汽輪機(jī)原理課件第三章

1、汽輪機(jī)的變工況特性第一節(jié) 噴嘴的變工況特性第二節(jié) 級(jí)與級(jí)組的變工況特性第三節(jié) 配汽方式及其對(duì)定壓運(yùn)行機(jī)組變工況的影響第四節(jié) 滑壓運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性與安全性第五節(jié) 小容級(jí)流量工況與葉片顫震第六節(jié) 變工況下汽輪機(jī)的熱力核算第七節(jié) 初終參數(shù)變化對(duì)汽輪機(jī)工作的影響第八節(jié) 汽輪機(jī)的工況圖與熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪機(jī)噴嘴的變工況特性縮放噴嘴背壓漸高于設(shè)計(jì)值時(shí)，將先在噴嘴出口處，后在噴嘴漸放段內(nèi)產(chǎn)生沖波，超音速經(jīng)過沖波，流速大為降低，損失很大，所以縮放噴嘴處于背壓高于設(shè)計(jì)值的工況下運(yùn)行效率很低。漸縮噴嘴背壓高于設(shè)計(jì)值時(shí)不會(huì)出現(xiàn)沖波，速度系數(shù)很高，變工況效率仍然較高。漸縮噴嘴前后參數(shù)都變化時(shí)的流量變化 設(shè)計(jì)工況與變工況下噴嘴均

2、為臨界工況（噴嘴出口流速達(dá)到或超過臨界速度時(shí)，稱噴嘴處于臨界工況） 設(shè)計(jì)工況和變工況下的臨界流量之比為 表明在不同工況下的噴嘴的臨界流量正比于處壓或滯止初壓。 設(shè)計(jì)工況與變工況下噴嘴均為亞臨界工況，若不考慮溫度變化，則流量比為 漸縮噴嘴初壓背壓與流量的關(guān)系(曲線關(guān)系見課本P133).附帶說明：圖中虛線對(duì)漸縮噴嘴不適應(yīng)，但適用于縮放噴嘴，曲線喲一定的物理意義。滯止初壓，滯止初比容于噴嘴面積不變時(shí)，設(shè)計(jì)背壓減小會(huì)使噴嘴的流量降低。原因是隨著設(shè)計(jì)背壓的減小，設(shè)計(jì)壓比減小，縮放噴嘴的膨脹度必然增大，而出口面積已規(guī)定不變，故膨脹度增大使縮放噴嘴喉部面積減小，于是縮放噴嘴的流量隨臨界面積的減小而減小。另從

3、連續(xù)性方程Gt=An*Ct/Vt來看，由于超音速區(qū)域隨壓比減小，即隨著比焓降增大，比容增大的較大而流速相對(duì)增加的較小，因此當(dāng)設(shè)計(jì)背壓降低時(shí)，噴嘴面積不變，流量必定減小。0011ppGGcc00111ppGG級(jí)與級(jí)組的變工況特性級(jí)內(nèi)壓力與流量的關(guān)系級(jí)內(nèi)為臨界工況（級(jí)內(nèi)的噴嘴葉柵或動(dòng)葉柵兩者之一的流速達(dá)到或超過臨界速度，就稱該公況為臨界工況）級(jí)的工況變化前后噴嘴流速均達(dá)到或超過臨界值，不論動(dòng)葉中流速是否達(dá)到臨界值，此級(jí)的流量與滯止初壓或初壓成正比（不考慮溫度的變化）級(jí)的工況變化前后噴嘴流速均未達(dá)到臨界值而動(dòng)葉內(nèi)流速達(dá)到或超過臨界值時(shí)，只要采用動(dòng)葉的相對(duì)熱力參數(shù)，噴嘴的變工況的結(jié)論都可用在動(dòng)葉上。級(jí)

