1000MW汽轮机原理.docx
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1000MW汽轮机原理
第三章 汽轮机工作原理
第一节汽轮机的基本工作原理和类型
汽轮机是一种以具有一定温度和压力的水蒸汽为工质,将热能转变为机械能的回转式原动机。
它在工作时先把蒸汽的热能转变为动能,然后再将蒸汽的动能转变为机械能。
一、冲动作用原理和反动作用原理
当运行物体碰到另一个静止的或速度较低的物体时,就会受到阻碍而改变其速度和方向,同时给阻碍它运行的物体一个作用力,通常称这种作用力为冲动力,如图3-1所示。
蒸汽在喷嘴1上发生膨胀,压力降低,速度增加,蒸汽的热能转换为动能,高速汽流冲击台面上的木块3,这时蒸汽的速度发生改变,就会有一个冲动力作用于木块,使其向前运动,这种作功的原理,称为冲动作用原理。
反动力的产生与上述冲动力产生的原因不同,反动力是由原来静止或运动速度较小的物体,在离开或通过另一物体时,骤然获得的一个较大的速度增加而产生的。
在反动式汽轮机中蒸汽在喷嘴中产生膨胀压力降低速度增加,汽流进入动叶后,一方面由于速度方向的改变而产生冲动力,另一方面蒸汽同时在动叶中继续膨胀,压力降低,汽流加速产生一个反动力,动叶则在这两种力的合力作用下将蒸汽动能转换成旋转的机械能,这种利用反动力作功的原理,称为反动作用原理。
在汽轮机中蒸汽的动能到机械能的转变都是通过上述两种不同作用原理来实现的。
通常我们将利用冲动原理作功的汽轮机称为冲动式汽轮机,将利用反动原理作功的汽轮机称为反动式汽轮机。
二、汽轮机的基本工作原理
最简单的汽轮机如图3-2所示,它由喷嘴、动叶片、叶轮和轴等基本部件组成。
从图可见,当有一定压力和温度的蒸汽通过喷嘴膨胀加速时,蒸汽的压力温度降低,速度增加,使热能转变为动能。
然后,有较高速度的蒸汽由喷嘴流出,进入动叶通道,在弯曲的动叶通道内,改变汽流方向,给动叶片以冲动力,如图3-3所示,产生了动叶旋转动力矩,带动主轴旋转,输出机械功,即在动叶中蒸汽推动叶片旋转做功,完成动能到机械能的转换。
由上述可知,汽轮机在工作时,首先在喷嘴叶栅中蒸汽的热能转变为动能,然后在动叶栅中蒸汽的动能转变为机械能,喷嘴叶栅和与它相配合的动叶片完成了能量转换的全过程,于是便构成了汽轮机的基本工作单元——级。
三、汽轮机的分类
汽轮机的类型很多,在实际运用当中,常按下列方法对汽轮机进行分类。
1、按工作原理分类
1)冲动式汽轮机:
按冲动作功原理工作的汽轮机称为冲动式汽轮机。
它在工作时,蒸汽的膨胀主要在喷嘴中进行,少部分在动叶片中膨胀。
2)反动式汽轮机:
按反动作功原理工作的汽轮机称为反动式汽轮机。
它在工作时,蒸汽的膨胀在喷嘴动叶片中各进行大约一半。
3)冲动反动联合式汽轮机:
由冲动级和反动级组合而成的汽轮机称为冲动反动联合式汽轮机。
2、按热力过程分类
1)凝汽式汽轮机:
进入汽轮机作功的蒸汽,除少量的漏气外,全部或大部分排入凝汽器的汽轮机。
蒸汽全部排入凝汽器的汽轮机又称纯凝汽式汽轮机;采用回热加热系统,除部分抽气外,大部分蒸汽排入凝汽器的汽轮机,称为凝汽式汽轮机
2)背压式汽轮机:
蒸汽在汽轮机作功后,以高于大气压的压力排出,供工业或采暖使用。
这种汽轮机称为背压式汽轮机。
若排汽供给中低压汽轮机使用时,又称为前置式汽轮机。
3)调整抽汽式汽轮机:
将部分作过功的蒸汽在一种或两种压力下抽出,供工业或采暖用汽,其余蒸汽仍排至凝汽器,这类汽轮机叫调整抽汽式汽轮机。
调整抽汽式汽轮机和背压式汽轮机统称为供热式汽轮机。
4)中间再热式汽轮机:
将在汽轮机高压缸部分作过功的蒸汽,引至锅炉再热器再次加热到一定温度,然后再重新返回汽轮机的中低压缸部分继续做功,这类汽轮机叫中间再热式汽轮机。
