汽轮机原理

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汽轮机原理SteamTurbineTheory

1绪论汽轮机是以蒸汽为工质的旋转式机械，主要用作发电原动机，也用来直接驱动各种泵、风机、压缩机和船舶螺旋桨等。

2一、汽轮机的分类1、按工作原理分冲动式汽轮机反动式汽轮机2、按热力特性分凝汽式汽轮机背压式汽轮机抽汽式汽轮机抽汽背压式汽轮机多压式汽轮机

33、按主蒸汽压力分汽轮机类别主蒸汽压力（MPa)低压汽轮机0.12~1.5中压汽轮机2~4高压汽轮机6~10超高压汽轮机12~14亚临界压力汽轮机16~18超临界压力汽轮机>22.1超超临界压力汽轮机>32二、汽轮机型号的表示方法汽轮机型号的组成为：

4ΔXX-XX-XX变型设计次序蒸汽参数额定功率型式例：N300-16.7/538/538300MW凝汽式汽轮机,主蒸汽压力为16.7MPa，温度为538ºC,再热蒸汽温度538ºC。汽轮机型式代号见下表：代号型式代号型式N凝汽式CB抽汽背压式B背压式CY船用C一次调整抽汽式Y移动式CC两次调整抽汽式HN核电汽轮机

5N600-16.7/537/537-I哈汽600MW机也有非标准的制造厂内部编号:DH-600-40-T东汽N1000-26.25/600/600东汽1000MW机库车电厂二期汽机型号：NJK330-16.7/0.4/538/538

6第一章汽轮机级的工作原理级是汽轮机中最基本的工作单位级由静叶栅（喷嘴栅）和动叶栅组成本章着重阐述单级汽轮机的工作原理

7图1-1-3汽轮机级示意图1一喷嘴叶栅；2—动叶栅；3—隔板；4—叶轮；5—轴图1-1-3汽轮机级示意图1一喷嘴叶栅；2—动叶栅；3—隔板；4—叶轮；5—轴图1-1-3汽轮机级示意图1一喷嘴叶栅；2—动叶栅；3—隔板；4—叶轮；5—轴汽轮机级通流面示意图

82、级的工作过程（两步）第一步:具有一定压力和温度的蒸汽在喷嘴中膨胀降压增速，使蒸汽的热能转换成蒸汽的动能；第二步:从喷嘴出口的高速汽流进入动叶通道产生作用力推动转子转动，使蒸汽热能转换成转子的机械能。。

9注：转子和静子之间还设有汽封。在汽轮机内有隔板汽封、叶顶汽封等。在汽缸的两端装有轴封。汽轮机还配有辅助的汽水油系统、调节保护系统和汽缸滑销系统等。

10汽轮机的基本工作原理,或者说是级的基本工作原理:一.冲动作用原理汽流在动叶流道中转向而形成二.反动作用原理汽流在动叶流道中加速而形成

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13冲动力Fi反动力Fr合力汽流力F轮周方向上的分力Fu轴向分力FzFz

14喷嘴中的热力过程P0,P1分别是喷嘴进出口压力。理想热力过程从0→1。实际热力过程是0→2。0*点是0的滞止参数点。hsh1p112h1t∆hn∆hc00p0P0*0*h0h0*

15喷嘴出口汽流速度的计算喷嘴出口的理想速度c1t为：喷嘴实际出口速度为：喷嘴速度系数动能损失为：

16喷嘴动能损失滞止理想比焓降喷嘴的能量损失系数：与蒸汽之比

17蒸汽在动叶中的流动蒸汽在喷嘴中从压力p0膨胀到出口压力p1，以速度c1流向动叶栅。当蒸汽通过动叶时，一般还要继续膨胀，压力由p1降到p2.如图所示级的热力过程，则此时级的滞止理想比焓降Δht*为：sh0*021P0*P0P1P2Δhn*Δht*Δhb’∆hb近似认为与∆h‘b相等

18——动叶内理想比焓降Δhb与级滞止理想比焓降Δht*之比，表示蒸汽在动叶内的膨胀程度。1、反动度ΩmΩm=0时称为纯冲动级Ωm=0.5时称为典型反动级2、动叶出口的速度计算由能量平衡方程可知：由于存在不可逆损失，则动叶出口实际相对速度为：动叶速度系数

19这样蒸汽流经动叶时的能量损失：其能量损失系数是：小结：对蒸汽在喷嘴和动叶中流动的分析对整个汽轮机原理的学习来说，是最基本同时又是最重要的，必须深刻理解其热力过程，牢固掌握各个计算关系式及其物理意义。