4、內(nèi)為亞臨界工況（級(jí)內(nèi)噴嘴和動(dòng)葉出口氣流速度均小于臨界速度，則稱該工況為壓臨界工況）若不考慮溫度的變化，可得兩工況下的流量的近似比：級(jí)組壓力與流量的關(guān)系工況變化前后級(jí)組均為臨界工況在各級(jí)通流面積不變的條件下，處于亞臨界工況的級(jí)組，若級(jí)組前后壓差由小變大，則各級(jí)流量和流速也要增大，這時(shí)一般是級(jí)組內(nèi)最后一級(jí)最先達(dá)到臨界速度，這是因?yàn)楹竺婕?jí)的比容較大，其平均直徑比前面的大，若相鄰兩級(jí)的速比和反動(dòng)度基本相同，則后一級(jí)的比焓降較大，流速也常最大最后一級(jí)的蒸汽絕對(duì)溫度最低，當(dāng)?shù)匾羲僮钚。?2202212011ppppGG 亞臨界工況級(jí)組中某一級(jí)的噴嘴或動(dòng)葉的氣流速度剛升到臨界速度時(shí)，級(jí)組前后的壓力比稱為級(jí)組

5、臨界壓力比。若不考慮溫度變化，設(shè)計(jì)工況與變工況下的臨界流量比為： 工況變化前后均為亞臨界工況 弗留格爾公式： ，它是級(jí)組在亞臨界工況下的級(jí)組流量與壓力的近似關(guān)系式。 由弗留格爾公式可見，級(jí)組內(nèi)級(jí)數(shù)月多，同一初壓下的臨界壓力相對(duì)的越接近零，應(yīng)用它計(jì)算的誤差越小，反之誤差越大；不論級(jí)組內(nèi)級(jí)數(shù)多少，在設(shè)計(jì)工況下應(yīng)用弗留格爾公式時(shí)，各參數(shù)相等，因此沒有誤差，偏離設(shè)計(jì)工況越近，誤差越小，反之誤差越大；背壓與初壓相等，設(shè)計(jì)流量為零時(shí)，應(yīng)用弗留格爾公式的計(jì)算誤差為零。 應(yīng)用弗留格爾公式分析問題解決實(shí)際問題。 壓力與流量關(guān)系式的應(yīng)用條件 在推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)求取壓力與流量的關(guān)系式時(shí)，都規(guī)定了工況變動(dòng)前后通汽面積不變，

6、因此應(yīng)用這些關(guān)系式時(shí)，也必須保持設(shè)計(jì)工況和變工況下通汽面積不變。 級(jí)組內(nèi)各級(jí)流量相同是推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)求取壓力和流量關(guān)系式的又一前提。 流過級(jí)組內(nèi)各級(jí)的蒸汽應(yīng)是一股均質(zhì)汽流，調(diào)節(jié)級(jí)多數(shù)情況下流過兩股初壓不同的汽流，整個(gè)調(diào)節(jié)級(jí)不能包括在級(jí)組內(nèi)，其流量也不能單獨(dú)的用級(jí)的壓力與流量的關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，故級(jí)常從末級(jí)算起，以便把末級(jí)參數(shù)作為已知量參與運(yùn)算。0011ppGGcc220212011ggppppGG級(jí)的比焓降的變化規(guī)律 凝汽式汽輪機(jī)初壓，背壓均與流量成正比的非調(diào)節(jié)級(jí)，流量變化時(shí)級(jí)的理想比焓降基本不變。對(duì)凝汽式汽輪機(jī)的最末一級(jí)，在流量大于最小臨界流量，初壓正比于流量，但背壓不與流量成正比，背壓不變，流量增

7、大，理想比焓降增大；反之，流量減小，理想比焓降減小。 背壓式汽輪機(jī)的非調(diào)節(jié)級(jí)在忽略溫度變化時(shí)，由弗留格爾公式可得變工況下理想比焓降與流量的關(guān)系曲線（詳見課本）反動(dòng)度的變化規(guī)律，反動(dòng)度的變化主要是速比變化引起的，也受壓比的影響 反動(dòng)度的變化規(guī)律是：級(jí)的比焓降增大，即速比減小時(shí)，反動(dòng)度減小，；級(jí)的比焓降減小，級(jí)速比增大時(shí)，反動(dòng)度增大。設(shè)計(jì)反動(dòng)度較小的級(jí)，比焓降變化時(shí)反動(dòng)度變化較??；反之，變化較??；反動(dòng)級(jí)的反動(dòng)度基本不變。 對(duì)于凝汽式汽輪機(jī)末級(jí)，在蒸汽流量不變且動(dòng)葉出口流速已超過臨界速度的條件下，若排汽壓力下降，則動(dòng)葉比焓降增大而噴嘴的滯止理想比焓降不變，這是因?yàn)槟┘?jí)動(dòng)葉前壓力與動(dòng)葉臨界流量成正比，

