第一節(jié) 第二節(jié)

第五章汽輪機的變工況設(shè)計工況：汽輪機在設(shè)計參數(shù)（進(jìn)行汽輪機熱力設(shè)計時確定的各參數(shù)）下運行為設(shè)計工況，也稱經(jīng)濟(jì)工況（在此工況下運行效率最高）。（汽輪機的熱力設(shè)計：給定初終參數(shù)、功率和轉(zhuǎn)速的條件下，計算和確定蒸汽流量、級數(shù)、各級尺寸、蒸汽參數(shù)、反動度、功率和效率等，進(jìn)而得出各級和全機的熱力過程線等。）任何一臺的汽輪機，其設(shè)計工況是唯一的。變工況：汽輪機在偏離設(shè)計參數(shù)的條件下運行的工況。第一節(jié)變工況下級的壓力與流量的關(guān)系汽輪機內(nèi)噴嘴有兩種型式：漸縮噴嘴和縮放噴嘴。由于兩種噴嘴的結(jié)構(gòu)不同，其變工況特性差別很大。研究噴管變工況主要是分析噴管前后壓力與流量之間的關(guān)系，噴管變工況的研究結(jié)果也可以用于動葉變工況的分析。電站汽輪機中通常不采用縮放噴嘴，本節(jié)主要討論漸縮噴嘴變工況的情況，對縮放噴嘴變工況只做簡單介紹。第一節(jié)變工況下級的壓力與流量的關(guān)系一、漸縮噴管壓力與流量的關(guān)系一元定常流動假設(shè)，對噴嘴進(jìn)出口截面參數(shù)討論，且各項蒸汽參數(shù)在各自的流動截面上是相同的，用流道中心各點的參數(shù)來代表噴管內(nèi)各截面的參數(shù)。漸縮噴嘴流量曲線（壓比和流量的關(guān)系）第一節(jié)變工況下級的壓力與流量的關(guān)系對漸縮噴嘴，在定熵指數(shù)k和流量系數(shù)μn都不變的條件下，若噴嘴前滯止參數(shù)p0*、v0*和出口面積An都不變，噴嘴的流量G與背壓pc的關(guān)系如圖所示。當(dāng)時，不變，如直線BC所示；當(dāng)時，流量沿曲線AB變化。（一）漸縮噴嘴初壓不變時背壓與流量的關(guān)系第一節(jié)變工況下級的壓力與流量的關(guān)系漸縮噴嘴的流量與背壓關(guān)系曲線p0*pcr橢圓圓心橢圓圓心半長軸半短軸橢圓公式彭臺門系數(shù)第一節(jié)變工況下級的壓力與流量的關(guān)系（二）漸縮噴嘴前后參數(shù)都變化時的流量變化存在三種情況：設(shè)計工況與變工況下噴嘴均為臨界工況、均為亞臨界工況、設(shè)計工況為臨界變工況為亞臨界無論漸縮噴嘴是處于臨界還是壓臨界，其流量都可以用其中，β值查P14圖1-12（k=1.3）。噴嘴臨界時，β

=1。噴嘴變參數(shù)前的流量：噴嘴變參數(shù)后的流量：變工況的參數(shù)，在下表后加“1”，p0－p01，p1－p11…噴嘴變化前后均為亞臨界第一節(jié)變工況下級的壓力與流量的關(guān)系理想氣體狀態(tài)方程忽略溫度變化則有：結(jié)論：噴嘴的臨界流量正比于初壓或滯止初壓，反比于噴嘴前熱力學(xué)溫度的平方根或滯止熱力學(xué)溫度的平方根。噴嘴變化前后均為臨界：忽略溫度變化則有：臨界亞臨界第一節(jié)變工況下級的壓力與流量的關(guān)系二、級的變工況

