汽輪機第三章.ppt

1、第三章：汽輪機變工況特性， 第1節(jié)噴嘴變工況特性第2節(jié)級和級組變工況特性第3節(jié)蒸汽分配方式及其對定壓運行機組變工況的影響第4節(jié)滑壓運行的經(jīng)濟性和安全性第5節(jié)小流量工況和葉片震顫第6節(jié)變工況下汽輪機的熱力計算第7節(jié)初末參數(shù)變化對汽輪機運行的影響第8節(jié)汽輪機工況圖和熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪機，當結(jié)垢噴嘴的背壓高于設(shè)計值時，脈沖波將首先在噴嘴出口產(chǎn)生，然后在噴嘴的逐漸排放段產(chǎn)生。 超音速通過脈沖波，流速大大降低，損失很大。因此，當背壓高于設(shè)計值時，結(jié)垢噴嘴的運行效率非常低。當錐形噴嘴的背壓高于設(shè)計值時，不會出現(xiàn)喘振，速度系數(shù)高，非設(shè)計效率仍然很高。當錐形噴嘴前后的參數(shù)發(fā)生變化時，流量也會發(fā)生變化；設(shè)計和可變條件

2、都是臨界條件(當噴嘴出口速度達到或超過臨界速度時，噴嘴稱為臨界條件)；設(shè)計條件和可變條件之間的臨界流量比表明，不同條件下噴嘴的臨界流量與局部壓力或滯止初始壓力成正比。設(shè)計條件和可變條件下的噴嘴是亞臨界條件。如果不考慮溫度變化，初始背壓和噴嘴流量之間的關(guān)系會減小(曲線關(guān)系見教科書P133)。注：圖中虛線不適用于錐形噴嘴，但適用于縮放噴嘴。這條曲線有一定的物理意義。當死初始壓力和死初始比容不變時，設(shè)計背壓的降低會降低噴嘴的流量。原因是，隨著設(shè)計背壓和設(shè)計壓力比的降低，結(jié)垢噴嘴的膨脹程度將不可避免地增加，而出口面積是固定的，因此結(jié)垢噴嘴的喉部面積將隨著膨脹程度的增加而減小，因此結(jié)垢噴嘴的流量將隨著臨

3、界面積的減小而減小。此外，根據(jù)連續(xù)性方程Gt=An*Ct/Vt，由于在超音速區(qū)，比值隨壓力而減小，也就是說，隨著比焓降的增加，比容大大增加，而流量增加相對較小，因此當設(shè)計背壓減小時，噴嘴面積不變，流量必須減小。級和級組的變工況特性，級內(nèi)壓力與流量的關(guān)系；在級內(nèi)工況變化前后，噴嘴流量達到或超過臨界值(如果級內(nèi)噴嘴葉柵或動葉柵的流量達到或超過臨界速度，稱為臨界狀態(tài))，無論動葉內(nèi)流量是否達到臨界值。該階段的流量與滯止初始壓力或初始壓力成正比(與溫度變化無關(guān))。當噴嘴流量在工況變化前后沒有達到臨界值，轉(zhuǎn)子內(nèi)流量達到或超過臨界值時，只要采用轉(zhuǎn)子的相關(guān)熱力學參數(shù)，噴嘴可變工況的結(jié)論就可以在轉(zhuǎn)子上使用。級中

4、的亞臨界工況(如果級中噴嘴和轉(zhuǎn)子出口處的氣流速度小于臨界速度，這種工況稱為壓力臨界工況)。如果不考慮溫度變化，可以得到兩種工況下流量的近似比值：工況變化前后，級組壓力與流量的關(guān)系為臨界工況，在各級流量面積不變的情況下，級組處于亞臨界工況。如果級組前后的壓差由小變大，各級的流量和流量也會增加。此時，通常是級組中的最后一級先達到臨界速度。這是因為后一級的比容較大，其平均直徑大于前一級。如果兩個adja的速度比和反應(yīng)度從弗洛伊格公式可以看出，級數(shù)越多，在相同初始壓力下臨界壓力越接近零，用它計算的誤差越小，誤差越大；無論類組中的級數(shù)如何，當在設(shè)計條件下應(yīng)用Fleuger公式時，所有參數(shù)都是相等的，因此

