熱能與動力工程專業(yè)英語第一二三四五八章譯文

第一章熱科學基礎工程熱力學基礎熱力學是一門研究能量儲存、轉換及傳遞的科學。能量以內能（與溫度有關）、動能（由物體運動引起）、勢能（由高度引起）和化學能（與化學組成相關）的形式儲存。不同形式的能量可以互相轉化，并且能量在邊界上可以以熱和功的形式進行傳遞。在熱力學中，我們將推導有關能量轉化和傳遞與物性參數(shù)，如溫度、壓強及密度等關系間的方程。因此，在熱力學中，物質及其性質變得非常重要。許多熱力學方程都是建立在實驗觀測的基礎之上，并且這些實驗觀測的結果已被整理成數(shù)學表達式或定律的形式。其中，熱力學第一定律和第二定律應用最為廣泛。熱力系統(tǒng)和控制體熱力系統(tǒng)是一包圍在某一封閉邊界內的具有固定質量的物質。系統(tǒng)邊界通常是比較明顯的（如氣缸內氣體的固定邊界）。然而，系統(tǒng)邊界也可以是假想的（如一定質量的流體流經(jīng)泵時不斷變形的邊界）。系統(tǒng)之外的所有物質和空間統(tǒng)稱外界或環(huán)境。熱力學重要研究系統(tǒng)與外界或系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的互相作用。系統(tǒng)通過在邊界上進行能量傳遞，從而與外界進行互相作用，但在邊界上沒有質量互換。當系統(tǒng)與外界間沒有能量互換時，這樣的系統(tǒng)稱為孤立系統(tǒng)。在許多情況下，當我們只關心空間中有物質流進或流出的某個特定體積時，分析可以得到簡化。這樣的特定體積稱為控制體。例如泵、透平、充氣或放氣的氣球都是控制體的例子。包含控制體的表面稱為控制表面。因此，對于具體的問題，我們必須擬定是選取系統(tǒng)作為研究對象有利還是選取控制體作為研究對象有利。假如邊界上有質量互換，則選取控制體有利；反之，則應選取系統(tǒng)作為研究對象。平衡、過程和循環(huán)對于某一參考系統(tǒng)，假設系統(tǒng)內各點溫度完全相同。當物質內部各點的特性參數(shù)均相同且不隨時間變化時，則稱系統(tǒng)處在熱力學平衡狀態(tài)。當系統(tǒng)邊界某部分的溫度忽然上升時，則系統(tǒng)內的溫度將自發(fā)地重新分布，直至處處相同。當系統(tǒng)從一個平衡狀態(tài)轉變?yōu)榱硪粋€平衡狀態(tài)時，系統(tǒng)所經(jīng)歷的一系列由中間狀態(tài)組成的變化歷程稱為過程。若從一個狀態(tài)到達另一個狀態(tài)的過程中，始終無限小地偏離平衡態(tài)，則稱該過程為準靜態(tài)過程，可以把其中任一個中間狀態(tài)看作為平衡狀態(tài)。準靜態(tài)過程可近似視為許多過程的疊加結果，而不會顯著減小其精確性，例如氣體在內燃機內的壓縮和膨脹過程。假如系統(tǒng)經(jīng)歷一系列不平衡狀態(tài)（如燃燒），從一個平衡狀態(tài)轉變?yōu)榱硪粋€平衡狀態(tài)，則其過程為非平衡過程。當系統(tǒng)從一給定的初始狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)歷一系列中間過程又回到其初始狀態(tài)，則稱系統(tǒng)經(jīng)歷了一個循環(huán)。循環(huán)結束時，系統(tǒng)中的各參數(shù)又與初始參數(shù)相同。在任一特性參數(shù)名稱前加上前綴iso-，表達該參數(shù)在整個過程保持不變。等溫（isothermal）過程中溫度保持不變；等壓（isobaric）過程中壓強恒定；等容（isometric）過程中體積保持不變。純物質的氣-液相平衡如圖1-1(a)所示，由活塞和氣缸組成的裝置中裝有1kg水。假定活塞和其上的重物使氣缸內壓強維持在0.1Mpa，初始溫度20℃。當有熱量開始傳遞給水時，缸內水溫迅速上升，而比容略有增長，氣缸內壓強保持恒定不變。當水溫達成99.6℃時，如若再增長傳熱量，水將發(fā)生相變，如圖1-1(b)所示。也就是說，一部分水開始氣化變?yōu)檎羝诖讼嘧冞^程中，溫度和壓強始終保持不變，但比容卻有大幅度的增長。當最后一滴液體被氣化時，進一步的加熱將使蒸汽溫度和比容均有所增長，如同1-1(c在給定壓強下發(fā)氣憤化的溫度稱為飽和溫度，壓強稱為給定溫度下的飽和壓強。因此，99.6℃水的飽和壓強是0.1MPa，0.1MPa水的飽和溫度為99.6假如某一工質為液態(tài)并處在其飽和溫度和飽和壓強下，則稱該液體為飽和液體。假如液體溫度低于當前壓強下的飽和溫度，則稱該液體為過冷液體（表白液體的當前溫度低于給定壓強下的飽和溫度）或壓縮液體（表白液體的當前壓強大于給定溫度下的飽和壓強）。若某一工質在飽和溫度下以液、氣共存的形式存在，則稱蒸汽質量與總質量之比為干度。因此，如圖1-1(b)所示，若蒸汽質量為0.2kg，液體質量為0.8kg，則其干度為0.2或20%。干度只有在飽和狀態(tài)下才故意義。若某一工質處在飽和溫度下并以蒸汽形態(tài)存在，則稱該蒸汽為飽和蒸汽（有時稱為干飽和蒸汽，旨在強調其干度為100%）。當蒸汽溫度高于其飽和溫度時，則稱之為過熱蒸汽。過熱蒸汽的壓強和溫度是彼此獨立的，由于溫度上升時，壓強也許保持不變。在圖1-2所示的溫度-比容圖上作等壓線，表達水由初壓0.1MPa、初溫20℃被加熱的過程。點A代表初始狀態(tài)，點B為飽和液態(tài)（99.6℃），線AB表達液體由初始溫度被加熱至飽和溫度所經(jīng)歷的過程。點C表達飽和蒸汽狀態(tài)，線BC表達等溫過程，即液體氣化轉變?yōu)檎羝倪^程。線CD表達在等壓條件下蒸汽被加熱至過熱的過程，在此過程中，溫度和類似地，線IJKL表達壓強為10MPa下的等壓線，相應的飽和溫度為311.1℃。但是，在壓強為22.09MPa條件下（線MNO），不存在等溫蒸發(fā)過程。相反，點N是個轉折點，在該點上，切線斜率為零，通常把N點稱為臨界點。在臨界點處，飽和液體和飽和氣體的狀態(tài)都是相同的。臨界點下的溫度、壓強和比容分別稱為臨界溫度、臨界壓強和臨界比容。一些工質的臨界點數(shù)據(jù)如表1-11.1.4熱力學第一定律通常把熱力學第一定律稱為能量守恒定律。在基礎物理課程中，能量守恒定律側重動能、勢能的變化以及和功之間的互相關系。更為常見的能量守恒形式還涉及傳熱效應和內能的變化。當然，也涉及其它形式的能，如靜電能、磁場能、應變能和表面能。歷史上，用熱力學第一定律來描述循環(huán)過程：凈傳熱量等于循環(huán)過程中對系統(tǒng)所做的凈功。1.1.5熱力學第二定律熱力學第二定律有多種表述形式。在此列舉兩種：克勞修斯表述和凱爾文-普朗克表述。克勞修斯表述：制造一臺唯一功能是把熱量從低溫物體傳給高溫物體的循環(huán)設備是不也許的。以冰箱（或熱泵）為例，不也許制造一臺不用輸入功就能把熱量從低溫物體傳給高溫物體的冰箱，如圖1-3(a)所示。凱爾文-普朗克表述：制造一臺從單一熱源吸熱和做功的循環(huán)設備是不也許的。換句話說，制造這樣一臺從某一熱源吸熱并對外做功，而沒有與低溫熱源進行換熱的熱機是不也許的。因此，該表述說明了不存在工作效率為100%的熱機，如圖1-3(b)所示。1.1.6卡諾循環(huán)卡諾機是低溫熱源和高溫熱源間運營效率最高的熱機?？ㄖZ機是一個抱負熱機，運用多個可逆過程組成一循環(huán)過程，該循環(huán)稱為卡諾循環(huán)。卡諾機非常有用，由于它的運營效率為任何實際熱機最大也許的效率。因此，假如一臺實際熱機的效率要遠低于同樣條件下的卡諾機效率，則有也許對該熱機進行一些改善以提高其效率。抱負的卡諾循環(huán)涉及四個可逆過程，如圖1-4所示：1→2等溫膨脹；2→3絕熱可逆膨脹；3→4等溫壓縮；4→1可逆絕熱壓縮。卡諾循環(huán)的效率為(1-1)注意，提高TH（提高吸熱溫度）或減少TL（減少放熱溫度）均可使循環(huán)效率提高。1.1.7朗肯循環(huán)我們所關心的第一類動力循環(huán)為電力生產(chǎn)工業(yè)所采用的，也就是說，動力循環(huán)按這樣的方式運營：工質發(fā)生相變，由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)。最簡樸的蒸汽-動力循環(huán)是朗肯循環(huán)，如圖1-5(a)所示。朗肯循環(huán)的一個重要特性是泵花費很少的功就能把高壓水送入鍋爐。其也許的缺陷為工質在汽機內膨脹做功后，通常進入濕蒸汽區(qū)，形成也許損害汽輪機葉片的液滴。朗肯循環(huán)是一個抱負循環(huán)，其忽略了四個過程中的摩擦損失。這些損失通常很小，在初始分析時可完全忽略。