分級內(nèi)為臨界工況與亞臨界工況兩種情況來討論。

1．級內(nèi)為臨界工況

級內(nèi)的噴嘴葉柵或動葉柵兩者之一的流速達(dá)到或超過臨界速度界工況。1)級的工況變化前后噴嘴流速均達(dá)到或超過臨界值時，不論動葉中流速是否達(dá)到臨界值，此級的流量與滯止初壓或初壓成正比，與滯止初溫或初溫的平方根成反比，即

若不考慮溫度變化，則

第一節(jié)變工況下級的壓力與流量的關(guān)系2）級的工況變化前后噴嘴流速均未達(dá)到臨界值而動葉內(nèi)流速均達(dá)到或超過臨界值時，只要采用動葉的相對熱力參數(shù)，噴嘴變工況的結(jié)論都可用在動葉上，故

若不考慮溫度變化，則

由于噴嘴在設(shè)計工況和變工況下處于亞臨界工況，故斜切部分沒有偏轉(zhuǎn)，噴嘴出口面積不變。

若不考慮溫度變化的影響，則

第一節(jié)變工況下級的壓力與流量的關(guān)系2．級內(nèi)為亞臨界工況若級內(nèi)噴嘴和動葉出口汽流速度均小于臨界速度，則稱該級工況為亞臨界工況。這時級的噴嘴出口連續(xù)方程為級的反動度為0時，噴嘴的流量G’則，G‘可以寫為初速度為0則，G為變工況后的流量可以寫為，

近似計算中可對上式作兩點近似假定：①工況變動時，反動級的反動度基本不變，沖動級的速比變化不大時，反動度變化較小，故可設(shè)△Ωm=0；②亞臨界級的p2/p1較大，(p0-p2)較小，對于反動級倍數(shù)更多，故可同時忽略式中大根號內(nèi)分子、分母的第二項，則，

