第8章船舶汽轮机和燃气轮机要点.pdf
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1、第 8 章 船舶汽轮机和燃气轮机 174 第 8 章 船舶汽轮机和燃气轮机 涡轮机(也称透平)是以连续流动的蒸汽或燃气为工质,以叶片为主要工作部件,通过 工质在叶片机构中膨胀将热能转换成机械功的旋转机械。汽轮机和燃气轮机都是涡轮机,前 者以蒸汽为工质,后者以燃气为工质,尽管两者所用的工质不一样,但都是属于旋转式热力 发动机,其基本工作原理是一样的,都是利用高速流动的工质推动叶轮转动而对外输出机械 功的。涡轮机和往复式热力发动机相比,最突出的特点是运转平稳、单机功率大。 8.1 涡轮机概述 涡轮机械按其使用的功用,通常可以分成两大类: 1) 用作产生动力的涡轮机,如蒸汽轮机、燃气轮机; 2) 消
2、耗机械的涡轮机械,如各种泵、压缩机、风扇等涡轮机械。 上述每一大类,又可以按照流体通过机器的流道特征,再分成三类。工作流体的流向与 旋转轴基本平行的涡轮机械,称为轴流式涡轮机械;工作流体主要在与旋转轴垂直的平面上 流动的涡轮机械,称为径流式涡轮机械;转子出口处径向与轴向速度分量兼有的涡轮机械, 称为混流式涡轮机械,分别见图8-1 a) 、b)、c) 。不论是涡轮机、泵、还是压缩机,都可以 设计成轴流式、径流式或混流式。 图 8-1 涡轮机三种型式 研究船用涡轮机的热力设计和工作特性,它的主要理论依据是热力学和气体动力学。所 运用的基本定律是质量守恒定律、动力学定律、能量守恒定律等基本定律,这些
3、定律与气体 的特定性质无关,适用于任何气体,是揭示涡轮机中工质流动及其能量转换的基本方程。具 体的研究包括: 1)阐述涡轮机中能量转换以及工质流动所遵循的基本规律; 2) 分析通流部分中的能量损失以及各种气动热力参数、几何参数对效率的影响; 3) 气动热力设计和试验研究的理论和方法; 4)分析非设计工况的工作特性。 但是,涡轮机通流部分中气体的运动是一种性质极为复杂的,同时又伴随能量传递和热 交换的高温可压缩粘性气体的,三元不定常的流动过程。在实际工程设计计算和试验研究中, 通常假定气体在涡轮机中的流动,包括在静叶片内的绝对运动和动叶片内的相对运动,都是 定常流动,在附面层外的主流区可以忽略粘
4、性力的,与外界绝热的,轴对称流动。在流道横 第 8 章 船舶汽轮机和燃气轮机 175 截面变化不大,流线曲率甚小的涡轮短叶片中,气体的运动常常采用一元流动近似。实践证 明,以上的近似和简化对于涡轮机中的气体流动的计算,基本上能获得足够的精确度。 涡轮机一般由一列固定于静子上的静叶片和列装在转子上与转子一起转动的动叶片所 组成的级串联起来,加上进、排气装置组成。因此涡轮级是将高温高压的工质所具有的热能 转换为机械功的基本单元。涡轮机是由若干个工作条件和结构相类似的独立的涡轮级依次排 列而沟成,涡轮机的工作以级的工作为基础,进而形成整个涡轮机的工作原理。所以,人们 总是在研究涡轮级的工作原理的基础
5、上进而讨论整个涡轮机的工作原理。 8.1.1 涡轮级的概念 1. 涡轮级中流体参数的变化 涡轮级是由固定于静子上的静叶片和装在转子上与转子一起转动的动叶片所组成,将高 温高压的工质所具有的热能转换为机械功的基本单元。涡轮级中通过旋转中心轴的剖面图称 为纵剖面图,见图8-2 。以半径为r 的圆周将所有静、动叶片切割展开成平面,得到两排叶栅 截面展开图,见图8-3 。由涡轮级纵剖面图可见,0-0 截面为静叶进口截面,1-1 截面为静叶 出口,亦即动叶进口截面,2-2 截面为动叶出口截面。各特征截面的参数用相应下标0、1 或 2 表示。气体流经涡轮时,主要气动参数的变化如图8-3 所示。 图 8-2