5、沒有誤差。偏離設(shè)計條件越近，誤差越小，誤差越大；當背壓等于初始壓力，設(shè)計流量為零時，弗洛伊格公式的計算誤差為零。應(yīng)用Frolger公式分析問題和解決實際問題。壓力與流量關(guān)系的應(yīng)用條件規(guī)定，在推導(dǎo)和實驗計算壓力與流量關(guān)系時，蒸汽通過面積在工況變化前后不變。因此，當應(yīng)用這些關(guān)系時，有必要在設(shè)計和非設(shè)計條件下保持蒸汽通過面積不變。在一個級別組中，所有級別的相同流量是推導(dǎo)和實驗獲得壓力和流量之間關(guān)系的另一個先決條件。流過級組中每一級的蒸汽應(yīng)該是均勻的蒸汽流。在大多數(shù)情況下，調(diào)節(jié)級流經(jīng)兩個初始壓力不同的蒸汽流。整個調(diào)節(jié)級不能包含在級組中，其流量不能根據(jù)壓力和流量的關(guān)系單獨計算。因此，該階段通常從最后一個

6、階段開始計算，以便最后一個階段的參數(shù)可以用作參與操作的已知量。級比焓降的變化規(guī)律當凝汽式汽輪機的初始壓力和背壓與非調(diào)節(jié)級的流量成正比時，級的理想比焓降基本不變。對于凝汽式汽輪機的末級，當流量大于最小臨界流量時，初始壓力與流量成正比，但背壓與流量不成正比，背壓不變，流量增大，理想比焓降增大；相反，隨著流量的減小，理想焓降減小。當忽略背壓式汽輪機非調(diào)節(jié)級的溫度變化時，理想比焓降與變工況下流量的關(guān)系曲線(詳見教科書)可用弗洛伊格公式求得。反應(yīng)程度的變化主要由速比的變化引起，也受壓力比的影響。反應(yīng)度的變化規(guī)律如下：該階段的比焓降增大，即當速比減小時，反應(yīng)度減??；隨著級速比的增大，級的比焓降減小，反應(yīng)程

7、度增大。對于設(shè)計反應(yīng)度較小的階段，當比焓降變化時，反應(yīng)度變化不大；相反，變化很??；反動派的反應(yīng)程度基本不變。對于凝汽式汽輪機的末級，當蒸汽流量不變且動葉出口速度超過臨界速度時，如果排氣壓力下降，動葉的比焓降將增加，而噴嘴滯止的理想比焓降將保持不變。這是因為末級動葉片前的壓力與動葉片的臨界流量成正比，末級噴嘴前的初始壓力與該級的臨界流量成正比，如果流量不變，滯止的初始壓力將保持不變。也就是說，當該階段的理想比焓降增加時，反應(yīng)程度增加。對于調(diào)節(jié)級，當動葉片速度超過臨界速度時也是如此。在沖擊損失設(shè)計條件下，蒸汽流爬行葉柵的相對運動方向與動葉進口角一致，氣流能夠順利進入動葉。當級的比焓降發(fā)生變化時，蒸

8、汽進入轉(zhuǎn)子葉片的相對方向?qū)l(fā)生變化，這將改變轉(zhuǎn)子葉片的邊界層厚度，增加葉型損失。這種額外的損失稱為沖擊損失。節(jié)流蒸汽分配節(jié)流蒸汽分配汽輪機在恒壓運行下的主要缺點是調(diào)節(jié)閥在低負荷時節(jié)流損失大，降低了理想的比焓噴嘴蒸汽分配的主要缺點是在恒壓運行時，調(diào)節(jié)級蒸汽室中幾個高壓級的溫度在變工況下變化很大，導(dǎo)致熱應(yīng)力大，這往往成為限制這類汽輪機快速變負荷的主要因素。噴嘴蒸汽分配渦輪機可承受基本負荷，并可用于調(diào)峰，無論是恒壓運行還是滑壓運行。噴嘴蒸汽分配易于用于背壓和在恒定壓力下運行的調(diào)節(jié)抽汽式汽輪機，以減少節(jié)流損失。當只有第一調(diào)節(jié)閥完全打開而其他調(diào)節(jié)閥關(guān)閉時，不僅第一級的理想焓降最大，而且通過第一噴嘴組的流