若不考慮溫度變化，則則第一節(jié)變工況下級的壓力與流量的關(guān)系第一節(jié)變工況下級的壓力與流量的關(guān)系（三）一種工況下處于臨界狀態(tài)，而在另一種工況下處于亞臨界狀態(tài)需要詳細(xì)核算級組的定義：級組是一些流量相等工況變化時通流面積不變的若干個相鄰級的組合，它可以是整個汽輪機，也可以是汽輪機的某幾個級。（二）級組前后壓力與流量的關(guān)系第一節(jié)變工況下級的壓力與流量的關(guān)系級組前后壓力和流量，符合斯托多拉流量錐。級組臨界的定義：當(dāng)級組內(nèi)各級均為亞臨界工況時，稱級組為亞臨界工況；當(dāng)級組內(nèi)至少有一列葉柵(如某一級的噴嘴或動葉)的出口流速達(dá)到或超過臨界速度時，稱級組為臨界工況。同樣也分別對級組為臨界與亞臨界兩種工況進(jìn)行討論。前提：同樣的級組第一節(jié)變工況下級的壓力與流量的關(guān)系級組均為臨界工況在各級通流面積不變的條件下，處于亞臨界工況的級組，若級組前后壓差由小變大，則各級流量和流速也要增大，隨著壓差的增大，一般是級組內(nèi)最后一級最先達(dá)到臨界工況，這是因為：a）后面級的蒸汽比容較大，其平均直徑比前面的級要大，若相鄰兩級的速比和反動度基本相同，則后一級的比焓降較大，也就是最后一級的比焓降最大，流速也最大。亞臨界工況級組中某一級（一般是最末級）的噴嘴或動葉的汽流速度剛升到臨界速度時，級組前后的壓力比稱為級組臨界壓力比。b)最后一級的蒸汽絕對溫度最低，當(dāng)?shù)匾羲僮钚?。第一?jié)變工況下級的壓力與流量的關(guān)系1。級組前、后壓力與流量的關(guān)系變工況前后級組均未達(dá)臨界狀態(tài)第一節(jié)變工況下級的壓力與流量的關(guān)系級組為流量相同的若干連續(xù)幾級組成，則級組中每一級均有同樣的關(guān)系存在。設(shè)級內(nèi)有Z級，則第一級：將其改寫成第二級：…………第Z級：各級相加得：第一節(jié)變工況下級的壓力與流量的關(guān)系因為為常數(shù)，而溫度比可看作不變，這樣一來，有同理可得所以經(jīng)改寫得：第一節(jié)變工況下級的壓力與流量的關(guān)系2、變工況前后級組內(nèi)達(dá)到臨界狀態(tài)在工況變動時，如果級組的最后一級始終在臨界狀態(tài)下工作，則通過該機組的流量與級組中所有各級的初壓成正比。即或若級組有若干級組成，則第一節(jié)變工況下級的壓力與流量的關(guān)系（1）級組中的級數(shù)應(yīng)不小于3～4級。費留格爾公式僅適用于具有“無窮多級”的級組，級組中的級數(shù)應(yīng)不小于3～4級，計算結(jié)果即可基本滿足工程精度的需要。極端情況下，其可用于一級。級數(shù)越多，越正確。（三）弗留格爾公式的應(yīng)用條件（2）通過同一級組各級的流量應(yīng)相同；對于凝汽機組，各級回?zé)岢槠颗c總進(jìn)汽量存在著正比關(guān)系，可不考慮其影響，而把除調(diào)節(jié)級之外的所有壓力級看成一個級組。（3）假定在不同工況下，級組內(nèi)各級的通流面積應(yīng)保持不變。而調(diào)節(jié)級是部分進(jìn)汽，而且進(jìn)汽度要發(fā)生變化，因此調(diào)節(jié)級不能同壓力級合為一組。或者面積變化之比五、弗蘭格爾公式的實際應(yīng)用第一節(jié)變工況下級的壓力與流量的關(guān)系1、可推算出不同流量下各級級前壓力。2、監(jiān)視汽輪機通流部分運行是否正常。某臺一次再熱超高壓凝汽式汽輪機的功率突然下降40％，此時機組無明顯振動，機組參數(shù)變化如表所示，負(fù)導(dǎo)表示降低。功率降低后，一些參數(shù)又基本穩(wěn)定不變，各監(jiān)視段壓力近似成比例降低。