20汽轮机级的类型和特点1.按反动度的大小进行分类纯冲动级，反动级，带反动度的冲动级2.按通流面积是否随负荷而变分类调节级，非调节级3.按蒸汽的动能转换为转子机械能的过程分类速度级，压力级

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25三、速度比及其与轮周效率的关系速度比：轮周速度u与喷嘴出口汽流速度c1之比。用x1表示，即x1=u/c1。研究速度比与轮周效率关系的目的在于根据不同级的特点，分析速度比对轮周效率的影响，并确定最佳速度比。（一）纯冲动级的速度比与轮周效率

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27由图可知：当2＝90时，c2最小，轮周效率最高，此时的速度比即为最佳速度比。由（b）图可知：最佳速度比的物理意义为：使动叶出口的绝对速度c2的方向角2＝90，即轴向排汽，从而使c2值最小，轮周效率最高时的速度比。速度比x1与轮周效率的关系可绘制成如下图所示的曲线。它是一条抛物线。其中：不随速度比的变化而变化。随速度比的增大而减小。随速度比的增大先逐渐减小，达到最小值后又逐渐增大。

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292.余速利用：最佳速度比：余速利用对轮周效率的影响：如下图所示。提高了级的轮周效率。中间级效率曲线在最大值附近变化平稳。使最佳速度比增大。理想速度比xa：Xa与x1的关系为：最佳理想速度比：

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31（二）反动级的速度比与轮周效率的关系由于反动级的喷嘴叶型和动叶叶型相同，反动级的余速基本上都能得到利用，即0＝1＝1根据最佳速度比的物理意义可得反动级在最佳速度比下的速度三角形如图1－27所示。由图可得最佳速度比为u＝c1uuc1w2=c1w1=c2

32图1－28注意和纯冲动级的比较图1－29

33第四节汽轮机的级内损失和级效率

34一、级内损失级内损失主要有叶栅损失、余速损失、扇形损失、叶轮摩擦损失、部分进汽损失、漏汽损失、湿汽损失等（一）叶栅的几何参数及叶栅损失反映叶栅几何特性的主要参数有叶栅的平均直径、叶片高度、叶栅节距、叶栅宽度B、叶型弦长、出口边厚度、进口边宽度、出口边宽度等。

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36平面叶栅的汽流流动损失包括：1.叶型损失（1）附面层中的摩擦损失（2）附面层分离时的涡流损失（3）尾迹损失2.冲波损失3.叶端损失（1）端部附面层中的摩擦损失（2）二次流损失

37（二）余速损失（三）扇形损失

38（四）叶轮摩擦损失＝

39(五)部分进汽损失如果将喷嘴布置在隔板（或蒸汽室）的整个圆周上，使蒸汽沿整个圆周进汽，这种进汽方式称为全周进汽。为了增高喷嘴的高度，则将喷嘴布置在部分圆周上，使蒸汽沿部分圆弧进汽，这种进汽方式称为部分进汽。

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41(六)漏汽损失

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43(七)湿汽损失(1)湿蒸汽在喷嘴中膨胀加速时，一部分蒸汽凝结成水滴，使作功的蒸汽量减少。(2)由于水滴本身不膨胀加速，所以悬浮在蒸汽中的水滴是依靠蒸汽带动的，因此主汽流要消耗一部分动能。

44（3）水滴进入动叶时正好冲击在动叶进口边背弧上，阻止了叶轮的旋转，从而消耗了一部分轮周功去克服这个阻力，造成损失(4)湿蒸汽在喷嘴中膨胀时，由于汽态变化非常快，蒸汽的一部分还来不及凝结成水，汽化潜热没有释放出来，形成了过饱和蒸汽或称过冷蒸汽，致使蒸汽的理想焓降减小，形成过冷损失。

45为了提高湿蒸汽级的效率和防止动叶被水滴侵蚀损坏，常采用下列两种方法：一是采用去湿装置，减少湿蒸汽中的水分；二是提高动叶的抗侵蚀能力。

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47二、汽轮机级的相对内效率和内功率

48三、级内损失对最佳速比的影响级内损失使级的相对内效率的最大值低于轮周效率的最大值，而且还会使最佳速比值减小，即相对内效率最高时的最佳速比小于轮周效率最高时的最佳速比。

49三、级的某些结构因素对效率的影响1.盖度盖度的采用一方面能适应汽流径向扩散的要求，使汽流较好地进入动叶通道，减少叶顶漏汽损失；另一方面防止由于制造和装配上的误差，使动静叶错位而造成喷嘴出口汽流撞击在围带和叶根上，产生额外的损失。但是如果盖度太大，将使汽流突然膨胀，以致在动叶顶部和根部产生很大的径向分速度，形成旋涡，降低级的效率，因此应有一个最佳盖度。