6、 涡轮级的纵剖面图图 8-3 涡轮级中流体参数的变化 气体通过静叶栅时,从压力P。膨胀到P1, 伴随有定的加速(C1C0) 。动叶栅以转速n 运 动。其进、出口圆周速度为u, 分别用u1、u2表示。相对速度为W1的气流通过动叶栅时,从压 力 p1膨胀到p2,同时对外输出机械功。其出口相对速度为W2,绝对速度为C2。通常希望绝对 速度 C2接近轴线方向Z,即绝对出口气流角 2接接近 90,以减小绝对出口速度 C2相应的动 能 2 2 C2。 第 8 章 船舶汽轮机和燃气轮机 176 2. 速度三角形 涡轮级中气流速度大小及其方向的变化,或者说是动量的变化,可以清楚地用图8-5所 示的速度三角形来
7、表示。除了反映涡轮级中气流的运动情况以外,速度三角形还大致给出了 叶栅的形状以及叶栅和涡轮级的某些重要特征,因而也就规定了涡轮级工作过程的特点。各 级以及某一级沿叶高各个截面上速度三角形的选择和确定是涡轮机气动设计的重要内容。各 图 8-5 涡轮级速度三角形 级动叶栅前后的绝对速度为相对速度和牵连速度的矢量和: ii i uWC(8-1 ) 式中:60/ndru iii (m/s) 其中 n 是转子转动的转速( 转分 ) ,di是动叶栅前或后的某一直径(米 ) ,ui是与 di相应的 圆周速度 ( 米秒 ) 。式 (8-1) 指出三个速度矢量组成封闭的三角形,称为速度三角形。气流角 如图 8-
8、5 所示。气体在静叶栅中膨胀, 以绝对速度C1喷离静叶栅, 与叶轮旋转平面的夹角为 1, 此为静叶出口气流方向角,气流角度见图8-5 所示。当气体进入动叶栅时,由于动叶栅是以 圆周速度为u 在转动,当以旋转叶轮为参照物时,进入动叶栅的气体速度就不是C1, 而是气体 与动叶栅的相对速度 1 W。 1 W与叶轮旋转的夹角为 1,1为动叶进口气流的方向角。由三角 形的余弦定理、正弦定理可以得到速度与气流角之间的相互关系。动叶进口气流的相对速度 及其方向角为: 11 22 11 cosu2C-uCW( 8-2 ) )/sin(sin)/(sin 111 1 11 1 1 WCWC m ( 8-3 )
9、同理,可得动叶出口气流的绝对速度及其方向角为: 22 22 22 cosu2W-uWC( 8-4) )/sin(sin 222 1 2 CW(8-5 ) 第 8 章 船舶汽轮机和燃气轮机 177 8.1.2 涡轮机的基本工作原理 图 8-6 所示为小型单级冲动式汽轮机的 简图,其主要零件包括喷嘴和装在叶轮上的 动叶(图8-6a ) 。工质连续不断地流过喷嘴 和动叶流道(图8-6b ) 。工质首先在喷嘴中 膨胀,工质压力p 降低,绝对速度c 增大, 将所含热能转换成动能。然后高速流动的工 质再进入动叶流道,压力继续再降低,并在 动叶上产生作用力,推动叶轮转动,由于叶 轮是和涡轮机主轴连接成一体的
10、,故蒸汽的 动能转换成了主轴输出的机械功。 图 8-6 单级冲动式汽轮机的简图 除了冲动式涡轮机外,还有一种反动式 涡轮机,它是一种同时利用冲动力和反动力 推动叶轮旋转输出机械功的。根据反动作用 原理产生反动力推动物体运动的例子,以发 射运载火箭最为典型。当火箭燃料燃烧,燃 气高速喷离火箭射向大气,此时,高速的气 流就给火箭体一个与气流方向相反的反作用 力,推动火箭向前运动。反动式涡轮机与冲 动式涡轮机的不同点在于工质在它的动叶栅 通道中同时实现热能变动能与动能变机械功 的两重能量变化, 反动式涡轮机总是多级的, 在结构上它以静叶代替喷嘴,而以鼓式转子 代替轮式转子。图8-7 表示一部反动式涡