朗肯循環(huán)由四個抱負過程組成，其T-s圖如圖1-5(b)所示：1→2為泵內等熵壓縮過程；2→3為爐內定壓吸熱過程；3→4為汽輪機內等熵膨脹做功過程；4→1為凝汽器內定壓放熱過程。泵用于提高飽和液體的壓強。事實上，狀態(tài)1和狀態(tài)2幾乎完全同樣，由于由2點開始的較高壓強下的吸熱過程線非常接近飽和曲線，圖中僅為了解釋說明的需要分別標出。鍋爐（也稱蒸汽發(fā)生器）和凝汽器均為換熱器，它們既不需要功也不產(chǎn)生功。假如忽略動能和勢能的變化，輸出的凈功等于T-s圖曲線下面的面積，即圖1-5(b)中1-2-3-4-1所包圍的面積，由用熱力學第一定律可證明。循環(huán)過程中工質的吸熱量相應面積a-2-3-b-a。因此，朗肯循環(huán)的熱效率可表達為(1-2)即，熱效率等于輸出能量除以輸入能量（所購能量）。顯然，通過增大分子或減小分母均可以提高熱效率。這可以通過增大泵出口壓強p2，提高鍋爐出口溫度T3，或減少汽機出口壓強p4來實現(xiàn)。1.1.8再熱循環(huán)對于一個處在高鍋爐壓強和低凝汽器壓強條件下的朗肯循環(huán)，顯然，很難阻止液滴在汽輪機低壓部分的形成。由于大多數(shù)金屬不能承受600℃以上的高溫，因此，通常采用再熱循環(huán)來防止液滴的形成。再熱過程如下：通過汽輪機的部分蒸汽在某中間壓強下被再熱，從而提高蒸汽溫度，直至達成狀態(tài)5，如圖1-6所示。然后這部分蒸汽進入汽輪機低壓缸，而后進入凝汽器（狀態(tài)6）。再熱循環(huán)方式可以控制或者完全消除汽輪機中的濕蒸汽問題，因此，通常汽輪機提成高壓缸和低壓缸兩部分。雖然再熱循環(huán)不會顯著影響循環(huán)熱效率，但帶來了顯著的額外的輸出功，如圖1-6中的面積4-5-6-4-4所示。當然，再熱循環(huán)需要一筆可觀的投資來購置額外的設備，這些設備的使用效果必須通過與多增長的輸出功進行經(jīng)濟性分析來鑒定。假如不采用再熱循環(huán)來避免液滴的形成，則凝汽器出口壓強必須相本地高，因而導致循環(huán)熱效率較低。在這種意義上，與無再熱循環(huán)且高凝汽器出口壓強1.2流體力學基礎流體運動表現(xiàn)出多種不同的運動形式。有些可以簡樸描述，而其它的則需要完全理解其內在的物理規(guī)律。在工程應用中，盡量簡樸地描述流體運動是非常重要的。簡化限度通常取決于對精確度的規(guī)定，通?？梢越邮堋?0%左右的誤差，而有些工程應用則規(guī)定較高的精度。描述運動的一般性方程通常很難求解，因此，工程師有責任了解可以進行哪些簡化的假設。當然，這需要豐富的經(jīng)驗，更重要的是要深刻理解流動所涉及的物理內涵。一些常見的用來簡化流動狀態(tài)的假設是與流體性質有關系的。例如，黏性在某些條件下對流體有顯著的影響；而在其它條件下，忽略黏性效應的影響可以大大地簡化方程，但并不會顯著改變計算結果。眾所周知，氣體速度很高時必須考慮其壓縮性，但在預測風力對建筑物的影響限度，或者預測受風力直接影響的其它物理量時，可以不計空氣的壓縮性。學完流體運動學之后，可以更明顯地看出采用了哪些恰當?shù)募僭O。這里，將介紹一些重要的用來分析流體力學問題的一般性方法，并簡要介紹不同類型的流動。1.2.1拉格朗日運動描述和歐拉運動描述描述流場時，將著眼點放在流體質點上是非常方便的。每個質點都包含了微小質量的流體，它由大量分子組成。質點占據(jù)很小的體積，并隨流體流動而移動。對不可壓縮流體，其體積大小不變，但也許發(fā)生形變。對可壓縮流體，不僅體積發(fā)生形變，并且大小也將改變。在上述兩種情況下，均將所有質點看作一個整體在流場中運動。質點力學重要研究單個質點，質點運動是時間的函數(shù)。任一質點的位移、速度和加速度可表達為s(x0,y0,z0,t)，V(x0,y0,z0,t)，a(x0,y0,z0,t)，其它相關參量也可計算。坐標(x0,y0,z0)表達質點的起始位置，也是每個質點的名字。這就是拉格朗日運動描述，以約瑟夫Ｌ拉格朗日的名字命名，該描述方法通常用于質點動力學分析。拉格朗日法跟蹤多個質點的運動過程并考慮質點間的互相作用。然而，由于實際流體包含質點數(shù)目巨大，因而采用拉格朗日法研究流體流動則非常困難。與分別跟蹤每個流體質點不同的另一種方法是將著眼點放在空間點上，然后觀測質點通過每個空間點時的質點速度，由此可以得到質點流經(jīng)各空間點時的速度變化率，即V/x，V/y，V/z；還可以判斷某一點上的速度是否隨時間變化，即計算V/t。這種描述方法稱為歐拉運動描述，以萊昂哈德歐拉的名字命名。在歐拉法中，速度等流動參數(shù)是空間和時間的函數(shù)。在直角笛卡兒坐標系中，速度表達為V=V(x,y,z,t)。我們所研究的流動區(qū)域稱為流場。1.2.2跡線和流線可采用兩種不同的流動線來幫助我們描述流場。跡線是某一給定質點在流場中運動時所通過的不同空間點形成的軌跡，它記錄了質點的“歷史”位置。一定曝光時間下可以拍得發(fā)亮粒子的運動跡線。流線是流場中具有這樣特性的線：任一質點在流線上某點處的速度矢量與該流線相切，即Vdr=0。這是由于V和dr具有相同的方向，而具有相同方向的兩個矢量的叉乘積等于零。同跡線相比，流線不能直接由相機拍攝獲得。對于一般的非定常流動，根據(jù)大量質點的短跡線相片可以推斷出流線的形狀。1.2.3一維、二維和三維流動一般來說，歐拉運動描述中的速度矢量取決于三個空間變量和時間變量，即V=V(x,y,z,t)。這樣的流動稱為三維流動，由于速度矢量依賴于三個空間坐標。三維流動的求解非常困難，并且也超過了序言的范圍。即使假設流動為定常的（如，V=V(x,y,z)），該流動仍為三維流動。三維流動經(jīng)常可以近似成二維流動。例如，對于一個很寬的大壩，受壩兩端條件的影響，水流經(jīng)大壩時的流動為三維流動；但遠離壩端的中間部分的流動可看作是二維的。一般來說，二維流動是指其速度矢量只取決于兩個空間坐標的流動。平面流動即是如此，速度矢量只依賴于x，y兩個空間坐標，而與z坐標無關（如，V=V(x,y)）。一維流動的速度矢量只依賴于一個空間坐標。這類流動常發(fā)生在長直管內和平行平板間。管內流動的速度只隨到管軸的距離變化，即u=u(r)。平行平板間的速度也只與y坐標有關，即u=u(y)。即使流動為非定常流動，如啟動時的情形，u=u(y,t)，但該流動仍是一維的。對于完全發(fā)展的流動，其速度輪廓線并不隨流動方向上的空間坐標而改變。這規(guī)定研究區(qū)域要遠離入口處或幾何形狀忽然改變的區(qū)域。有許多流體力學方面的工程問題，其流場可以簡化為均勻流動：速度和其它流體特性參數(shù)在整個區(qū)域內均為常數(shù)。這種簡化只對速度在整個區(qū)域內均保持不變時才成立，并且這種情況非常普遍。例如：管內的高速流動和溪水的流動。平均速度也許從一個斷面到另一個斷面有所不同，而流動條件僅取決于流動方向上的空間變量。1.2.4牛頓流體和非牛頓流體牛頓流體是指應力與變形率關系曲線為過坐標圓點的直線的流體。直線的斜率稱為黏度。用τ=μdu/dy這個簡樸的關系式來描述牛頓流體的特性。τ為流體施加的切向應力，μ為流體的動力黏度，du/dy為垂直于切應力方向上的速度梯度。假如流體不滿足上述關系式，則被稱為非牛頓流體，它涉及以下幾種類型：聚合物溶液、聚合物熔體、固體懸浮物和高黏度流體。在非牛頓流體中，切向應力和變形率成非線性關系，甚至也許是非定常的，因此不能定義恒定的黏度系數(shù)。但可以定義切向應力和變形率的比值(或隨切向應力變化的黏度)，這個概念對不具有時間相關性行為的流體非常有用。1.2.5黏性和非黏性流動流體的流動可大體分為黏性流動和非黏性流動。非黏性流動是指黏性作用對流動的影響很小、可被忽略的流動。而在黏性流動中，黏度的影響極為重要，不容忽視。為了模擬分析非黏性流動，簡樸地讓黏度為零即可，這顯然忽略了一切黏性作用。在實驗室中，制造非黏性流動則非常困難，由于所有的流體（例如水和空氣）都有黏性。然后問題變?yōu)椋菏欠翊嬖谖覀兏袗酆玫?、且黏性影響微乎其微的流動？答案是：“存在，只要流動中的切向應力很小，并且其作用范圍小到不會顯著影響流場就可以”。當然，這種描述非?；\統(tǒng)，需要大量的分析以證明無黏性流動假設是對的的。根據(jù)經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)可以用于模擬非黏性流動的基本流動為外部流動，即存在于物體外部的流動。非黏性流動對于繞流線型物體的研究非常重要，如繞流機翼或水翼。任何也許存在的黏性影響只限于薄薄的一層之內，稱之為邊界層，它緊貼物體的表面，如圖1-7所示。