502．动静叶之间的轴向间隙从安全、经济两方面考虑确定开式轴向间隙的取值闭式轴向间隙的增大对级效率的影响有两方面，一方面使喷嘴出汽边到动叶进汽边之间的轴向距离增大，可减小喷嘴出口尾迹的影响，从而使动叶进口的汽流趋于均匀，这有利于级效率的改善；另一方面使汽流运动的距离增长，因而增加了汽流与汽道上下端面之间的摩擦，这不利于级效率的提高。因此，闭式间隙存在一个较佳的范围

513．径向间隙4．叶片宽度

52第二章多级汽轮机本章主要讨论多级汽轮机中蒸汽的进、排汽损失，轴向推力以及轴封系统等问题

53第一节多级汽轮机的优越性及其特点一、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，这些都是效率增大；2、各级余速动能可以部分的被利用；（注意哪些级的余速不能被利用）3、多级汽轮机可以实现回热循环和中间再热循环；4、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。二、重热现象和重热系数

54ΔhmactΔht’1Δht’2Δht’3Δht’4Δht，2Δht，3Δht，4Δhi，1Δhi，2Δhi，3Δhi，4Δhmaci在h-s图上，等压线沿着比熵增大的方向是逐渐扩张的，所以，多级汽轮机中上一级损失的一部分可以在以后各级中得到利用的现象。无损失和有损失时的理想焓降分别为：重热系数为：

55全机有效比焓降则全机的相对内效率为：各级平均的相对内效率：从以上分析可知，重热现象使全机的相对内效率高于各级平均的相对内效率。但并不是说α越大，全机的效率就越高。因为重热现象的存在只不过是使多级汽轮机能回收其损失的一部分而已。

56二、多级汽轮机的余速利用1．余速利用对级效率的影响2．余速利用对整机效率的影响

573．实现余速利用的条件（1）相邻两级的部分进汽度相同。（2）相邻两级的通流部分过渡平滑。（3）相邻两级之间的轴向间隙要小，流量变化不大。（4）前一级的排汽角应与后一级喷嘴的进汽角一致。综上所述，多级汽轮机的中间级基本上都能充分地利用前一级的余速动能，所以在设计时就不一定要求每一级都轴向排汽，而可以在直径、转速不变的条件下采用比较小的速比来增加每一级可承担的焓降，使总的级数减小。

58四、多级汽轮机各级段的工作特点1．高压段在多级汽轮机的高压段，工作蒸汽的压力、温度很高，比体积较小，因此通过该级段的蒸汽容积流量较小，所需的通流面积也较小。在冲动式汽轮机的高压段，级的反动度一般不大在高压段的各级中，各级焓降不大，焓降的变化也不大2．低压段低压段的特点是蒸汽的容积流量很大，要求低压段各级具有很大的通流面积，因而叶片高度势必很大级的反动度在低压段明显增大低压段的蒸汽容积流量很大，故叶轮直径大大增加，圆周速度增加较快从而使各级的焓降相应增加较快3．中压段

59第二节汽轮机的损失及其装置的效率和经济指标

60一、多级汽轮机的损失分类

61（一）多级汽轮机的外部损失1．机械损失2．外部漏汽损失齿形汽封能够尽量地减小漏汽间隙，并能有效地降低漏汽速度汽轮机各汽缸端部的轴封及其与之相连接的管道和附属设备，称为汽轮机的轴封系统。在机组正常运行时，靠高中压缸两端轴封漏汽作为低压端轴封供汽，不需另供轴封用汽，这种系统称为自密封轴封系统。

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66轴封蒸汽系统的作用是确保主汽轮机、小汽机端部和汽轮机进汽阀阀杆处的严密性，防止冷空气进入汽缸，影响真空及缸内温度场，另外也防止蒸汽从汽机端部泄漏到大气，并接收汽轮机轴封、高压主汽门、高压调门和高压缸通风阀阀杆的漏汽，同时将各汽封的漏汽合理导向或抽出。在机组正常运行时，由高、中压缸轴端汽封以及高压主汽门、高压调门和高压缸通风阀阀杆的漏汽经**减温后作为低压轴端汽封供汽的汽轮机汽封系统，多余漏汽经溢流站溢流至低压加热器或凝汽器。

67在机组启动或低负荷运行阶段，汽轮机内部必须建立必要的真空。此时，利用辅助蒸汽向汽轮机的轴封装置送汽。在汽轮机组正常运行时，汽轮机的高压区段的蒸汽向外泄漏，同时，为了防止空气进入轴封系统，在高压区段的最外侧一个轴封汽室，必须将蒸汽和空气的混合物抽出。由此看来，轴封蒸汽系统包括：送汽、回（抽）汽和漏汽三部分。该轴封系统从机组启动到满负荷运行，全过程均能按机组汽封供汽要求自动进行切换。轴封蒸汽系统具有简单、安全、可靠、工况适应性好等特点。