8、流量不變則初壓力不變，末級(jí)噴嘴前滯止壓力與級(jí)的臨界流量成正比，流量不變則滯止初壓不變。即級(jí)的理想比焓降增大式反動(dòng)度增大，對(duì)于調(diào)節(jié)級(jí)，當(dāng)動(dòng)葉流速超過臨界速度時(shí)，也是如此。撞擊損失 設(shè)計(jì)工況下，汽流盡蠕動(dòng)葉柵的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向與動(dòng)葉進(jìn)口角一致，氣流能平滑的進(jìn)入動(dòng)葉。級(jí)的比焓降改變時(shí)，會(huì)使汽流進(jìn)入動(dòng)葉的相對(duì)方向改變，從而使動(dòng)葉附面層厚度改變，葉型損失增加，這一附加損失稱為撞擊損失。配汽方式及其對(duì)定壓運(yùn)行機(jī)組變工況的影響節(jié)流配汽節(jié)流配汽汽輪機(jī)定壓運(yùn)行的主要缺點(diǎn)是，低負(fù)荷時(shí)調(diào)節(jié)汽門中節(jié)流損失較大，使扣除進(jìn)汽機(jī)構(gòu)節(jié)流損失后的理想比焓降減小的較多。常用節(jié)流效率表示節(jié)流損失對(duì)汽輪機(jī)經(jīng)濟(jì)性的影響。與噴嘴配汽相比，其

9、優(yōu)點(diǎn)是沒有調(diào)節(jié)級(jí)，結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，定壓運(yùn)行流量變化大，各級(jí)溫度變化較小，對(duì)負(fù)荷變化適應(yīng)性較好。噴嘴配汽噴嘴配汽與節(jié)流配汽相比，節(jié)流損失較小，效率較高，這是噴嘴配汽的主要優(yōu)點(diǎn)。噴嘴配汽調(diào)節(jié)級(jí)即使各個(gè)調(diào)節(jié)汽門均已全開，仍部分進(jìn)汽，且調(diào)節(jié)級(jí)的余速不能被利用，而節(jié)流配汽初容量小外，第一級(jí)就是全周進(jìn)汽，沒有部分進(jìn)汽損失，而且第一級(jí)的余速動(dòng)能可被第二級(jí)利用，因此在額定功率下，噴嘴配汽汽輪機(jī)的效率比節(jié)流配汽的稍低。噴嘴配汽的主要缺點(diǎn)是，定壓運(yùn)行時(shí)調(diào)節(jié)級(jí)汽室?guī)讉€(gè)高壓級(jí)在變工況下溫度變化都較大，從而引起較大的熱應(yīng)力，這常成為限制這種汽輪機(jī)迅速改變負(fù)荷的主要因素。1.噴嘴配汽汽輪機(jī)不論定壓運(yùn)行還是滑壓運(yùn)行，

10、即可承擔(dān)基本負(fù)荷，又可用于調(diào)峰。定壓運(yùn)行的背壓式和調(diào)節(jié)抽汽式汽輪機(jī)易采用噴嘴配汽方式，以減小節(jié)流損失。調(diào)節(jié)級(jí)的最危險(xiǎn)工況 當(dāng)只有第一調(diào)節(jié)汽門全開而其他調(diào)節(jié)汽門關(guān)閉時(shí)，非但第一級(jí)的理想比焓降最大，而且流過第一噴嘴組的流量是第一噴嘴組的最大流量，這股流量集中在第一噴嘴組后的少數(shù)動(dòng)葉上，使每片動(dòng)葉分?jǐn)偟恼羝髁孔畲?。?dòng)葉的蒸汽作用力正比于流量和比焓降之積，因此當(dāng)?shù)谝徽{(diào)節(jié)汽門全開而其他調(diào)節(jié)汽門都關(guān)閉時(shí)，調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉受力最大，是危險(xiǎn)工況，調(diào)節(jié)機(jī)動(dòng)葉強(qiáng)度應(yīng)以這一功況核算。軸向推力的變化規(guī)律 變工況時(shí)全機(jī)的軸向推力的變化規(guī)律與配汽方式有關(guān)。軸向推力過大將使轉(zhuǎn)子軸向位移過大，使轉(zhuǎn)子與靜子的軸向位移間隙減小以至消