分析原因：調(diào)節(jié)級后壓力和中間再熱后壓力降低，表明蒸汽流量變小，這由給水流量也相應(yīng)變小而證實。由于各監(jiān)視段壓力與流量近似成正比，故可以認(rèn)為各非調(diào)節(jié)級的工作是正常的。流量的突降是調(diào)節(jié)級或調(diào)節(jié)級之前的通流部分故障所致。由于通流部分故障并來引起機組振動情況的改變，因而可以認(rèn)為流量突降不是轉(zhuǎn)動部分的機械損壞所致。調(diào)節(jié)級噴嘴、動葉損壞常使流量增大，調(diào)節(jié)級葉片斷落可能使非調(diào)節(jié)級第一級噴嘴堵塞而使調(diào)節(jié)級后壓力升高。但上述情況均與事實相反，因此不大可能是調(diào)節(jié)級的損壞。調(diào)節(jié)汽門閥桿斷裂將使汽門一直處于關(guān)閉或近于關(guān)閉的位置。為了判斷故障，移動油動機，提起閥桿，在第一調(diào)節(jié)汽門應(yīng)該開大的范圍內(nèi)，發(fā)現(xiàn)流量并不增大，表明這一閥門動作失靈。例2某汽輪機在運行21個月后發(fā)現(xiàn)功率不斷下降，已經(jīng)持續(xù)了一兩個月。分析每天數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)功率是以不變的速率下降的，而不是突降的。與21個月前的運行數(shù)據(jù)相比，變化情況見下表。分析原因：調(diào)節(jié)級后壓力增加21.2％，既然不是由于流量增加，那就只能是由于非調(diào)節(jié)級通流部分堵塞，由于這種堵塞是穩(wěn)定增加的，故不是機械損壞所致，極大的可能是通流部分結(jié)垢所致，又因為高壓缸效率大為降低，故可能是高壓缸結(jié)垢。開缸檢查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)高壓缸通流部分嚴(yán)重結(jié)垢。流量功率調(diào)節(jié)級后壓力高壓缸效率-17.2％-16.5％-21.2％-12.2％例3某汽輪機三年運行數(shù)據(jù)表明，在調(diào)節(jié)汽門的同一開度下，功率是漸漸增加的，三年前后的同一調(diào)節(jié)汽門開度下的運行數(shù)據(jù)之差見下表。在發(fā)現(xiàn)上述問題后，曾進(jìn)行試驗，證明在各個調(diào)節(jié)汽門的不同開度下，功率都變大。分析原因：功率增加，流量必然增加。從調(diào)節(jié)級后各處壓力基本上正比于流量增加來看，調(diào)節(jié)級以后各級的工作是正常的，那么功率變大就可能是調(diào)節(jié)級或調(diào)節(jié)級之前通流面積增大所致。各個調(diào)節(jié)汽門開度下功率（蒸汽流量）都變大，估計不應(yīng)是調(diào)節(jié)汽門的問題，因為不可能幾個調(diào)節(jié)汽門都同時發(fā)生問題。較大的調(diào)節(jié)級通流面積變大。功率調(diào)節(jié)級后壓力中間再熱后壓力高壓缸效率+11.0％+11.0％+10.2％-1.8％這就有三種可能：調(diào)節(jié)級噴管腐蝕；調(diào)節(jié)級葉片損壞；調(diào)節(jié)級噴管弧段漏汽。若是后兩種情況，則高壓缸效率要大大降低。但并未大大降低，故多半是調(diào)節(jié)級噴管腐蝕。開缸檢查，結(jié)果是第一、第二、第三噴管組的噴管出口邊腐蝕嚴(yán)重，調(diào)節(jié)級動葉腐蝕較輕。第二節(jié)變工況下級的比焓降和反動度的變化規(guī)律一、工況變動時各級比焓降的變化規(guī)律根據(jù)第二章的討論，級的理想焓降可近似寫成所以由上式可知，如忽略溫度的影響，級的比焓降取決于級壓比的大小。壓比增大，焓降減?。粔罕葴p小，焓降增大。