11、轮 机的简图,图的上方曲线分别表示其中 工质压力与速度的变化。 图 8-7 反动式涡轮机 1 静叶, 2 汽缸, 3 动叶, 4 转子 第 8 章 船舶汽轮机和燃气轮机 178 8.2 船舶汽轮机 现代汽轮机的结构较复杂,往往由若干级组成,每一级包括一列静叶(或喷嘴)和一列 动叶。根据用途,船舶汽轮机可以分成主汽轮机和辅汽轮机两种,前者是在船舶主推进系统 中驱动推进器的,后者则是用来驱动各种船用辅机的。船舶主汽轮机机组主要由主汽轮机、 冷凝器和齿轮减速器组成。图8-8 为典型的船舶主汽轮机结构剖视图。 图 8-8 船舶主汽轮机机组 1- 高压汽轮机 2-低压汽轮机 3-冷凝器 4 -齿轮减速器
12、 5-主推力轴承 6-支承轴承 8.2.1 船舶汽轮机的分类 船舶汽轮机种类很多,并有不同的分类方法,下面作简要介绍。 按结构形式分类有单级汽轮机和由若干级组成的多级汽轮机;各级装在一个汽缸内的 单缸汽轮机和各级分装在几个汽缸(分高、中、低压汽缸)内的多缸汽轮机;各级装在一根 轴上的单轴汽轮机和各级装在两根平行轴上的双轴汽轮机。 按工作原理分类有蒸汽主要在各级喷嘴( 或静叶 ) 中膨胀的冲动式汽轮机、蒸汽在静叶 和动叶中都膨胀的反动式汽轮机和蒸汽在喷嘴中膨胀后的动能在几列动叶上加以利用的速度 级汽轮机。 按热力特性分类分为凝汽式、供热式、背压式、抽汽式和饱和蒸汽汽轮机等类型。 1)凝汽式汽轮机
13、汽轮机排出的蒸汽流入凝汽器,排汽压力低于大气压力。具有良好的 热力性能,是最为常用的一种汽轮机。 2)供热式汽轮机既提供动力驱动发电机或其他机械,又提供生产或生活用热,具有较 高的热能利用率。 3)背压式汽轮机排汽压力大于大气压力的汽轮机。 第 8 章 船舶汽轮机和燃气轮机 179 4)抽汽式汽轮机从中间级抽出蒸汽供热的汽轮机。 5)饱和蒸汽轮机以饱和状态的蒸汽作为新蒸汽的汽轮机。 按汽流方向分类有蒸汽沿轴向逐级流动的轴流式汽轮机,蒸汽沿径向从内径向外径逐 级流动的径流式汽轮机。 8.2.2 船舶汽轮机组的构造主要部件 船用主汽轮机都是多级汽轮机,现代船用主汽轮机的级数一般为2030 级,且分
14、置在两 个或三个汽缸里。我们知道,汽轮机按上述工作原理是不能倒转的,为了保证船舶能够倒航, 在汽轮机上必须安装由若干级组成的倒车级。船用主汽轮机的倒车级一般都安装在中压缸和 低压缸内 (三缸式机组 ),或者只装在低压缸内(双缸式机组 ),它的叶片安装方向与正车级正好 相反。当正车旋转时,没有蒸汽通往倒车级,倒车级只是空转,因此会增加一些能量损失。 当船舶要倒航时,关闭正车进汽阀而打开倒车进汽阀,蒸汽被引入倒车级,主汽轮机就反转。 通常倒车汽轮机的功率取为正车汽轮机功率的40%50%,因为并不要求具备高度的经济性, 所以级数都不多。 对于军舰用汽轮机,为了提高在低负荷时的经济性,还可采用附加的低