受黏性的影響，邊界層內固定壁面處的速度始終為零。對于許多流動情形，邊界層非常薄，當研究繞流線型流動的總體特性時，可以忽略邊界層的影響。例如，對繞翼型的流動，除了邊界層內和也許接近尾緣的區(qū)域之外，非黏性流動解與實際情況非常吻合。管道系統(tǒng)中收縮段的流動，以及內部流動中黏性影響均可忽略不計的小段區(qū)域都可簡化成非黏性流動。內流中的很大一部分情形都屬于黏性流動，如管道流、暗渠流以及明渠流。在這些流動中，黏性作用導致相稱大的“損失”，以此解釋了管道輸運石油和天然氣必然花費大量的能源。無滑移條件使得壁面處的速度為零，由此產(chǎn)生的切應力，直接導致這些損失的產(chǎn)生。1.2.6層流和紊流黏性流動可分為層流和紊流。在層流中，流體與周邊流體質點無明顯的混合。假如在流動中注入染料，除了分子運動的影響外，流體質點不與周邊流體混合，并將在相稱長的一段時間內保持其狀態(tài)。黏性切應力始終影響層流流動。層流可以是高度非定常的，也可以是定常的。在紊流中，流體運動作不規(guī)則地變化，速度和壓強等參數(shù)的大小在時間和空間坐標上呈現(xiàn)隨機變化，這些物理量往往通過記錄平均值來描述。在這個意義上，可定義“定常”紊流：即時均值不隨時間變化的紊流。注入紊流中的染料在流體質點隨機運動的作用下，迅速與周邊流體進行摻混，染料在此擴散過程中不久就會消散而變得無法辨認。層流和紊流可用一個水龍頭進行簡樸實驗來觀測其流動狀態(tài)。打開水龍頭，這時的水流正如靜靜的小溪同樣，流動得非常緩慢，此時的流動狀態(tài)就是層流；慢慢開大水龍頭，觀測到流動逐漸變得紊亂。注意，紊流從相對較小的流量下開始發(fā)展而成。流動狀態(tài)依賴于三個描述流動條件的物理參數(shù)。第一個參數(shù)是流場的特性長度，如邊界層厚度或管道直徑。假如這個特性長度尺度足夠大，流動中的擾動也許會逐漸增大，從而使得流動轉變?yōu)槲闪鳌５诙€參數(shù)是特性速度，如空間平均流速，足夠大的流速將導致紊流的產(chǎn)生。第三個參數(shù)是運動黏度，流體的黏性越小，紊流的也許性越大。上述三個參數(shù)可以整理成一個參數(shù)，用于預測流動狀態(tài)。這個參數(shù)就是雷諾數(shù)，以奧斯本雷諾的名字命名，該參數(shù)為無量綱參數(shù)，定義為Re=VL/，式中，L和V分別為特性長度和特性速度，為運動黏度。例如，在管道流中，L為管徑，V為平均速度。假如雷諾數(shù)相對較小，流動為層流；假如雷諾數(shù)較大，則為紊流。通過定義臨界雷諾數(shù)Recrit，可更加精確地進行表述，當Re<Recrit，流動為層流。例如，粗糙管內的流動，其Recrit≈2023，這也是最低的臨界雷諾數(shù)，并合用于大多數(shù)工程應用。假如管壁極為光滑且無振動，由于流動中脈動水平的減弱而使臨界雷諾數(shù)也許增大，曾經(jīng)實測到40000以上的臨界值。采用不同的特性尺寸計算所得臨界雷諾數(shù)將有所不同，例如，用平均速度和平板之間的距離計算得到的平行板間流動的臨界雷諾數(shù)為1500。對于平板上的邊界層，由于來流為均勻來流，其特性長度隨到前緣點的距離x而變化。計算雷諾數(shù)時采用長度x作為特性長度。在某一特定的xT下，Re變?yōu)镽ecrit，流動從層流過渡到紊流。處在均勻流中的光滑剛性平板，且自由來流的脈動水平較低時，已觀測到的臨界雷諾數(shù)高達106。在大多數(shù)工程應用中，通常假設壁面為粗糙壁面，或者自由來流的脈動水平較高時，相應的臨界雷諾數(shù)約為3×105。1.2.7不可壓縮和可壓縮流動假如任一流體質點在通過流場時密度保持相對恒定，即D/Dt=0，則該流動為不可壓縮流動。這并不規(guī)定各處的密度值均相等。假如流場中各處的密度值均相等，則很明顯，流動是不可壓縮的，但那是一種更加嚴格的情況。密度發(fā)生變化的不可壓縮流動的例子有大氣流動，=(z)，z為垂直方向的坐標，以及江河流入海洋時淡水與鹽水相鄰的分層流動。除液體流動之外，低速氣體流動也被視為不可壓縮流動，例如上文提到的大氣流動。馬赫數(shù)，以厄恩斯特馬赫的名字命名，定義為M=V/c，V是氣體流速，波的傳播速度為。假如M＜0.3，密度的最大變化為3%，此時流動可認為不可壓縮的；對于標準狀態(tài)下的大氣，這種情況相應的氣體流速低于100m/s。假如M＞0.3，密度的變化將影響流動，則必須考慮流體壓縮性帶來的影響，這樣的流動就是可壓縮流動。不可壓縮的氣體流動涉及大氣流動、商用飛機著陸和起飛時的氣體流動、供暖和空調系統(tǒng)中的氣流、繞流汽車周邊的流動、通過散熱器的氣流以及繞流建筑物的氣體流動等等，不勝枚舉。可壓縮流動涉及高速飛行器周邊的氣體流動，通過噴氣式發(fā)動機的氣體流動，電站中通過汽輪機的蒸汽流動，壓縮機中的氣體流動以及內燃機中空氣和燃氣混合物的流動。1.3傳熱學基礎傳熱學是一門研究在存在溫差的物體間發(fā)生能量傳遞的科學。熱力學中將這種方式傳遞的能量定義為熱量。傳熱學不僅可以解釋熱量傳遞是如何傳遞的，并且可以計算在特定條件下的傳熱速率。事實上，傳熱速率正是一個分析所盼望的目的，它指明了傳熱學和熱力學間的差別。熱力學解決的是平衡狀態(tài)下的系統(tǒng)，它可計算當系統(tǒng)從一個平衡狀態(tài)過渡到另一個平衡狀態(tài)時所需要的能量，但不能解決系統(tǒng)處在過渡過程的非平衡狀態(tài)時能量變化的快慢限度。傳熱學提供了可用于計算傳熱速率的實驗關聯(lián)式，從而對熱力學第一定律和第二定律進行補充。這里，我們介紹熱量傳遞的三種方式和不同型式的換熱器。1.3.1熱傳導當物體內部存在溫度梯度時，經(jīng)驗表白，就有能量從高溫區(qū)向低溫區(qū)傳遞。我們說，此時的能量通過傳導進行傳遞，單位面積上的傳熱速率與法向溫度梯度成正比，即q/A~T/x。引入比例系數(shù)，則有(1-3)其中q是熱流量，T/x是熱流方向上的溫度梯度，正常數(shù)稱為材料的導熱系數(shù)。方程中插入的負號表達熱傳導過程應滿足熱力學第二定律，即熱量必須沿溫度減少的方向傳遞。式(1-3)稱為傅立葉導熱定律，以法國數(shù)理學家約瑟夫傅立葉的名字命名，傅立葉在導熱的分析解決方面做出了極其重大的奉獻。值得注意的是，式(1-3)也是導熱系數(shù)的定義式，在典型的單位體系中，當熱流量q的單位為W時，的單位為W/(m℃)。1.3.2對流換熱眾所周知，與熱金屬板放置在靜止的空氣中相比，放置在轉動的風扇前的熱金屬板會更快地冷卻。我們說熱量通過對流進行傳遞，稱此類換熱過程為對流換熱。對流這個術語給讀者提供了有關傳熱過程的直觀概念，然而，必須擴展這種直觀概念，使我們可以達成對某一問題進行充足的分析和解決。例如，我們知道流過熱平板的空氣速度會明顯影響其傳熱量，但它是以線性方式影響冷卻的嗎？即假如速度增長一倍，傳熱量也會增長一倍嗎？我們猜想，假如用水代替空氣冷卻熱平板，傳熱量也許有所不同，但是，兩者的差異會有多少呢？這些問題在了解一些非?；镜姆治龊螅傻靡曰卮稹，F(xiàn)在，我們來簡要描述對流換熱的物理機理，并且說明它和傳導過程的聯(lián)系。被加熱的平板如圖1-8所示，平板的溫度為Tw，流體的溫度為T∞。速度分布如圖所示，受黏性作用，平板上的速度減小為零。由于壁面處流動薄層的速度為零，因此，在該點上熱量只能以導熱方式傳遞。因此，可以運用式(1-3)，以及壁面上的流體導熱系數(shù)和溫度梯度來計算傳熱量。假如熱量在該層經(jīng)導熱傳遞，那么，為什么我們要談及對流換熱以及需要考慮流體速度的影響呢？答案是，溫度梯度依賴于流體帶走熱量的速度，較高的流速將產(chǎn)生較大的溫度梯度。因此，壁面上的溫度梯度依賴于流場的變化，在以后的分析中，我們將建立這兩者間的關系。然而，必須記住，壁面上傳熱的物理機理是一導熱過程。為描述對流換熱的整體效應，應用牛頓冷卻定律(1-4)這里，熱流量與壁面和流體間的整體溫度差以及表面積A有關。參數(shù)h稱為對流換熱系數(shù)，式(1-4)是其定義式。對某些傳熱過程，可獲得h的分析表達式，而復雜情形下的傳熱系數(shù)必須通過實驗研究來擬定。式(1-4)表白，當熱流量的單位為W時，h的單位為W/(m2℃假如將熱平板置于沒有外部風源的房間空氣中，平板附近的密度梯度將導致空氣運動。我們稱此換熱過程為自然對流，以區(qū)別于風扇吹掃平板表面時形成的強制對流。沸騰和凝結現(xiàn)象也屬于對流換熱的范疇。1.3.3輻射換熱對于導熱和對流換熱，其熱量傳遞需要介質才得以進行，與此不同的是，熱量也可以在完全真空中傳遞，其傳熱機理是電磁輻射。我們將討論限定在由溫差導致的電磁輻射，即所謂的熱輻射。