汽輪機工況變化時，對級壓比的變化規(guī)律進(jìn)行討論后，也就得到了焓降的變化規(guī)律。（一）凝汽式汽輪機1、凝汽式汽輪機各中間級比焓降的變化規(guī)律根據(jù)前面的討論可知，當(dāng)工況變動時，通過級的流量與級前壓力成正比，即上式表明，當(dāng)工況變動時，凝汽式汽輪機各中間級前后壓力比不變。這樣，代入焓降公式后可得，級的理想焓降不變。當(dāng)然，級的速度比和級效率也不變。而級的內(nèi)功率為：所以，工況變動時各中間級的內(nèi)功率與流量成正比。第二節(jié)變工況下級的比焓降和反動度的變化規(guī)律這就說明：凝汽式汽輪機中，在計算汽輪機各中間級的變動工況時，不需要逐級進(jìn)行詳細(xì)計算，只需求得各級前的壓力，然后將熱力過程曲線平移即可。而調(diào)節(jié)級和末級的變動工況，則要進(jìn)行詳細(xì)計算。流量大于臨界流量最小值時，雖p0正比于G，但背壓pc不與G成正比，一般pc不變，有流量增大，△ht增大；反之，流量減小，△ht減小。流量小于臨界流量最小值時，p0與G為雙曲線，G下降時，△ht減得稍慢2、凝汽式汽輪機的最末級和調(diào)節(jié)級凝汽式汽輪機的最末級的背壓pz取決于凝汽器的工況和排汽管的壓損，不與流量成正比，因而pz/pz-1隨流量的變化而變化。第二節(jié)變工況下級的比焓降和反動度的變化規(guī)律（二）背壓式汽輪機中間的變工況1、如果背壓式汽輪機最后一級達(dá)臨界，則各級前的壓力與流量成正比。其焓降、效率、反動度、功率的變化規(guī)律和凝汽式汽輪機各中間級一樣。2、但是，背壓式汽輪機的末級一般不會達(dá)臨界，其壓力與流量的關(guān)系應(yīng)按弗留格爾公式進(jìn)行計算當(dāng)背壓不變時，背壓式汽輪機各級前壓力與流量的關(guān)系按雙曲線規(guī)律變化。離末級越遠(yuǎn)，越近于直線，第二節(jié)變工況下級的比焓降和反動度的變化規(guī)律從圖上分析：1，對于背壓式汽輪機的前幾級，當(dāng)工況偏離設(shè)計值不遠(yuǎn)時，級前壓力與流量的關(guān)系近于直線；2，當(dāng)流量在設(shè)計值附近變化時，可認(rèn)為各中間級焓降不變，或變化很?。?，當(dāng)流量變化較大時，各級焓降都要變化，并且最后一、二級變化最大。第二節(jié)變工況下級的比焓降和反動度的變化規(guī)律當(dāng)流量減少時，比值增大，級內(nèi)比焓降減少從圖上分析：1.當(dāng)蒸汽流量開始偏離設(shè)計值時，末級焓降變化最大，離末級越遠(yuǎn)的級焓降變化越小。2.對于背壓式汽輪機的前幾級，當(dāng)工況偏離設(shè)計值不遠(yuǎn)時，級前壓力與流量的關(guān)系近于直線；3.當(dāng)流量在設(shè)計值附近變化時，可認(rèn)為各中間級焓降不變，或變化很??；4.當(dāng)流量變化較大時，各級焓降都要變化，并且最后一、二級變化最大。第二節(jié)變工況下級的比焓降和反動度的變化規(guī)律二、工況變動時，級內(nèi)反動度的變化面積比確定，反動度變化取決于速度比與壓比，焓降引起速度變化；焓降增大，速比減小，反動度減?。环磩佣仍O(shè)計值小的變化大。定速汽輪機級的反動度變化主要是由級的比焓降變化引起的。（一）比焓降變化時，級內(nèi)反動度的變化設(shè)計工況下，噴管出口的蒸汽流量忽略密度和漏汽影響，動葉的蒸汽流量將二式聯(lián)立，得即第二節(jié)變工況下級的比焓降和反動度的變化規(guī)律變工況時，如果級內(nèi)比焓降減少，噴管的出口速度c1也減小，則，級內(nèi)比焓降減少后，由噴管出來的蒸汽的速度相對較大，而流入動葉的速度相對較小，在噴組出口和動葉入口之間形成流動阻塞，進(jìn)而汽流自動調(diào)整，增大動葉的焓降，減少噴管的焓降，直到滿足連續(xù)方程為止。這時反動度增大。第二節(jié)變工況下級的比焓降和反動度的變化規(guī)律變工況時，如果級內(nèi)比焓降增加，噴管的出口速度c1也增大，則，級內(nèi)比焓降增加后，由噴管出來的蒸汽的速度相對較小，而流入動葉的速度相對較達(dá)，則汽流自動調(diào)整，減少動葉的焓降，增加噴管的焓降，直到滿足連續(xù)方程為止。這時反動度減少。第二節(jié)變工況下級的比焓降和反動度的變化規(guī)律分析：1.當(dāng)級的焓降增加時，增加，>，>，<，沖擊內(nèi)弧，沖角為正值。2.當(dāng)級的焓降減小時，減小，<，<，>，沖擊背弧，沖角為負(fù)值；3.沖角：=-。有正沖角和負(fù)沖角，不論是打擊內(nèi)弧還是打擊背弧，都會引起撞擊損失，使效率降低。且正沖角所造成的葉柵損失大于負(fù)沖角，所以應(yīng)盡量避免或減少正沖角的出現(xiàn)。4.撞擊損失的計算：5.撞擊損失的影響因素：與沖角的絕對值大小。沖角的絕對值越大，葉柵損失越大。與沖角的正負(fù)性有關(guān)，正沖角引起的撞擊損失大于負(fù)沖角引起的損失