11、失，使動(dòng)靜之間產(chǎn)生摩擦及損壞。 級(jí)的軸向推力大小主要取決于級(jí)前后壓差與反動(dòng)度的乘積，因此級(jí)的變工況下的軸向推力與設(shè)計(jì)工況下的軸向推力可用下式來表示：)()(20210111ppppFFmmzz滑壓運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性與安全性滑壓運(yùn)行的概念汽輪機(jī)滑壓運(yùn)行時(shí)，調(diào)節(jié)汽門全開或開度不變。根據(jù)負(fù)荷大小調(diào)節(jié)進(jìn)入鍋爐的燃料量，給水量和空氣量，使鍋爐出口汽壓和流量隨負(fù)荷升降而升降，但出口氣溫不變，因此汽輪機(jī)的進(jìn)汽溫度維持額定值不變，而進(jìn)汽壓力與流量都隨負(fù)荷升降而增減，可借以調(diào)節(jié)汽輪機(jī)的功率。汽輪機(jī)的近汽壓力隨外界負(fù)荷增減而上下滑動(dòng)，故稱滑壓運(yùn)行，也稱變壓運(yùn)行?；瑝哼\(yùn)行分為三種方式：純滑壓運(yùn)行方式：純滑壓運(yùn)行汽輪機(jī)不需

12、要調(diào)節(jié)級(jí)，第一級(jí)應(yīng)全周進(jìn)汽，調(diào)節(jié)汽門全開，只靠鍋爐出口蒸汽壓力和流量的改變來調(diào)節(jié)機(jī)組負(fù)荷，由于鍋爐存在熱慣性，符合調(diào)節(jié)存在滯后現(xiàn)象。節(jié)流滑壓運(yùn)行：節(jié)流滑壓運(yùn)行也不需要調(diào)節(jié)級(jí)，第一集全周進(jìn)汽，節(jié)流調(diào)節(jié)汽門預(yù)先關(guān)小，進(jìn)行滑壓運(yùn)行，這種調(diào)節(jié)方式的缺點(diǎn)是節(jié)流調(diào)節(jié)汽門中有節(jié)流損失。負(fù)荷滑壓運(yùn)行方式，這是一種定壓與滑壓相結(jié)合的一種運(yùn)行方式，是目前調(diào)峰機(jī)組最常用的一種方式，它使機(jī)組在所有變負(fù)荷區(qū)域內(nèi)都有較高的經(jīng)濟(jì)性。機(jī)組滑壓運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性1.滑壓運(yùn)行機(jī)組與定壓運(yùn)行機(jī)組在同一流量下，中低壓缸的熱力過程線都一樣，經(jīng)濟(jì)性只比較高壓缸的熱經(jīng)濟(jì)性即可?；瑝哼\(yùn)行機(jī)組高壓缸在部分負(fù)荷時(shí)的相對(duì)內(nèi)效率高于定壓運(yùn)行機(jī)組，這是因?yàn)?/p>

13、滑壓運(yùn)行時(shí)主蒸汽溫度不變，雖然主蒸汽質(zhì)量流量和壓力都隨負(fù)荷減小而減小，但各種負(fù)荷下新政汽容積流量基本不變。容積流量不變使各級(jí)噴嘴，動(dòng)葉出口的流速不變，比焓降和內(nèi)效率都不變 而噴嘴配汽定壓運(yùn)行機(jī)組在部分負(fù)荷下調(diào)節(jié)級(jí)效率下降較多，節(jié)流配汽定壓運(yùn)行機(jī)組在部分負(fù)荷下節(jié)流損失較大。 滑壓運(yùn)行機(jī)組在部分負(fù)荷下的鍋爐給水壓力降低，用變速給水泵課降低給水泵耗功，這是一個(gè)不小的數(shù)值，因此低負(fù)荷時(shí)給水泵耗功的減小將給滑壓運(yùn)行機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性帶來明顯益處?；瑝哼\(yùn)行機(jī)組的安全性與靈活性 定壓運(yùn)行噴嘴配汽汽輪機(jī)調(diào)峰時(shí)，若迅速改變負(fù)荷或夜間停機(jī)和啟動(dòng)，特別是調(diào)節(jié)級(jí)引起較大的溫度變化或熱應(yīng)力，這是限制該機(jī)組調(diào)峰靈活性的主要障