熱力學研究表白，對于抱負的熱輻射體或黑體，其輻射力正比于物體絕對溫度的四次方及其表面積，因此有(1-5)式中，為比例系數(shù)，稱為斯忒藩－玻耳茲曼常數(shù)，其值為5.669×10-8W/(m2·K4)。式(1-5)稱為熱輻射的斯忒藩－玻耳茲曼定律，該式僅合用于黑體。值得注意的是，該表達式僅合用于熱輻射，其它類型的電磁輻射要比該式復雜得多。式(1-5)只能用于擬定單個黑體的輻射能。兩個表面間的凈輻射換熱量與其絕對溫度四次方的差成正比，即(1-6)我們已經(jīng)提到，黑體是按四次方定律輻射能量的物體。因其黑色的表面我們稱之為黑體，如覆蓋炭黑的金屬片，就近似具有這種輻射特性。其它類型的表面，如有光澤的漆面或拋光的金屬板，并不具有黑體那樣大的輻射力，然而，這些物體的輻射力仍大體與成正比。為了考慮這些表面的“灰”特性，在式(1-5)引入另一個參數(shù)，稱為發(fā)射率ε，發(fā)射率將這些“灰”表面的輻射與抱負黑體的表面輻射聯(lián)系起來。此外，我們必須考慮這樣一個事實，并非一個表面發(fā)出的所有輻射都可以到達成另一個表面，由于電磁輻射是沿直線傳播的，將有部分能量散失到周邊環(huán)境中。因此，考慮到這兩種情況，式(1-5)引入此外兩個新的參數(shù)，則有(1-7)式中，F(xiàn)ε是發(fā)射率函數(shù)，F(xiàn)G是幾何角系數(shù)。此時，值得提醒讀者的是，式(1-7)中的這兩個函數(shù)通常并不是互相獨立的。1.3.4換熱器的類型最簡樸的換熱器是由兩個不同直徑的同心圓管組成，稱為套管式換熱器。套管換熱器中的一種流體流經(jīng)細管，另一種流體流經(jīng)兩管間的環(huán)形區(qū)域。套管換熱器中涉及兩種不同類型的流動方式：一種為順流，即冷、熱流體從同一端進入換熱器，并沿同一方向流動；另一種為逆流，即冷、熱流體從相反的兩端進入換熱器，且沿相反方向流動。另一類換熱器，被專門設計成單位體積內有很大的換熱面積，稱為緊湊式換熱器。換熱器的換熱面積與其體積之比稱為面積密度β。β＞700m2/m3的換熱器歸為緊湊式換熱器。例如汽車散熱器（β≈1000m2/m3）、燃氣輪機中的玻璃陶瓷換熱器（β≈6000m2/m3）、斯特林機的回熱器（β≈15,000m2/m3）以及人的肺部（β≈緊湊式換熱器通過在分離兩種流體的壁面上附加間隔緊密的薄板或波紋翅片來擴展其表面。緊湊式換熱器通常用于氣－氣和氣－液（或液－氣）換熱器，通過增長傳熱面積來抵消氣側低傳熱系數(shù)所帶來的影響。例如，汽車散熱器是水－氣緊湊式換熱器的典型例子，通常管子氣側表面裝有翅片。工業(yè)應用中最常見的換熱器也許是管殼式換熱器，如圖1-9所示。管殼式換熱器外殼里封裝有大量的管束（有時為數(shù)百根），其軸線與外殼軸線平行。當一種流體在管內流動，另一種流體在管外流動并穿過殼體時，就進行了熱互換。殼內通常布置有擋板，用于使殼側流體沿殼流動以強化傳熱，并保持均勻的管間距。雖然管殼式換熱器應用廣泛，但因其相對較大的尺寸和重量，因而并不合用于汽車和航空器領域。注意，管殼式換熱器的管束兩側開口處的較大流動區(qū)域稱為封頭，它位于殼體兩端，管側流體流入、流出管子前后都在此匯集。管殼式換熱器依據(jù)所含管程和殼程的數(shù)目可進一步分類。例如，換熱器殼內的所有管束采用一個U型布置的稱為單殼程雙管程換熱器（1-2型換熱器）。同樣地，具有雙殼程和四管程的換熱器叫做雙殼程－四管程型換熱器（2-4型換熱器）。一種廣泛使用的新型換熱器是板翅式（或板式）換熱器，它由一系列平板組成，并形成波紋狀的流動通道。冷、熱流體在間隔的每個通道中流動，每一股冷流體被兩股熱流體所包圍，因此換熱效果非常好。此外，板式換熱器可通過簡樸添加更多的平板來滿足增強換熱的需求。該類型換熱器非常合用于液－液式換熱場合，但需要冷、熱液流的壓強大體相等。另一類冷、熱流體交替通過同一流動面積的換熱器為蓄熱式換熱器。靜態(tài)型蓄熱式換熱器基本上由多孔介質組成，其熱容量大，如陶瓷鐵絲網(wǎng)。冷、熱流體交替地流經(jīng)這些多孔介質，熱量先由流過的高溫流體傳遞到換熱器的換熱基體，再由基體傳遞給接著流過的低溫流體。因此，基體充當了臨時儲熱介質的作用。動態(tài)型蓄熱式換熱器內有轉筒，冷、熱流體連續(xù)流動通過轉筒的不同部分，使得轉筒的任一部分周期性地通過熱流體，存儲熱量，再通過冷流體，釋放存儲的熱量。轉筒作為熱量從熱流體傳遞到冷流體的媒介。換熱器往往被賦予特定的名稱來反映它們的特定用途。例如，冷凝器是流體流經(jīng)它時會發(fā)生冷卻凝結的一種換熱器。鍋爐是另一類換熱器，流體在其內吸熱并汽化。空間輻射器是以輻射方式將熱流體的熱量傳遞到周邊空間的換熱器。第二章鍋爐2.1簡介SSC鍋爐運用熱量使水轉變成蒸汽以進行各種運用。其中重要是發(fā)電和工業(yè)供熱。由于蒸汽具有有利的參數(shù)和無毒特性，因此蒸汽作為一種關鍵的工質（資源）被廣泛地應用。蒸汽流量和運營參數(shù)的變化很大：從某一過程里1000磅/小時（0.126kg/s）到大型電廠超過10×106磅/小時（1260kg/s），壓力從一些加熱應用的14.7磅/in2（1.0135bar）212F（100℃）到先進循環(huán)電廠的4500磅/in2（310bar現(xiàn)代鍋爐可根據(jù)不同的標準分類。這些涉及最終用途、燃燒方式、運營壓力、燃料和循環(huán)方式。大型中心電站的電站鍋爐重要用來發(fā)電。它們通過優(yōu)化設計，可達成最高的熱效率。新機組的關鍵特性是運用再熱器提高整個循環(huán)效率。各種附加的系統(tǒng)也產(chǎn)生蒸汽用于發(fā)電及其他過程應用。這些系統(tǒng)經(jīng)常運用便宜或免費燃料，聯(lián)合動力循環(huán)和過程，以及余熱回收，以減少總費用。這些例子涉及：燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)（CC）：先進的燃氣輪機，將余熱鍋爐作為基本循環(huán)的一部分，以運用余熱并提高熱效率。整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（IGCC）：在CC基礎上增長煤氣化爐，以減少燃料費用并將污染排放降到最低。增壓循環(huán)流化床燃燒（PFBC）：在更高壓力下燃燒，涉及燃氣凈化，以及燃燒產(chǎn)物膨脹并通過燃氣輪機做功。高爐排煙熱量回收：運用高爐余熱產(chǎn)生蒸汽。太陽能蒸汽發(fā)生器：運用集熱器收集太陽輻射熱產(chǎn)生蒸汽。2.2DevelopmentofUtilityBoiler現(xiàn)代660MW燃煤鍋爐有大約6000噸的壓力部件，涉及500千米的受熱面管材，3.5千米連接管與聯(lián)箱和30000個管接頭焊口。這是通過大約50年發(fā)展的結果，并形成了煤粉在具有蒸發(fā)管束的爐膛燃燒，煙氣然后流經(jīng)對流過熱器和熱回收表面的基本概念并保存至今。蒸汽參數(shù)的提高，機組容量的增大及燃料燃燒特性的改善都規(guī)定在材料、制造技術和運營程序上相應發(fā)展。二戰(zhàn)后的一些年里，在電廠安裝鍋爐的數(shù)量多于汽輪機是很常見的，鍋爐提供蒸汽到母管然后到汽機。這種布置反映了鍋爐的可用性低于汽輪機。四十年代后期，隨著鍋爐可用性的提高，鍋爐和汽機開始可以互相配套使用。鍋爐和汽機成套的變化使得再熱成為可行，并且隨著著高溫鋼材的應用，通過蒸汽參數(shù)的不斷提高，達成了當前的標準循環(huán)2400lbf/in2(165.5bar)，568℃和再熱5682.3燃料與燃燒大部分鍋爐以煤、天然氣和石油作為燃料。然而，在過去的幾十年里，至少在發(fā)電領域核能開始扮演一個重要角色。同樣，不斷增長的各種生物質和過程副產(chǎn)品也成為蒸汽生產(chǎn)的熱源。這些涉及泥煤、木材及木材廢棄物、稻草、咖啡渣、稻谷殼、煤礦廢棄物（煤屑）、煉鋼爐廢熱甚至太陽能?，F(xiàn)代美國中心電站用燃料重要是煤，或是煙煤、次煙煤或是褐煤。雖然天然氣和燃油也許是未來化石燃料電廠的燃料選擇，但煤仍然是此后新的，基本負荷電站鍋爐的重要燃料。2.3.1煤的分類? 由于煤是一種不均勻的物質，且其組成和特性變動很大，所以建立煤的分類系統(tǒng)是很必要的。中國煤的性質如表2-1所示。以煤階進行煤的分類是典型的做法。這表現(xiàn)為煤化限度的大?。簭暮置旱截毭骸熋阂约盁o煙煤。煤階表白了煤的地質歷史和重要特性?，F(xiàn)在美國應用的煤分類標準是由美國材料實驗學會（ASTM）建立的。其分類是通過煤的工業(yè)分析所擬定的揮發(fā)分和固定碳的含量以及煤的發(fā)熱量作為分類標準。