68为了汽轮机本体部件的安全，对送汽的压力和温度有一定的要求。因为送汽温度如果与汽轮机本体部件温度（特别是转子的金属温度）差别太大，将使汽轮机部件产生很大的热应力，这种热应力将造成汽轮机部件寿命损耗的加剧，同时还会造成汽轮机动、静部分的相对膨胀失调，这将直接影响汽轮机组的安全。

69为了控制轴封系统蒸汽的温度和压力，系统内除管道、阀门之外，还设有压力调节装置和温度调节装置。在汽轮机组正常运行时，轴封系统的蒸汽由系统内自行平衡。此时压力调节装置、温度调节装置仍然进行跟踪监视和调节。通过汽轮机轴封装置泄漏出来的蒸汽，分别被接到各自压力等级相应的抽汽、轴封加器等，尽可能地回收能量，确保汽轮机组的效率。

70汽轮机紧急停机时，高、中压缸的进汽阀迅速关闭。此时，高压缸内的蒸汽压力仍然较高，而中、低压缸内的蒸汽压力接近于凝汽器内的压力。于是，高压缸内的蒸汽将通过轴封蒸汽系统泄漏到中、低压缸内做功，造成汽轮机的超速。为了避免这种危险，当轴封系统的压力超限时，轴封泄荷阀立即打开，将轴封系统与凝汽器或低加接通。

71轴封蒸汽的汽源有三路：一是辅助蒸汽降压后供汽，一般作为冷态启动供汽。二是主蒸汽经调节阀降压后供汽，一般作为热态启动轴封供汽。三是冷再经调节阀降压后供汽。正常时低压轴封供汽是经过凝结水减温冷却后再供到低压缸各段轴封。

72在高负荷情况下，汽机各级和高压主汽阀、调阀的阀座门杆泄漏蒸汽压力比较高，从高、中压轴封腔室和各阀门阀杆处向轴封母管倒供汽，对低压缸提供轴封汽源，能维持轴封的用汽平衡，不需辅助蒸汽等辅助汽源，实现自密封。轴封泄荷阀则将多余的蒸汽通过轴封蒸汽切换阀排到低加或者凝汽器。

73去往各个汽封的密封蒸汽压力原则上是由下述四个气动调节阀调节的：主汽供汽调节阀、冷再供汽调节阀、辅汽供汽调节阀与轴封母管泄荷阀。每个阀门配有一个位移变送器，将阀门的开度转换为4～20mA的电信号，送往DCS。轴封母管的压力变化通过压力变送器将4～20mA的电信号送往DCS，由DCS完成对阀门的控制功能，并输出相应控制信号，来控制输往各调节阀膜盒的仪用空气量，从而控制各调节阀的开度，维持轴封母管的压力在规定的范围内。

74（二）多级汽轮机的内部损失1．汽轮机进汽机构的节流损失～～～

752．排汽管中的压力损失3．中间再热管道的压力损失=(8％～12％)

76二、汽轮机及其装置的效率一个机械或装置的输入能量与输出能量之比称为此机械或装置的效率。（一）相对效率当分折汽轮发电机组的经济性时，将汽轮发电机组作为研究对象，则输入汽轮发电机组中的能量为汽轮机的理想焓降，以此而得到的一组效率称为相对效率。1．汽轮机的相对内效率2．汽轮机的相对有效效率

773．汽轮发电机组的相对电效率

78三、汽轮发电机组的经济指标（一）汽耗率汽轮发电机组每发1度电所消耗的蒸汽量称为汽耗率，单位为每小时消耗的蒸汽量称为汽耗量D，单位为（二）热耗率汽轮发电机组每发1度电所消耗的热量，称为热耗率，单位

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80总结：汽轮机装置的评价指标蒸汽的热能内功率Pi电功率Pel轴功率Pax1、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：

814、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1KWh电能所需的热量

82第三节多级汽轮机的轴向推力反动式汽轮机的轴向力有100~200T，冲动式汽轮机的轴向力有40~80T。一、多级汽轮机的轴向推力1．作用在动叶片上的轴向推力

83２．作用在叶轮轮面上的轴向推力3．作用在轮毂上或转子凸肩上的轴向推力4.作用在轴封凸肩上的轴向推力

84二、多级汽轮机轴向推力的平衡方法1．设置平衡活塞2．采用具有平衡孔的叶轮3．采用相反流动的布置4．采用推力轴承

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