸汽通过轴封齿隙为一节流过程。其后,蒸
15、汽每通过轴封一齿隙时,都重复这一过程, 压 二 曲径轴封 26 力不断降低,直到降低轴封最后一齿后的 压力为止。所以,轴封的作用是将一个较 大的压差分割成若干个减小的压差,从而 达到降低漏汽速度,减小漏汽量的作用。 这就是齿形轴封的工作原理。 蒸汽每通过轴封一齿隙时,压力 不断降低,容积不断扩大,而流量是相同 的。根据连续性方程,则流速是越来越大 的,并在最后一齿大最大。如左图所示, ab 曲线对应C/v=常数,称为芬诺曲线。 27 2. 轴 封 漏汽量计算: 3. 为了计算轴封漏汽量,这里作两个假设: 蒸汽在轴封间隙中的流动和在简单的渐缩喷嘴中的流动相似; 假定轴封各齿隙的面积都相同。 从轴
16、封的工作原理可知,蒸汽在轴封间隙中的流动时,汽流速度是逐级 增加的。现在又蒸汽在轴封间隙中的流动和在简单的渐缩喷嘴中的流动相 似。所以,蒸汽在轴封间隙中的最大速度是临界速度,这一速度只可能在 轴封最后一齿中达到。这样,蒸汽在轴封间隙中的流动可能产生两种情况 : 蒸汽在轴封各齿隙中的流动均小于临界速度; 蒸汽在轴封最后一齿隙中达到临界速度,而在以前各齿中其汽流速度均小 于临界速度。 28 蒸汽在轴封最后一齿隙中流速低于临界速度时 若已知轴封前后蒸汽压力为 ,轴封间隙为 ,轴封齿数为 ,高低 齿间隙处的直径分别为 二者相差小, 用平均半径 , 则轴的齿隙面积 。则通过轴封的漏汽量可用下式计算: 从
17、上式可知,当轴封前后蒸汽压力确定后,增加轴封齿数,可减少漏汽量。 蒸汽在轴封最后一齿隙中流速达到临界速度时 根据上述公式分析,当蒸汽在轴封最后一齿隙中流速达到临界速度,而在 此之前的各齿中,汽流速度均小于临界速度的情况下,其漏汽量可用上式计 算: 而蒸汽在最后一齿隙中流速达到临界速度,其流量为临界流量,因此应按临界 流量公式进行计算,即 根据连续性,两种流量应相等。 则轴封最后 一齿隙中流速达到临界时,漏汽量为: 29 临界状态判别式 当蒸汽在轴封最后一齿隙中流速达到临界速度时,则该齿前后压力比 0.546。则可得到临界状态判别式: 即当 时,则说明最后一齿达到临界速度;反之,若 ,则说明最后
18、一齿未达到临界速度。当判别之后,分别计算其相应的漏汽量 。 轴封漏汽量的流量系数 在上述两种情况下的轴封漏汽量计算式中,没有考虑轴封结构的影响。 所以,流过轴封的实际漏汽量,应该是在上述两种计算式中所计算漏汽 量再乘以一个流量系数。即 不同结构的轴封,其流量系数 可从图2-10 中查得。 * 对于平齿齿封,其流量的计算,则要从图2-11中查取一个修正系数,用 此系数乘以用上述方法计算而得到的轴封漏汽量,即 30 图210、图211 流量系数、修正系数 31 3. 减少漏汽的途径:当漏汽通过轴封时,依次逐个通过这些齿 隙和环形汽室。通过轴封漏量按续程方程 来确定。为了减少漏汽量,可以通过:减少齿
19、隙面积A、汽流速度C 和增大比容V 等办法来实现。 但是: 比容是蒸汽流动状态来决定,不可任意改变 。 而面积 分别为轴封直径、间隙)、轴封直径d是 由大轴的强度确定。为了保证安全,间隙不能太小(一般 = 0.3 0.6 mm) 。 太小,可能使大轴与轴封片摩擦,造成大轴 弯曲 , 引起机组振动。 唯一可行的办法就是减小汽流速度C。汽流速度C取决于轴封 齿两侧的压力差,所以减小轴封齿两侧的压力差是减少轴封漏 汽量的主要措施。 32 三 轴封系统 1. 轴封系统实例 2. 轴封系统的特点 轴封汽的利用 低压低温起源的应用 防止蒸汽由端轴封漏入大气 防止空气漏入真空部分 33 作业与思考题: 1、为什么要采用多级汽轮机? 2、画出多级汽轮机的热力过程曲线。 3、多级汽轮机有哪些损失?各是如何产生的?又如何减少? 4、叙述齿型轴封的工作原理。 5、解释:汽轮机的相对内效率、内功率、轴端功率、电功率;相对电效率、 循环热效率、绝对电效率;汽耗率、热耗率。 6、多级汽轮机轴向推力的平衡办法。 7、提高汽轮机单机容量的措施有哪些? 34
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