這套系統(tǒng)目的在于擬定煤的商業(yè)使用價值，并提供關于煤燃燒特性的基本信息。2.3.2燃燒系統(tǒng)鍋爐內化石燃料燃燒以產(chǎn)生蒸汽的技術已成熟數(shù)年。然而，在過去的二十數(shù)年中，為了將大氣排放和污染降到可行的最低限度，燃燒技術得到了很大限度的提高。油燃燒系統(tǒng)所有的電站鍋爐都燃用油，在燃煤鍋爐中點燃煤粉，在煤進入爐膛之前加熱爐膛并升壓，而在燃油鍋爐中則作為重要負荷燃料。一般地，燃油都是粘度在3500sec到6500sec的殘渣燃料油。為了有效的燃燒，這些油必須被加熱到120~130℃? 燃用渣油，要比一般的餾分油（柴油，汽油等）便宜，但又帶來一些問題：酸性污染物和粉塵的排放。酸性污染問題是由石油中的硫產(chǎn)生的，硫分的含量有時可高達3%。在20世紀60年代初期，人們對油燃燒器設計進行了進一步研究和開發(fā)，目的在于解決燃油的排放問題。由此誕生了一種油燃燒器——“標準燃燒器”，它可以在非常低的過量空氣系數(shù)下減少碳排放。為保證鍋爐中每個燃燒器獲得同樣多的空氣也做了大量的工作。目前油燃燒過量空氣系數(shù)運營水平為2%。煤燃燒系統(tǒng)煤燃燒器的發(fā)展模式同油燃燒器類似，并且重點放在準確控制每只燃燒器煤和油的供應量。實際中所有的燃煤鍋爐都是燃燒煤粉（由磨煤機生產(chǎn)），這些煤粉通過很好的粉碎，然后由空氣流（一次風）送入燃燒器。同以前相比，在流動平衡上的設計成果現(xiàn)在已能使鍋爐在較低的過量空氣水平下運營，并在不增長飛灰含碳量水平的情況下提高了總的效率煤燃燒系統(tǒng)部件的布置必須根據(jù)經(jīng)濟因素和煤的性質來擬定。作為整個燃燒系統(tǒng)設計的性能參數(shù)，煤粉細度、磨煤機出口溫度、空煤比等都必須達成規(guī)定。低NOx燃燒系統(tǒng)影響NOx生成的因素涉及燃料含氮量、火焰峰值溫度、火焰中的可用氧量以及氣流在鍋爐系統(tǒng)中的停留時間。當煤進入爐膛其化學結構被破壞時，一些煤中的化合氮就作為揮發(fā)分被釋放出來。由大氣中的氮生成的一氧化氮即“熱力型NOx”可以通過減少煙氣在高溫區(qū)域的停留時間而得到控制，這樣就會控制燃燒階段中可用氧量，最后生成的是無害氮而不是NOx。由于煤在燃燒區(qū)的燃燒需要一定的過量氧氣以便使所有的碳燃盡，且不含氮的煤是難以獲得的，因此NOx的減少必須依靠鍋爐和燃燒器的設計來完畢。天然氣燃燒系統(tǒng)天然氣曾經(jīng)作為電廠重要燃料。然而一些年來，沒有太多的天然氣可供電廠使用，并且人們沒有正視這樣的事實，即天然氣作為一種優(yōu)質燃料將會重新得到大量應用。丙烷經(jīng)常作為一種點火劑，廣泛地應用于燃油鍋爐和燃煤鍋爐中的油燃燒器。2.3.3流化床燃燒? 流化床燃燒是煤粉燃燒方式的一種，采用這種燃燒方式時煤在空氣中的燃燒發(fā)生在流化床中，典型的是循環(huán)流化床。循環(huán)流化床最適合于燃燒低成本廢棄燃料、低品質或低熱量煤。將煤粒和石灰石投入到床中，石灰石在床內煅燒成石灰。流化床中重要是石灰和少量的煤，煤焦在其中循環(huán)。運營中的床溫很低，只有427℃(800對于煤燃燒，蒸汽循環(huán)可以是亞臨界，也也許是超臨界，它們具有相近的發(fā)電效率。循環(huán)流化床技術的最大的優(yōu)點是它在床中捕獲SO2的能力和它對煤質的廣泛適應性，其中涉及低熱量煤、高灰分煤和低揮發(fā)分煤，并且在運營中可以改變煤種。循環(huán)流化床鍋爐適合與生物質共燃，最近就新建了幾臺燃燒褐煤的循環(huán)流化床機組。如圖2-1所示，目前最常用的流化床技術是循環(huán)流化床燃燒技術。煤和煤焦燃燒的同時，空氣攜帶煤、煤焦、煤灰和脫硫劑通過爐膛。固體材料通過旋風分離器從煙氣中分離出來，然后通過對流煙道部分，煙氣把熱量傳給爐管以產(chǎn)生高壓蒸汽。另一部分蒸汽是由流化床中的高溫固體在返回爐膛前放出熱量產(chǎn)生的。爐膛內固體快速運動會引起過量的磨損，因此爐膛底部不安裝爐管。通過低燃燒溫度和空氣分級燃燒來控制NOx的生成。SOx排放通過床中石灰脫硫劑控制。這些為煙氣凈化節(jié)省了大筆的投資，但是低的SOx排放需要燃燒低硫分煤，并且NOx的排放受燃燒反映的限制。極低的排放需要額外的煙氣凈化設備，同時會增長相應的維護成本。在中國最大的流化床鍋爐是330MWe，設計最大的鍋爐是600MWe，但是還沒有投建。2.4制粉系統(tǒng)煤粉制備與煤粉燃燒技術的發(fā)展是同步的。為了使煤在爐膛中有效燃燒，煤在離開燃燒器時必須被粉碎到一定的大小，這樣才干迅速燃燒，這就意味著煤必須被加工成小顆粒，才干被迅速加熱到著火溫度并和空氣良好混合。? 磨煤機的工作就是把煤磨碎到符合上述規(guī)定的合適的大小。較早的系統(tǒng)使用筒式球磨機磨煤粉，并且在燃燒前運用儲倉暫時儲存煤粉。假如對該技術進行改善，去掉中間儲倉而將從磨煤機出來的煤粉直接送去燃燒，就會對磨煤機的可靠性有很高的規(guī)定。正壓制粉系統(tǒng)中，提供煤粉輸送介質的一次風機位于磨煤機前，因而它運送的是清潔空氣，不會像排粉風機同樣受到侵蝕磨損。這是正壓磨煤系統(tǒng)的重要優(yōu)點。然而，磨煤機需要由單獨風機提供高于磨煤機內部壓力的密封空氣。正壓磨煤機的一個缺陷是它必須完全由空氣密封以避免煤粉泄露到大氣中。相對來說，負壓磨煤機的密封標準并不需要這樣高，但也不允許漏入過多空氣，由于冷空氣難以干燥濕煤。這種方式泄露的空氣量也無法測量，假如達成高的空/煤比，碰到明火則也許發(fā)生爆炸。2.4.1中速磨磨輥在一層耐磨層上滾動，通過移動的磨盤把煤壓碎。磨輥的運動引起煤粒間的互相運動同時磨輥的壓力在煤粒間形成壓力負荷。一定壓力下在煤粒層上的運動引起摩擦（煤粒依靠摩擦力破碎），這就是磨煤機的工作原理。耐磨層具有緩沖作用，雖然減少了磨的效率，但也大大減少了磨輥的磨損。當磨煤區(qū)的工作面間距離很近時，比如到了一個顆粒大小，三個部件（磨輥，顆粒，磨盤）間的磨損就會大大增長，磨損速率會是正常磨煤機的100倍。當帶有石英的石頭尺寸等于或大于磨層厚度時，也會在運營中發(fā)生三部件接觸的磨損。隨著磨煤的進行，為了防止過度磨制和減少能耗及磨損，磨好的煤粉從磨煤機中排出。圖2-2是MPS型中速磨的示意圖，顯示了中速磨煤機的基本組成。在磨煤機下部有一個轉動的臺面，稱為輥胎的輥子在臺面上滾動。? 原煤由上部的磨煤機給入，然后在磨輥和轉動的磨盤間通過，磨輥下的煤就被磨碎了。離心力加上磨輥對煤層的沉降力共同作用，將部分磨好的煤粉擠出磨盤邊沿，由上升的空氣流流化并攜帶這些煤粉。空氣進入點一般稱為進風環(huán)，噴嘴環(huán)或者喉部。上升的空氣流與煤?；旌显谶M風環(huán)上面產(chǎn)生流化的顆粒床?？諝獾牧魉俸艿?，以至于只能攜帶少部分的煤粒通過床層過濾?？諝夂兔毫ｋx開流化床形成了第一步的分離。預熱的空氣同時干燥煤粉以保證煤粉的有效燃燒。立式中速磨是有效的干燥裝置。即使煤中水分到40%也能在中速磨中很好地得到干燥，干燥水分再高些的煤粉也是也許的，但是需要的一次風溫度則規(guī)定使用特殊材料，并且增長了磨煤機著火的也許。實際運營的水分最大值是40%（質量），此時規(guī)定一次風溫高達750℉? 空氣煤粉向上流動時，由于流動面積增大使流動速度減少，大粒徑的煤粒就會回落到磨盤上。最后的煤粉分離采用磨煤機上部的粗粉分離器，粗粉分離器是運用離心力的分離裝置。風粉混合物以一定角度進入，從而發(fā)生旋轉并產(chǎn)生離心力。粗一點的煤粉沖擊到分離器的周邊，不再保持懸浮狀態(tài)而回落到磨盤上。風粉混合物中的細煤粉顆粒保持懸浮狀態(tài)，并最終上升進入煤粉管。2.4.2低速磨? 筒式鋼球磨是現(xiàn)在仍在使用的最早的磨煤機。它是一個臥式的筒體，里面裝有小直徑的鋼球。筒體內襯耐磨材料以加強球的滾動，球占筒體總容積的25%到30%。轉速取離心力可以克服重力時速度的80%，這樣可以使鋼球貼在筒體的內壁上。通過筒體轉動時鋼球的碰撞來實現(xiàn)煤粉的磨制。筒式鋼球磨有單進單出和雙進雙出兩種。對于單進單出型，空氣和煤從一端進入從另一端流出。雙進雙出型磨煤機是空氣和原煤從兩端進入，磨好的干燥的煤粉從兩端流出。對于這兩種類型，粗粉分離器布置于磨煤機的外部，粒徑過大的粗粉被送回到磨煤機與原煤混合。筒式鋼球磨不具有類似立式磨的流化床特點，同時由于空氣和煤粉的混合不均勻限制了干燥能力。假如筒式鋼球磨要磨的煤中水分高于20%，就必須使用輔助的干燥裝置，比如破碎干燥機。對新建鍋爐來說，中速磨已經(jīng)大量的取代了筒式鋼球磨。相對于中速磨，筒式鋼球磨往往需要大的建筑空間和較高的能耗。