再热次数可以是一次,两次或多次,但一般采用一次中间再热。
3、按蒸汽初参数分类
1)低压汽轮机:
新蒸汽压力为1.176~1.47MPa;
2)中压汽轮机:
新蒸汽压力为1.96~3.92MPa;
3)高压汽轮机:
新蒸汽压力为5.88~9.8MPa;
4)超高压汽轮机:
新蒸汽压力为11.76~13.72MPa;
5)亚临界压力汽轮机:
新蒸汽压力为15.68~17.64MPa;
6)超临界压力汽轮机:
新蒸汽压力大于22.06MPa。
4、按蒸汽流动方向分类
1)轴流式汽轮机:
蒸汽流动整体方向大致与轴平行;
2)辐流式汽轮机:
蒸汽流动整体方向大致与轴垂直;
3)周流式汽轮机:
蒸汽大致沿叶轮轮周方向流动。
此外,还有一些分类方法,例如按汽缸的数目分为单缸、双缸和多缸汽轮机,按汽轮机的转轴数目分为单轴、双轴汽轮机等。
四、汽轮机的型号
表示汽轮机基本特征的符号叫汽轮机的型号。
我国目前采用汉语拼音和数字来表示汽轮机的型号,其表示方法由三段组成:
Χ ΧΧ-ΧΧΧ/ΧΧΧ/ΧΧΧ-Χ
第一段 第二段 第三段
第一段表示汽轮机型式(见表)及额定功率(MW),第二段表示蒸汽参数(见表),第三段表示改型序号。
汽轮机型号表示其型式的代号
汽轮机型式
我国汽轮机新型号中型式代号
第一个拼音字母
凝汽式
N
一次调整抽汽式
C
二次调整抽汽式
CC
背压式
B
调整抽汽背压式
CB
我国汽轮机新型号中蒸汽参数的表示方法
汽轮机型式
蒸汽参数表示方法
凝汽式
进汽压力/进汽温度
中间再热式
进汽压力/进汽温度/中间再热温度
一次调整抽汽式
进汽压力/调整抽汽压力
二次调整抽汽式
进汽压力/高压调整抽汽压力/低压调整抽汽压力
背压式
进汽压力/排汽压力
下面举例说明我厂机组型号:
“N300-16.7/538/538型”表示凝汽式,额定功率为300MW,主蒸汽压力为16.7MPa,主、再蒸汽温度为538℃。
第二节 汽轮机级的工作原理
一、级的反动度与级的类型
在汽轮机中,一列喷嘴和其后的动叶栅,组成了将热能转换为机械能的汽轮机的基本作功单元,通常称这个做功单元为汽轮机的级。
由一个级构成的汽轮机称为单级汽轮机,由若干个级构成的汽轮机称为多级汽轮机。
蒸汽流经级做功时,有的级中蒸汽仅在喷嘴中膨胀,有的级中蒸汽不仅在喷嘴中膨胀,而且在动叶中膨胀,在实际应用中,常依据蒸汽在动叶中是否发生膨胀及膨胀程度的大小,来区分级的类型。
图3-4表示没有损失时,蒸汽在喷嘴和动叶中都发生膨胀的理想热力过程,蒸汽在喷嘴中的理想焓降为,在动叶中的理想焓降为,级的理想焓降为。
=+式3-1
假想汽流被等熵地滞止到初速为零的状态时,蒸汽在级内等熵膨胀所具有的焓降称为级的滞止理想焓降,即。
蒸汽在动叶中的理想焓降与级的理想滞止焓降之比称为级的反动度,以表示,
式3-2
按反动度的不同,汽轮机的级分为:
1)冲动级,级的反动度=0。
蒸汽只在喷嘴中发生膨胀,在动叶中不发生膨胀,只改变速度和方向。
动叶的进出口截面接近相等。
2)反动级,级的反动度=0.5左右。
蒸汽在喷嘴、动叶中的膨胀程度接近相等。
喷嘴与动叶的形状相似,流道均为收缩型。
3)带反动度的冲动级,级的反动度=0.15左右。
蒸汽在动叶中有一定的膨胀,但小于在喷嘴中的膨胀量,蒸汽对动叶的作用力以冲动力为主。
二、蒸汽在喷嘴中的流动
汽轮机喷嘴是由相邻叶片构成的静止汽道。
它把蒸汽的热能转变为动能。
1)喷嘴出口的理想速度
蒸汽在喷嘴中为理想流动时,喷嘴出口处的气流速度叫喷嘴出口理想速度。
把能量方程
h0+c02/2+q=h1+c12/2+P 式3-3
应用于喷嘴时,由于喷嘴固定不动,不对外做功,即P=0,其次可以认为蒸汽在喷嘴中流动时与外界无热能交换,即为绝热过程,q=0。
故能量方程变为下列形式:
h0+c02/2=h1+c12/2式3-4