15、速级。低速级分 为在巡航速度下用的巡航级和在经济速度下用的经济级。 为了使蒸汽能从一个汽缸流入另一个汽缸,并使低压缸流出的蒸汽进入凝汽器,在装置 中安装有一定长度的大直径容汽管。为了便于操纵,还设有各种仪表和阀等。这些均是汽轮 机组的重要辅助设备。 凝汽器是汽轮机组的重要的组成部分,在其中进行着蒸汽凝结。汽轮机组的第三个组成 部分为传动设备,它安放在汽轮机与推进器轴系之间。图 8-9 所示为带一级减速齿轮的三缸式 汽轮机一齿轮机组示意图。 图 8-9 船舶汽轮机 - 齿轮机组示意图 该机组由三个顺航汽轮机(高囚缸汽轮机、 中压缸汽轮机和低压缸汽轮机)和两个倒航汽轮 机(倒航高压缸汽轮机和倒航低
16、压缸汽轮机)组成。 后者分别安置在顺航中压缸和低压缸汽轮机 内。 新鲜蒸汽顺次地在各汽轮机内膨胀,工作后的废汽排入横挂在低压缸汽轮机下的凝汽器 中。高速的汽轮机将热能转化为机械能,通过齿轮减速机构和传动轴系,带动螺旋桨产生推 力,克服船舶阻力使船以一定速度前进。 第 8 章 船舶汽轮机和燃气轮机 180 汽轮机本体由静止部分和转动部分构成。静止部分称作“静子”,包括喷嘴、隔板、汽缸 和轴承等主要部件;转动部分就是转子,它由动叶、叶轮及主轴等组成。 1.喷嘴 汽轮机第一级喷嘴是直接装在汽缸上的。近代汽轮机采用喷嘴调节方式,这种汽轮机的 第一级常称为调节级。调节级喷嘴总是分成若干组布置在汽缸上,其
17、喷嘴的组数通常与调节 汽阀个数相对应,称为喷嘴组或喷嘴弧段。中压机组常采用单个铣制的喷嘴块焊接而成,见 图 8-10 中的件 4。图中首块3 与末块 5 的作用是把喷嘴组互相隔开,分成若干组。高压机组 采用另一种型式,即喷嘴组是整锻铣制焊接结构。 图 8-10 单个铣制的喷嘴及安装 1外环; 2 内环; 3 首块; 4 喷嘴块; 5 末块 2 汽缸 汽缸就是汽轮机的外壳,它的作用是将汽轮机的通流部分(喷嘴、动叶片等)与大气隔 绝,形成一个封闭的汽室,以使蒸汽在其中流动做功。 由于汽缸的外面敷装着厚厚的保温层,因此平时看不到它的真实形状。汽缸的形状较复杂, 并且要承受较高的蒸汽压力,因此都做得比
18、较厚。它是汽轮机中最笨重的部件。图8-11 为一 台高压单缸凝汽式汽轮机的汽缸外形图。 图 8-11 高压单缸凝汽式汽轮机汽缸外形图 为了便于加工、安装与检修,通常汽缸沿水平中分面做成上下两半,上部称上缸( 又称大 盖),下部称下缸,它们之间通过法兰、螺栓相连接。汽缸的水平接合面必须保证严密,不允 许漏汽。为此连接上、下缸的法兰常常比汽缸壁还要厚得多。同时螺栓采用加热紧固的方法 第 8 章 船舶汽轮机和燃气轮机 181 以防止热松弛,保证上下缸的连接有足够的强度与预紧力。 由于蒸汽在汽缸内的压力和温度是逐级降低的,因此常采用垂直接合面或者分缸的办法, 将汽缸分成高压缸、中压缸和低压缸。这样只在
19、压力、温度较高的高压缸和中压缸采用高温 耐热合金钢材,从而节约优质的合金钢材料。在新蒸汽参数较高的再热机组中,常采用双层 汽缸结构,见图8-12。在双层缸之间通有一定压力和温度的蒸汽,这样内外缸所承受的压差 均较低,而且只有内缸承受高温蒸汽的作用,因此内、外缸壁和法兰均可做得薄一些。外缸 由于承受的温度和压差均较低,故还可用较次一级的材料制造。这样不但节约了优质合金钢 材,更重要的是汽缸薄了以后,可使它在启动、停机及负荷改变时的热应力大大减小,给汽 轮机运行带来了极大的方便。 图 8-12 双层汽缸示意图图 8-12 低压缸采用双缸分流式结构的汽轮机 1高压缸: 2 连通(过桥管) 3 低压缸