同時，筒式鋼球磨難于控制且有較高的磨損速度。但是，筒式鋼球磨能很好的適應極具磨損作用的、低水分的難磨燃料，比如石油焦。煤在其中較長的停留時間可以實現(xiàn)有效的磨制。2.4.3制粉系統(tǒng)磨煤機只是龐大的制粉系統(tǒng)的一部分，制粉系統(tǒng)一般有直吹式和中儲式兩種。在直吹式系統(tǒng)中，從磨煤機出來的煤粉直接參與燃燒過程，同時參與的尚有空氣、水蒸汽和通入磨煤機的熱能。中儲式系統(tǒng)把煤粉從空氣、水蒸汽和通入磨煤機的能量中分離開再去燃燒。儲倉中的煤粉由新的一次風輸送到燃燒設備。目前生產(chǎn)蒸汽的過程中很少采用中儲式制粉系統(tǒng)，但是很多特殊的場合仍然需要，比如煤氣化和高爐投煤。目前在美國運營的中速磨大約有1000臺，其中99%以上的是直吹式系統(tǒng)。直吹式系統(tǒng)的重要部件有：? (1)給煤機，通過煤倉調節(jié)進入磨煤機的給煤量。? (2)熱源，用來預熱干燥煤粉的一次風? (3)一次風機，典型的情況是作為鼓風機布置于磨煤機之前（正壓系統(tǒng)），或作為排粉風機位于磨煤機之后（負壓系統(tǒng)）? (4)磨煤機，作為正壓系統(tǒng)或負壓系統(tǒng)的主體部分。? (5)管路，把煤和一次風從磨煤機輸送到燃燒器? (6)燃燒器，混合煤粉和平衡燃燒空氣? (7)控制和調節(jié)裝置根據(jù)工程的經(jīng)濟性，以上部件可以按照不同的形式布置。在正壓系統(tǒng)中，需要做出選擇，是采用熱一次風風機（每個磨一個風機），還是采用冷風風機（布置在特定的空氣加熱器前面）。熱風輸送系統(tǒng)初始投資費用較低，由于不需要特定的空氣加熱器。對大型機組而言，冷風風機系統(tǒng)具有較低的運營費用，可以補償較高的初始投資。中速磨這個術語是指空氣引入到磨煤機中作為一次風用來干燥和輸送煤粉。一次風的控制對制粉系統(tǒng)的正常運營是非常重要的。不管是直吹式還是中儲式制粉系統(tǒng)，也不管采用熱風還是冷風風機系統(tǒng)都需要普遍的控制。必須控制一次風量和磨煤機出口溫度，這個控制由三個互相聯(lián)系的節(jié)氣閥來實現(xiàn)。其中的兩個是熱和冷的節(jié)氣閥，用來調節(jié)磨煤機的空氣溫度，這些節(jié)氣閥通常是互相關聯(lián)的，從而保證一個啟動另一個則關閉。第三個節(jié)氣閥是獨立的，用來控制空氣容積。一些生產(chǎn)商只采用兩個節(jié)氣閥，但是缺少穩(wěn)定性，而變負荷時的低反映能力抵消了初投資的減少帶來的好處。2.5.1爐膛? 爐膛是一個四周封閉的開口大空間，燃料在其中燃燒，產(chǎn)生的煙氣在進入對流煙道前得到冷卻。離開爐膛進入管束的煙氣溫度過高則會導致煙塵微粒沉積在管壁上或使金屬管壁超溫。燃料和燃燒設備的類型對爐膛的幾何形狀和尺寸影響很大。在這種情況下，磨細的煤粉被送入爐膛懸浮燃燒。燃燒產(chǎn)物上升穿過爐膛上部。過熱器、再熱器和省煤器等受熱面被特定布置于鍋爐圍墻內部的水平或垂直煙道內（對流煙道）。在現(xiàn)代蒸汽發(fā)生器中，爐膛和對流煙道的爐墻是由碳鋼或低合金鋼的汽冷或水冷壁組成，以維持爐墻的金屬溫度在允許的范圍內。這些管子在頂部和底部由聯(lián)箱或母管連接在一起。這些聯(lián)箱用來分派或收集水、蒸汽或汽水混合物。在最現(xiàn)代化的機組中，爐墻管道也作為重要的產(chǎn)生蒸汽的部件或受熱面。這些管子用鋼條焊接在一起，組成氣密的、連續(xù)的、剛性的膜式墻。這些管道通常預制成可裝運的膜板，并且板上留有燃燒器口、觀測孔、吹灰器口（鍋爐清潔設備）和燃氣噴入口。2.5.2過熱器和再熱器? 過熱器和再熱器被專門設計成順列管束，用來提高飽和蒸汽的溫度。一般形式下，它們是簡樸的單相換熱器，蒸汽在管道內流動，煙氣從外面通過，通常兩者是交叉流動。由于其較高的運營溫度，這些關鍵的部件一般用合金鋼制造。典型的布置通常有助于控制出口蒸汽的溫度，保持金屬溫度低于其可接受的極限和控制蒸汽流動的壓力損失。? 過熱器和再熱器的重要區(qū)別是蒸汽壓力。在典型的汽包鍋爐中，過熱器的出口壓力為2700psi（186bar），而再熱器的出口壓力為580psi（40bar）。受熱面的結構設計和布置取決于所規(guī)定的出口溫度、吸熱量、燃料的灰分特性和清潔設備。這些受熱面可以呈水平或垂直布置。過熱器和有的再熱器經(jīng)常被分為幾段以利于控制蒸汽溫度和優(yōu)化熱量回收。過熱器的類型根據(jù)煙氣側的傳熱方式，過熱器可分為兩種基本類型。最初的一種是對流過熱器，從煙氣吸取的輻射熱量很小。在這樣的機組中，蒸汽溫度隨鍋爐負荷的增長而升高，這是由于爐膛吸取單位輸入熱量的比例下降。這導致過熱器吸取了更多的熱量。由于對流傳熱速率幾乎與煙氣流率即鍋爐負荷成直線關系，因此，過熱器中每磅蒸汽的總吸熱量以及蒸汽的溫度都會隨鍋爐負荷而增長（見圖2-5）。過熱器布置得離爐膛越遠，進入過熱器的煙氣溫度越低，這種效果越明顯。輻射式過熱器重要吸取來自爐膛的輻射熱，對流傳熱量很少。一般采用較大間距（24英寸或很大的側邊距）的屏式凝渣管或懸吊屏式過熱器的型式布置于爐膛中。有時這種過熱器和包墻管組合成一體。由于爐膛受熱面吸熱不如鍋爐負荷增長快，所以隨著鍋爐負荷的增長輻射式過熱汽溫度反而下降，如圖2-5所示某些情況下，在較大的負荷范圍內，這兩條變化趨勢相反的曲線可由一系列聯(lián)合的輻射、對流過熱器疊加為平緩的過熱曲線，如圖2-5所示。一個單獨加熱的過熱器也能產(chǎn)生平緩的過熱曲線。輻射和對流式過熱器的設計需要特別注意避免因蒸汽和煙氣流量分派不均而導致的管子超溫。一般過熱器中有100,000到1,000,000lb/hft2(136到1356kg/m2s)或更多的蒸汽質量流量。這種設立是在允許壓降的范圍內對管子內部進行充足的冷卻。質量流量的選擇取決于蒸汽的壓力和溫度，尚有過熱器的熱負荷。此外，高速下的高壓損會改善蒸汽側流場分布。2.5.3省煤器和空氣預熱器省煤器和空氣預熱器在提高鍋爐總的熱效率方面發(fā)揮著重要作用,它們回收了排入大氣前煙氣中的低品位熱量，也就是低溫熱量。煙氣被省煤器或空氣預熱器冷卻每40℉（22省煤器? 省煤器是一種逆流布置的熱互換器，在流過過熱器或再熱器（假如使用）的煙氣中獲取能量。它提高了汽包進水的溫度。其管束布置是一種典型的平行水平蛇形管束，水在管內流動而煙氣在外側反方向（逆流）流動。管子間盡量緊密以強化傳熱，同時規(guī)定有足夠的管子表面清潔空間和合理的煙氣側壓損。根據(jù)設計，這些管子內一般不會產(chǎn)生蒸汽。最普通、最可靠的省煤器設計就是光管、順列、交叉流省煤器（如圖2-6）。煤燃燒后，飛灰就會產(chǎn)生一種高污垢、侵蝕的環(huán)境。相對于如圖2-6的錯列布置，這些順列布置的光管就會盡也許減少飛灰粘附、侵蝕的也許性。這也是通過吹灰器保持清潔的最簡樸的幾何形狀。然而，這種布置的好處必須要結合它大重量、大空間以及造價進行綜合評估為減少投資，大多數(shù)鍋爐省煤器應用了各種鰭片以強化煙氣側的傳熱效率。鰭片是便宜的非承壓物件，它可減少省煤器的總尺寸和造價。然而，成功的應用對于煙氣環(huán)境是非常敏感的。表面的清潔能力是一關鍵因素?？諝忸A熱器空氣預熱器是運用通過省煤器的鍋爐煙氣攜帶的熱量加熱燃燒空氣，并提供干燥煤粉的熱空氣。在燃煤電廠中，空氣預熱器的出口溫度受限于磨煤機的出口溫度和調溫風系統(tǒng)容量，煙氣出口溫度則要考慮傳熱表面的污染和后面設備的腐蝕情況。在較老的鍋爐中一般采用管式或板式空預器，體積大，很難清理，并且壞損的傳熱表面不易替換?，F(xiàn)代鍋爐都采用回轉式?；剞D式空氣預熱器的最大特點是顯著地節(jié)省了空間?；剞D式空預器采用緊密的受熱面布置方式，必須采用性能良好的吹灰器使其保持清潔。受熱面由壓制成特殊形狀的鋼板或考登鋼板組成。這些板子厚0.5到0.8mm，一般被壓緊并裝進置于支撐結構上的鋼制倉體。這些板子的形狀通過優(yōu)化，具有很高的傳熱效率，同時要在使用吹灰器充足保持清潔的情況下保證壓損最小。一臺660MW的單元機組配有兩臺空氣預熱器，每臺直徑14.6m，重約500噸。傳熱元件的表面積總共約100,000平方米。燃煤電廠典型的溫度應是煙氣進口335℃，出口120℃，空氣進口32℃? 前兩項能被抱負的表達為一組無量綱數(shù)：雷諾數(shù)、普朗特數(shù)和斯坦頓數(shù)的關系。通過實驗室規(guī)模實驗可以確立每種空氣預熱器組件的關系式。這就可以進行優(yōu)化設計，估算新開發(fā)部件的幾何性能，以及評估由于灰污問題而需使用替代部件的效果。2.6鍋爐在線吹灰是否高效的燃燒化石燃料來生產(chǎn)電力很大限度上取決于蒸汽產(chǎn)生設備對煤燃燒產(chǎn)物（煤灰）的適應性。