由式3-4可以求得喷嘴出口理想气流速度为:
式3-5
2)喷嘴出口实际速度
在实际流动过程中,由于蒸汽是具有一定粘性的实际气体,蒸汽流经喷嘴时,总是存在损失,从而使汽流获得的动能减小。
因此,喷嘴出口的实际汽流速度c1要比理想速度clt小。
一般用喷嘴的速度系数φ来考虑这个损失。
这样喷嘴出口的实际速度为:
式3-6
喷嘴中流动的能量损失(简称喷嘴损失),可以表示为
Δhnξ=c1t2/2-c12/2=(1-φ2)Δhn* 式3-7
3)喷嘴的流量
由连续方程式可导出喷嘴理想流量的计算式如下:
qm1t=A1×c1t/vt 式3-8
式中 c1t--喷嘴出口处的理想速度,m/s
v1t-喷嘴出口处理想比容,m3/kg
A1---喷嘴出口处的截面积,m2
实际流动中,由于存在流动损失,不仅使喷嘴出口的汽流实际速度降低,也使通过喷嘴的实际流量qm1小于理想流量qmlt,通常用流量系数μn来表示实际流量比理想流量减小的程度,它等于通过喷嘴的实际流量与理想流量之比,即
μn=qm1/qmlt 式3-9
由于影响流量系数的关系较复杂,很难用理论计算准确确定,故流量系数往往用实验方法求得。
三、蒸汽在动叶中的流动
从喷嘴出来的高速汽流,进入动叶,推动叶轮旋转,所以动叶栅有一个切向速度,即圆周速度u。
由于动叶栅是以圆周速度在转动,所以动叶栅进口蒸汽速度不是喷嘴出口速度,而是相对动叶栅速度w1。
由力学可知,进入动叶栅的相对速度w1应为绝对速度c1与圆周速度u的向量差,即:
w1=c1-u式3-10
式中 c1―喷嘴出口绝对速度,m/s
u―圆周速度,m/s,可按下式计算:
u=πdbn/60式3-11
如图3-5所示c、w和u之间关系的三角形叫速度三角形。
运用速度三角形,可在已知喷嘴出口速度和圆周速度的条件下,求出蒸汽进入动叶的速度,或在已知动叶出口相对速度和圆周速度的条件下,求出动叶出口绝对速度。
四、级的轮轴功率与轮周效率
对于一个具有反动度的冲动式汽轮机动叶栅,它不仅受到蒸汽冲动力F1的作用,而且受蒸汽在动叶片内膨胀加速所产生的反动力F2的作用,这两个力的合力F作用于动叶片上使叶轮旋转。
在汽轮机计算中,通常把该力F分解成一个周向力Fu和一个轴向力Fz,如图
3-6所示。
依据做功原理,Fz与运动方向相垂直,因而Fz不做功,只引起轴向推力;而周向力Fu与运动方向相同,是真正做功的力。
周向力Fu在动叶片上每秒钟所做的功叫级的轮周功率Pu,它等于周向力Fu与圆周速度之积
Pu=Fuu式3-12
人们把单位重量的蒸汽通过汽轮机某级所做轮周功wu与其在该级的理想焓降之比称为轮周效率,即
ηu=wu/Δht式3-13
轮周效率的大小直接反映了蒸汽在级中热能转换为机械能的程度。
五、最佳速比
圆周速度u与出口汽流速度c1之比称作速比,用符号x1表示,即
x1=u/c1式3-14
速比对轮周效率有很大影响,对于每一级均有一个最佳x1使η最高。
人们把轮周效率最高的速比称作最佳速比(x1)OP,通过推导可以得出:
纯冲动级的最佳速比(x1)OP冲=0.5cosα1;反动级的最佳速比(x1)OP反=cosα1。
α1为喷嘴的安装位置角,即喷嘴出口蒸汽绝对速度的方向角。
若纯冲动级和反动级的平均直径相同,且均在最佳速比下工作,则它们的理想焓降之比为2:
1,即纯冲动级为反动级的2倍。
也就是说,纯冲动级可耗用较大的焓降,做功能力大,常被作为调节级用;而反动级耗用焓降小,做功能力小,因而反动式汽轮机级数较多。
六、级内损失
级内损失:
在级的能量转换过程中,只是直接影响蒸汽状态的各种损失称为级内损失。
级内损失包括:
喷嘴损失、动叶损失、余速损失、扇形损失、鼓风磨擦损失、湿
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