20、 为了提高凝汽式汽轮机低压段各级的通 流能力,在现代大型汽轮机中常采用低压缸 分流的结构,如图413 所示。若把汽轮机 的最后几级分设在两个形状完全对称的汽缸 中, 使低压汽流 (其比容甚大 )分别在两个汽缸 中同时进行膨胀,这就相当于把有关各级的 通流面积增加了一倍,那末蒸汽的容积流量 即可允许大大地增长。 在主轴穿过汽缸的地方还设有轴封装 置,以限制汽缸内的高压蒸汽向外漏出和阻 止外界大气漏入处于负压条件下工作的低压 缸内。轴封装置有多种不同的型式,但其原 理大同小异,其中以曲径式轴封(亦称迷宫式 轴封 )应用最为广泛。 图 8-13 所示是一种经常 用于真空端的高低齿型曲径式轴封。 图
21、8-13 高低齿型曲径式轴封 1均衡室; 2 轴封套; 3 机轴; 4信号管; 5 疏水小孔 第 8 章 船舶汽轮机和燃气轮机 182 在轴封套2 的里侧装有许多高低相间的环形金属薄齿片,各高低薄齿片分另别与机轴上 的凹槽或凸台相对,彼此间只有极小的轴向间隙,使各相邻薄齿片之间形成一连串的环形小 汽室。汽轮机运行时,只要向轴封的均衡室1 内送入压力较外界大气压力略高的蒸汽,使之 经过多次节流后流向轴封的真空侧和大气侧,即可达到阻止外界大气漏入低压缸的目的。 在汽缸的高压端,情况与此相类似,缸内压力蒸汽经曲径式轴封装置往外泄漏时,每通过一 道轴封片都要起一次节流作用。显然,轴封片与机轴间的径向间
22、隙愈小,轴封片的片数愈多, 阻力就愈大,漏汽量也就愈少。但间隙不能太小,否则定子与转子可能相碰。 汽缸支撑在机座( 又称台板 ) 上,机座又通过垫铁固定在基础上。汽缸与机座不是紧固在 一起的,这是因为汽缸受热后要膨胀。若将汽缸与机座紧固在一起,就会约束与跟制汽缸的 这种热膨胀,使汽缸产生不均匀变形,引起中心变动。因此必须保证汽缸受热时能自由膨胀, 但这种自由膨胀必须加以合理引导,以保证汽缸和转子的几何中心一致。为此目的,通常在 汽缸与机座之间设有各种导向滑销,这些滑销组成了引导汽缸膨胀的滑销系统。 3. 动叶片 动叶片是汽轮机中数量最多的重要组成部件之一。 叶片制造有铣制、轧制、 模锻及精密铸
23、造等几种,图 8-14 为冷轧成型的叶片。由图可见, 叶片一般由围带5、工作部分1 和叶根 2 三部分组成。叶片间用隔叶件4 分隔开,以形成叶栅 通道,叶片顶部留有铆钉头6,供安装围带之用,这种围带为铆接围带。全铣制叶片的围带, 工作部分、叶根和隔叶件是一个完整的整体,所以安装起来十分方便。 叶片的根部常有T 型、外包T 型,叉型 及纵树型等不同型式,见图8-14 。T 型叶根 常用于离心力不大的高压级,叉型及纵树型 则用于离心力较大的低压级,特别是末几级 长叶片。 汽轮机在运行中其动叶承受很大的应 力,不仅承受汽流所加给的弯曲应力,同时 还承受高速旋转时离心力作用所产生的拉伸 应力。在多级汽
24、轮机中,由于蒸汽比容随着 压力的逐级降低而迅猛增大,蒸汽的容积流 量将越来越大, 这就要求动叶随着逐级加长。 高压段前几级叶片较短。中、小型机组的第 一级叶片长度通常为1520mm ;大型汽轮机 末级叶片长度可达650800mm ,甚至更长。 随着叶片长度的增加,长叶片将承受十分巨 大的拉伸应力。大型汽轮机末级叶片长度可 达 650800mm ,甚至更长。随着叶片长度的 增加,长叶片将承受十分巨大的拉伸应力。 图 8-14 轧制叶片 1. 工作部分; 3 叶根部分; 3 轮缘; 4 隔叶件; 5.围带; 6 铆钉头 4转子和主轴 汽轮机的转动部分总称转子,它包括主轴、叶轮、动叶片和其他各种附设
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