吹灰器用來吹掃沉積在鍋爐受熱面上的積灰來保證有效地向蒸汽傳熱。在英國吹灰介質大部分用蒸汽而在美國一般用空氣。2.7能量守恒? 由熱力學第一定律，蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)的能量平衡如下所述：進入系統(tǒng)的能量－離開系統(tǒng)的能量=系統(tǒng)內部能量的積累? 由于蒸汽發(fā)生器應在穩(wěn)態(tài)下檢測，這樣積累的能量就為0，其方程為：進入系統(tǒng)的能量=離開系統(tǒng)的能量進入系統(tǒng)的能量就是進入系統(tǒng)的質量流所攜帶的能量，以及輔助設備的驅動能量。離開系統(tǒng)的能量就是離開系統(tǒng)的質量流所攜帶的能量，以及通過蒸汽發(fā)生器表面?zhèn)鬟f給環(huán)境的能量。? 效率為輸出能量和輸入能量的比值，以百分數(shù)的形式表達：當輸入能量定義為燃料釋放的所有能量時，所得的效率通常稱為燃料效率2.7.1效率-能量平衡法（反平衡法）? 在能量平衡法中，采用能量損失和外來熱量來計算效率。能量平衡法是擬定效率的首選方法。由于測量誤差僅影響著各項損失而不影響總能量，所以它一般情況下比輸入－輸出法更精確。例如：如總損失占總輸入能量的10%，則1%的測量誤差僅會導致0.1%的效率誤差，而在測量燃料流量中1%的誤差將會導致效率的1%的誤差。能量平衡法的另一個優(yōu)點就是可以確認兩次效率測試結果不同的因素，此外，對于諸如燃料分析數(shù)據(jù)等實驗條件的變化，該方法可以容易的將效率修正到基準工況或保證工況。2.7.2效率-輸入-輸出法（正平衡法）根據(jù)輸入－輸出法計算的效率是基于測定燃料量和計算輸出能量所必需的鍋爐汽水側參數(shù)。該方法計算的效率的不擬定度直接與燃料測量、樣本燃料分析和鍋爐輸出能量求取等的不擬定度成正比。所以，要獲得可靠的結果，在精確測量上述各項時必須格外謹慎。第三章蒸汽輪機3.1引言蒸汽輪機是最重要的渦輪發(fā)動機之一，是發(fā)電領域的重要原動機。本文簡樸討論了作為蒸汽輪機發(fā)電廠部件之一的蒸汽輪機的作用。對于一個簡樸的蒸汽輪機發(fā)電廠，第一個部件就是把蒸汽提高到汽輪機所需壓力和溫度的蒸汽鍋爐。蒸汽鍋爐接受通過不同回熱和熱回收裝置提高了溫度的給水。在大多數(shù)電廠中，采用了過熱蒸汽；大型電廠中，蒸汽在汽輪機的一些級中膨脹后，要通過一次或兩次再熱。過熱蒸汽通過調節(jié)閥進入蒸汽輪機。蒸汽輪機總是多級汽輪機，根據(jù)汽輪機容量的大小采用一個或多個缸。在汽輪機中膨脹后的蒸汽在凝汽器中以低壓凝結（0.0035到0.007MPa）。凝結水以及抽汽用泵打入鍋爐。3.1.1蒸汽輪機可用以下方式分為許多類型。根據(jù)流向?軸向?徑向根據(jù)膨脹過程?沖動式?反動式?沖動反動混合式根據(jù)級的個數(shù)?單級?多級根據(jù)汽輪機入口結構?全周進汽?部分進汽根據(jù)汽流個數(shù)?單流?雙流?單軸或雙軸根據(jù)轉速?N=3000rpm,f=50Hz?N=3600rpm,f=60Hz?N=1500rpm?變速機組根據(jù)應用?發(fā)電?工廠用?船用根據(jù)蒸汽參數(shù)?低壓汽輪機，采用壓力為0.12到0.2MPa的蒸汽;?中壓汽輪機，蒸汽壓力達成0.2MPa；?高壓汽輪機，采用壓力為0.2到16.8MPa或更高壓力，溫度為535℃?超臨界壓力汽輪機，采用蒸汽壓力為22.2MPa或大于此壓力。3.1.2沖動式汽輪機沖動式汽輪機是指在轉子中沒有流體靜壓頭改變的汽輪機。轉子葉片僅僅引起能量的傳遞而沒有任何能量的轉變。由壓能轉變?yōu)閯幽芑騽幽苻D變?yōu)閴耗艿哪芰哭D換僅僅發(fā)生在靜葉片中。如在沖動式汽輪機中，高速流體的動能傳遞到轉子上僅僅由于作用在轉子上的流體沖動力。圖3-1給出了典型的沖動級速度三角形圖。動葉出口蒸汽的相對速度(W2)小于動葉入口的相對速度(W1)。這表達了在動葉中發(fā)生了動能向機械功的轉化。由于在沖動式汽輪機中轉子葉片通道不會引起流體的任何加速，在葉片表面由于附面層的增長引起流體分離的機率要大一些。由此，沖動式汽輪機中轉子葉片通道的損失較大，導致了較低的級效率。uCuC1w1w2C2uuC1w1w2C2u圖.3-1沖動級速度三角形圖圖.3-2反動級速度三角形圖U=動葉輪周速度,m/sc1=動葉入口蒸汽的絕對速度,m/sC2=動葉出口蒸汽絕對速度,m/sw1=動葉入口蒸汽的相對速度,m/sw2=動葉出口蒸汽相對速度,m/s3.1.3渦輪機械級的反動度定義為轉子中發(fā)生的壓頭改變與整級的所有壓頭改變之比。在轉子葉片通道和靜子葉片通道都有壓頭改變的渦輪機或級稱作為反動式渦輪機或反動級。其中，在靜葉和動葉中都有能量的轉換。轉子上既有能量傳遞又有能量轉變。因此在反動式汽輪機中，由于流體的連續(xù)加速及較低的損失，它的效率應當高一些。反動度為50%或一半的渦輪機有一些特殊的特點。反動度為50%的軸流式渦輪機和壓縮機轉子和靜子上的葉片對稱。對于反動度為50%的級，可看出它的出口和入口速度三角形也是對稱的。圖3-2給出了典型的反動級的速度三角形。動葉出口的蒸汽相對速度(W2)大于動葉入口的蒸汽相對速度(W1)：這是由于動葉的焓降導致通過動葉的速度增長。3.1.4后面可以看到，當轉速給定期，在渦輪機械的一級中，流體能量水平的改變是有限的。這對于渦輪機、壓縮機、泵和吹灰器是同樣的。因此，在能量水平改變很大的應用中，采用了多級。在多級汽輪機中，可僅采用沖動級或采用反動級或沖動級和反動級的組合。沖動式汽輪機可采用許多壓力級承擔大的壓降或許多速度級承擔高的動能。還可同時采用速度級和壓力級。在一定的壓縮機中，同一個機械上采用了軸向流動的級和靜向流動的級是故意義的。不同的級可安裝在一個或多個軸上。在大型汽輪機中，鍋爐出口和凝汽器入口的蒸汽壓差非常大。假如汽輪機中只有一個級，那么就需要采用一個高轉速的直徑很大的轉子，這不僅會使制造困難，并且會引起嚴重的強度和支承問題。一般說來，一個多級蒸汽輪機基本由下面幾部分組成：（1）汽缸，為了便于裝配和拆卸，通常汽缸在水平中分面分開為兩半，這兩半由螺栓連接，用于支承靜止葉片系統(tǒng)。（2）轉子，轉子上有動葉片安裝在葉輪上，以及尚有葉輪。（3）軸承箱置于汽缸中，用于支承軸（4）調節(jié)系統(tǒng)依靠控制蒸汽流量，調節(jié)汽輪機轉速和出力，尚有用于軸承潤滑的油系統(tǒng)和一組安全裝置（5）聯(lián)軸器用于轉子的連接，并與發(fā)電機相連；（6）管道與汽缸入口蒸汽供應管道、汽缸出口排汽系統(tǒng)相連。3.2汽缸結構汽輪機汽缸實質上是一個壓力容器，在水平中心線的兩端支撐它的重量。設計中規(guī)定在汽缸的橫斷面上，能承擔管道的應力，并且沿汽缸的長度方向，要有一定的剛性從而維持汽輪機動靜部分準確的間隙。汽缸由于內部通道的需要使得其設計復雜。所有的汽缸都從水平中分面分開，從而使轉子能放入汽缸內和汽缸裝配為一個整體。在汽缸的水平結合面上，設立了巨大的法蘭和螺栓用以承擔壓力。相比汽缸的其余部分，相對厚重的法蘭對溫度變化的反映較慢，導致了不同的膨脹率，產(chǎn)生了溫度應力和變形，盡管這些在汽輪機中已采用了法蘭加熱蒸汽使其減至最低限度。軸封汽室和蒸汽出入通道使得應力進一步復雜。高壓和中壓汽缸都是鑄造結構，并且在橫截面上采用圓形結構從而使得應力達成最小。法蘭、螺栓、蒸汽出入通道和其他特性盡也許布置成對稱結構，從而減少熱不對稱和由此引起的變形。低壓汽缸可以采用裝配結構或裝配與鑄造組合的結構。和所有的壓力容器同樣，汽缸在制造完后要進行液壓實驗檢查設計的完善性，液壓實驗要進行最高工作壓力150%的壓力實驗。3.2.1圖3-3高壓缸軸向剖面圖許多現(xiàn)代汽輪機，蒸汽壓力超過10MPa并且功率大于100MW,，采用了雙層缸結構的高壓汽缸。這是由于高壓缸既要承擔熱和壓應力，而又能靈活運營，這時設計單層缸結構是困難的。對于雙層缸結構，缸間充滿了處在排汽參數(shù)的蒸汽，從而使得每層缸都能設計成承擔小溫差和小壓差的結構。在雙層缸間靠近排汽端設立了擋板，這個擋板是內缸鑄件的一部分。擋板向外延伸幾乎達成外缸，但沒有與外缸封住。高壓缸的紊流排汽在擋板的作用下排入排汽管道，避免冷卻內缸；這減小了內缸進汽端的溫差及由此引起的應力。從高壓缸進汽端內缸和轉子間軸封泄漏的蒸汽用管子排向高壓缸排汽處，從而使得雙層缸間充滿了處在排汽狀態(tài)的蒸汽，并且通過外缸軸封泄漏在雙層缸間維持小流量的蒸汽流動。圖3-3高壓缸軸向剖面圖較小的壓差可以采用較薄的汽缸，這一點以及雙層缸結構的較大的表面積，使得汽輪機在啟動時能較快的暖機。