14、礙，也是影響機(jī)組的安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵問題。定壓運(yùn)行節(jié)流配汽時(shí)，高壓缸各級(jí)溫度變化雖不大，但節(jié)流損失較大，熱經(jīng)濟(jì)性較低，只有滑壓運(yùn)行最適宜于調(diào)峰。 滑壓運(yùn)行機(jī)組負(fù)荷變化時(shí)高壓缸各級(jí)溫度幾乎不變，熱應(yīng)力和熱變形很小，這就大大增強(qiáng)了機(jī)組調(diào)峰的靈活性和安全性。滑壓運(yùn)行機(jī)組在負(fù)荷降低時(shí)，能保持中間再熱溫度穩(wěn)定，噴嘴配汽定壓運(yùn)行機(jī)組負(fù)荷下降時(shí)，因高壓缸排汽溫度下降，中壓缸進(jìn)汽溫度有所下降，這不僅影響效率，而且引起熱應(yīng)力和熱變形。滑壓運(yùn)行機(jī)組高壓缸排汽溫度穩(wěn)定，中壓缸進(jìn)汽溫度葉穩(wěn)定。由此可見，滑壓運(yùn)行機(jī)組的安全性和靈活性都高于定壓運(yùn)行。初終參數(shù)對(duì)汽輪機(jī)的影響 初溫不變，初壓升高過多，使主蒸汽管道，主汽門，調(diào)

15、節(jié)汽門，導(dǎo)管等承壓部件內(nèi)部應(yīng)力增加，若調(diào)節(jié)汽門開度不變，初壓增加，致使新汽比容減小，蒸汽流量增加，零件受力增大，各級(jí)葉片的受力正比于流量而增大，特別是末級(jí)的危險(xiǎn)性最大，因?yàn)榱髁吭龃髸r(shí)末級(jí)比焓降增大的很多，而葉片的受力正比于流量何必焓降之積，故對(duì)應(yīng)力水平已很高的末級(jí)葉片的運(yùn)行安全性可能帶來危險(xiǎn)。汽輪機(jī)的工況圖與熱電聯(lián)產(chǎn)熱電聯(lián)產(chǎn)：熱電聯(lián)合能量生產(chǎn)，它是將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為高品位的熱能用以發(fā)電，同時(shí)將以在供熱或汽輪機(jī)中做部分功后的地位能對(duì)外供熱，從而提高熱效率。汽輪發(fā)電機(jī)組的功率與汽耗量見的關(guān)系曲線稱為汽輪發(fā)電機(jī)組的工況圖，也成汽耗線。節(jié)流配汽凝汽式汽輪機(jī)工況圖，其汽耗特性方程為： 汽輪機(jī)的空載汽耗，即汽輪發(fā)電機(jī)組保持空轉(zhuǎn)時(shí)，為克服機(jī)械損失所消耗的蒸汽量。 汽耗微耗率，表示每增加單位功率所需要增加的汽耗量。噴嘴配汽凝汽式汽輪機(jī)工況圖（見P200)背壓式汽輪機(jī) （背壓式汽輪機(jī)加熱級(jí)數(shù)示意圖） 凝汽式汽輪機(jī)的排汽熱量式冷源損失，數(shù)量很大，若能把排汽壓力提高，八排汽熱量加以利用，或從汽輪機(jī)中抽出做過部分功的蒸汽來供熱，就可大大提高蒸汽動(dòng)力裝置的熱效率。這種既發(fā)電又供熱的汽輪機(jī)稱為熱電式汽輪機(jī)或稱供熱式汽輪機(jī)。主要有背壓式，調(diào)節(jié)抽汽式與調(diào)節(jié)抽汽背壓式。elnlPdDD1初溫不變，初壓降低一般不會(huì)帶來危險(xiǎn)。蒸汽初溫和再熱溫度對(duì)安全性影響