此外薄汽缸還易于鑄造，并且也許有較少的缺陷。在一些汽輪機中，采用了反向流葉片，其中蒸汽在其膨脹過程中的某處，從缸間返回以相反的方向繼續(xù)流過最后的級。這種布置導致了較高的缸間壓力和溫度，在外缸應力增長的代價下減少了熱內缸的應力。此外這種結構還使得以缸間參數(shù)抽汽的抽汽口結構簡樸，并且減少了高壓轉子的凈推力。在一些現(xiàn)代汽輪機中，為了進一步減少熱內缸的應力以及熱變形，采用了三層缸結構，內缸置于一個沒有水平結合面的筒狀套筒中，（這種）內缸應力小，可以做得相對薄，這樣法蘭也不厚，而包著它的筒狀汽缸應力相對高。然而，由于筒狀汽缸沒有法蘭，厚度均勻，因此即使相對薄，仍可承擔（一定的）應力。三層缸的這種形式，其中一個缺陷是在裝配和拆卸高壓汽缸時麻煩。在裝配中，需要把轉子裝入內、外下缸中，之后把內上缸裝配好，然后把轉子和內缸一塊吊起，置于一個特殊的夾具上，使得筒狀汽缸穿過。套好后，放下置于外缸的下半部分上，最后把上半外缸扣上即可。蒸汽進汽管道通過外缸，將蒸汽送入到內缸的進汽部分。進汽部分由內缸的一部分形成，這樣保證入口蒸汽不直接與轉子接觸，而是必須一方面流過噴嘴和第一列動葉柵。當主蒸汽溫度超過538℃一些國外機組采用噴嘴調節(jié)代替了節(jié)流調節(jié)。對于噴嘴調節(jié)，汽輪機的進汽部分提成幾部分，每部分由順序啟動的調節(jié)閥控制，這樣導致了更加復雜的鑄造結構和強度規(guī)定更高的第一級動葉片。靜葉片支撐在隔板上，隔板由靠近水平結合面和垂直中分線的鍵支撐和導向，從而允許同心膨脹。圖3-3中高壓缸的特性涉及：雙層缸，葉片支撐在內缸的隔板上，兩個進汽管道對稱布置，底部有兩個抽汽管道，缸間有擋板，缸間靠近排汽端有鍵，外缸的兩端都有立銷，進汽管道上有熱襯套，轉子汽缸間有軸封。3.2.2中壓汽缸現(xiàn)代再熱機組中，設計中壓缸時考慮的因素和高壓缸相似，進入中壓缸的蒸汽溫度和高壓缸相同，壓力卻低于高壓缸壓力。這使得中壓缸可以薄點。一般而言，大于300MW功率的機組至少有一部分為雙層缸支承前幾級，之后的級由持環(huán)支持。內缸和持環(huán)都減少了作用在外缸上的壓力和溫度，也使得外缸的型線光滑，這使外缸設計和制造簡樸，熱性能好。持環(huán)（的結構）使得汽缸的設計有較大的靈活性，由于當葉片改變時，不需要改變重要的汽缸，并且一個汽缸的設計能滿足級的不同布置方式。圖3-4中壓缸軸向剖面圖中壓汽缸常為雙流設計，并且在現(xiàn)代大型汽輪機上經(jīng)常如此。采用單流還是雙流重要根據(jù)葉片的設計和效率來決定，但是雙流汽缸尚有取消高壓端軸封的優(yōu)點。和高壓汽缸同樣，中壓汽缸轉子在進汽處要避免與高溫蒸汽接觸；中壓汽缸上設有導流環(huán)結構，導流環(huán)將入口蒸汽引至噴嘴，同時在鄰近轉子的導流環(huán)中心還通有溫度較低的高壓缸排汽。導流環(huán)單獨支撐在內缸的鍵上，或支持在第一級噴嘴內部。圖3-4中壓缸軸向剖面圖在中壓缸的兩個反向流中，葉片略有不同，導致兩端的壓力不同，從而部分內缸外形成了一股冷卻汽流。這使得內缸外和螺栓的溫度較低，從而可以采用小直徑的螺栓。圖3-4中壓缸的特性有：中間采用內缸，兩端為持環(huán)結構，外缸上部有四個排汽口，底部有兩個抽汽接口，進汽管道上設有熱襯套，保護轉子中心的導流環(huán)支撐在第一級噴嘴上，外缸的兩端設有立銷，外缸和轉子之間有軸封。3.2.3低壓汽缸低壓汽缸經(jīng)常是雙層缸結構，其中內缸上有隔板支撐，抽汽和抽水接頭，外缸將排汽引導至凝汽器并且為內缸提供結構上的支撐。然而，低壓缸的結構并不經(jīng)常如此，特別是背籃式凝汽器，其相應的低壓缸為單層缸結構。形體大的低壓外缸以及它們所承受的低壓負載使得低壓缸盡也許采用裝配式結構而不是鑄造結構。更加復雜的內缸基于經(jīng)濟性考慮可采用裝配式或鑄造式。所有汽缸都采用螺栓連接它們的水平結合面。對于一個典型的低壓汽缸，它的特性涉及：裝配式內缸、外缸；內缸上有抽汽口，排汽處有導葉，軸封支持在軸承上并且外缸上有膨脹節(jié)連接。3.3汽輪機轉子和聯(lián)軸器3.3.1在大型汽輪發(fā)電機組上，采用了四種不同類型的轉子結構：整鍛轉子，其中葉輪和軸由一個鍛件鍛造而成(圖.3-5(a))。套裝輪盤轉子，由分別鍛造好的鋼軸和鋼制輪盤組成，其中鋼制輪盤通過冷縮配合套裝在鋼軸上，并且運用鍵連接和定位(圖.3-5(b))。鼓形轉子，由實心或空心鍛件制造而成(圖.3-5(c)and3-5(d))。焊接輪盤轉子，這類轉子在英國并不常見，有用于低壓轉子上的方式。在國外的應用中，涉及高壓和中壓轉子采用了這種類型。由于各種各樣的因素，四種類型的轉子中，優(yōu)先采用整鍛轉子，但是當鍛件尺寸超過鍛造能力時，采用了套裝輪盤結構。目前，英國設計的660MW機組所有采用了整鍛轉子。為了避免運營中的問題和疲勞裂紋，套裝轉子在冷縮配合和定位時需要非常仔細。雖然輪盤也許便于進行無損檢測，但是整鍛轉子的無損檢測能力已發(fā)展到能滿足所有規(guī)定的限度。對于采用整鍛轉子的低壓轉子，有更好的剛性，從而有更好的動態(tài)性能。660MW機組幾乎無一例外的采用了這種結構的轉子，并且實驗結果很好。本來在實踐中，沿著鍛件軸心方向鉆孔得到實驗材料，從而可用來驗證鍛造質量。但是隨著鍛造技術和材料性能的提高，目前在一些設計中已經(jīng)取消了中心孔結構。焊接轉子的優(yōu)點是鍛件尺寸小，但需要有高的整體焊接技術，一些缺少大型鍛造能力的國家采用了焊接轉子結構，他們已成功地制成焊接高、中和低壓轉子，在英國，只有有限數(shù)量的焊接低壓轉子。由中空柱體制成的高溫鼓形轉子，與短軸連接，易于產(chǎn)生不同的蠕變。在現(xiàn)在的設計中已由整鍛鼓形轉子取代。受末級葉片設計的限制，雙流汽缸取代了高壓缸所采用的單流設計。對于660MW機組的設計，中、低壓缸的標準設計是采用雙流設計。對于單流高壓缸，在某種限度上，需要采用平衡活塞來平衡軸向推力，從而減少推力軸承負荷，特別是反動式機組（動葉兩端壓降大）需采用面積大的平衡活塞。相反，相比反動級設計，采用沖動級的高壓汽輪機轉子，它的葉片節(jié)距直徑減少。此外由于軸向推力更小，僅需要非常小的平衡活塞。3.3.2圖3-5汽輪機轉子結構類型圖3-5汽輪機轉子結構類型沒有相應材料的發(fā)展，蒸汽輪機設計領域的發(fā)展是不也許的。高溫下有好的抗蠕變性能的合金鋼的發(fā)展以及有好的機械及高斷裂韌性的其他合金鋼的發(fā)展，是冶金領域重大成就的一個方面。此外生產(chǎn)可以在高溫和低溫下都合用的組件，驗證了煉鋼技術的進步。這些組件有很大的物理尺寸，并且有可以滿足嚴格的內部缺陷規(guī)定的一致的材料性能。高溫轉子既規(guī)定蠕變強度、斷裂強度，還規(guī)定一定的延展性。運用鍛造的鉻鉬釩鋼制造的轉子能滿足這些規(guī)定。鉻鉬釩合金剛是一種鐵素體材料，可以提供也許最佳的蠕變性能。對于低溫轉子，重要的規(guī)定是有相對高的伸張強度和高的韌性。由于3.5鎳鉻鉬釩整鍛轉子鍛件避免了套裝轉子冷縮配合時的復雜性，所以目前的轉子采用了這種結構。對于套轉低壓轉子，它的軸和輪盤都采用了鎳含量高達3.5%的鎳鉻鉬釩合金鋼；對于大型整鍛轉子，為了獲得整鍛轉子所必需的伸張性能，也首選這種合金鋼材料。對于采用一系列實心輪盤組成的裝配式低壓轉子的設計，需要一定的焊接技術。這時對于合金鋼材的需求是矛盾的，一方面是對伸張強度的規(guī)定，另一方面是可焊接性的規(guī)定。由于低壓轉子也許在不超過周邊環(huán)境溫度很多的溫度下運營。這樣，提供防止脆性斷裂的安全裝置是重要的。對于輪盤、葉輪和整鍛轉子，使用也許最低的脆性轉變溫度的材料，采用嚴格的無損檢測，以及斷裂力學的評估都為低壓轉子的安全運營提供了必要的（框架）保證。3.5%NiCrMoV鋼的FATT值低。在水淬冷和回火條件下，加上對材料成分的仔細控制，3.5%NiCrMoV鋼的FATT值很好地低于環(huán)境溫度，有高的抗拉性能以及隨之而來的斷裂韌性。3.3.3超速實驗所有大型汽輪發(fā)電機轉子在制造時，都規(guī)定要做耐超速20%實驗。這樣在轉子的運營轉速范圍內，可以保證很好的轉子平衡。從而在由電網(wǎng)系統(tǒng)擾動引起的正常超速和超速螺栓實驗中經(jīng)常的10%超速中，能有足夠的余度。此外對轉子進行超速實驗還能驗證鍛件，由于在超速運營時，轉子的離心應力要大于常規(guī)運營中的離心應力，由此為衡量防止轉子自發(fā)快速斷裂的裕度提供了定量手段。3.3.4轉子平衡在裝配好葉片后，需要對轉子進行動平衡和靜平衡。對于套裝轉子，在裝配前須先對裝好葉片的葉輪單獨進行平衡。靜平衡是指轉子重量均勻地置于軸心周邊。將轉子置于水平放置的刀刃支撐上，滾動轉