9、量也是第一噴嘴組的最大流量，其集中在第一噴嘴組后面的幾個動葉片上，使得每個動葉片共享的蒸汽流量最大。動葉片的蒸汽作用力與流量和比焓降的乘積成正比。因此，當?shù)谝粋€調(diào)節(jié)閥完全打開而其他調(diào)節(jié)閥關(guān)閉時，調(diào)節(jié)級的動葉片承受的力最大，這是一種危險的工況，電機葉片的強度應(yīng)根據(jù)這種工況進行計算。軸向推力的變化規(guī)律與蒸汽分布方式有關(guān)。過大的軸向推力會造成轉(zhuǎn)子軸向位移過大，減小甚至消除轉(zhuǎn)子與定子之間的軸向位移間隙，并造成定子與定子之間的摩擦和損壞。級的軸向推力主要取決于級前后的壓差和反作用力度的乘積。因此，變工況下級的軸向推力和設(shè)計工況下的軸向推力可用以下公式表示：(1)滑壓運行的經(jīng)濟性和安全性；(2)滑壓操作的

10、概念；(3)當汽輪機在滑動壓力下運行時，調(diào)節(jié)閥的全開或全開不變。根據(jù)負荷，調(diào)節(jié)鍋爐的燃料量、給水量和進氣量，使鍋爐出口的蒸汽壓力和流量隨負荷升降，但出口溫度保持不變，汽輪機的入口蒸汽溫度保持不變，入口蒸汽壓力和流量隨負荷增減，可用于調(diào)節(jié)汽輪機的功率。汽輪機的近汽壓隨著外部負荷的增加或減少而上下滑動，因此稱為滑壓運行和變壓運行?；瑝哼\行可分為三種模式：純滑壓運行模式：純滑壓運行汽輪機不需要調(diào)節(jié)級，第一級應(yīng)為全進汽，調(diào)節(jié)閥全開，機組負荷只能通過改變鍋爐出口蒸汽壓力和流量來調(diào)節(jié)。由于鍋爐的熱慣性，有一個滯后現(xiàn)象符合規(guī)定。節(jié)氣門滑動壓力操作：節(jié)氣門滑動壓力操作也不需要調(diào)節(jié)階段。在第一集中，節(jié)氣門調(diào)節(jié)閥

11、提前關(guān)閉，以進行滑動壓力操作。這種調(diào)節(jié)模式的缺點是在節(jié)流調(diào)節(jié)閥中存在節(jié)流損失。負荷滑壓運行方式是恒壓和滑壓相結(jié)合的運行方式，是目前調(diào)峰機組最常用的運行方式，這使得機組在所有變負荷區(qū)域都具有較高的經(jīng)濟性。機組滑壓運行的經(jīng)濟性在相同流量下，中低壓缸的熱過程線是相同的，其經(jīng)濟性只能與高壓缸的熱經(jīng)濟性相比較。在部分負荷下，滑壓運行機組高壓缸的相對內(nèi)效率高于恒壓運行機組，因為滑壓運行時主蒸汽溫度是恒定的。雖然主蒸汽質(zhì)量流量和壓力隨著負荷的降低而降低，但新蒸汽體積流量在各種負荷下基本不變。恒定的體積流量使各級噴嘴和轉(zhuǎn)子葉片的流速保持不變，比焓降和內(nèi)部效率保持不變。然而，在部分負荷下，噴嘴蒸汽分配和恒壓操作

12、單元的調(diào)節(jié)級的效率下降更多，恒壓運行時節(jié)流蒸汽分配，高壓缸各級溫度變化小，但節(jié)流損失大，熱經(jīng)濟性低。只有滑動壓力操作最適合調(diào)峰。當機組滑壓運行負荷變化時，高壓缸各級溫度幾乎不變，熱應(yīng)力和熱變形很小，大大提高了機組調(diào)峰的靈活性和安全性。當滑壓運行機組負荷降低時，中間再熱溫度可以保持穩(wěn)定。當噴嘴配汽恒壓運行機組負荷降低時，由于高壓缸排汽溫度降低，中壓缸進汽溫度降低，不僅影響效率，還會產(chǎn)生熱應(yīng)力和熱變形?；瑝哼\行機組高壓缸排氣溫度和中壓缸進口溫度葉片穩(wěn)定?？梢钥闯?，滑動壓力裝置的安全性和靈活性高于恒壓裝置。初始和最終參數(shù)對汽輪機的影響初始溫度保持不變，但初始壓力上升太多，增加了主蒸汽管、主閥、調(diào)節(jié)閥

13、和導(dǎo)管等承壓部件的內(nèi)應(yīng)力。如果調(diào)節(jié)閥的開度保持不變，初始壓力增加，導(dǎo)致新蒸汽的比容降低，蒸汽流量增加，零件應(yīng)力增加。各級葉片的應(yīng)力與流量成正比增加，特別是在最后一級，因為當流量增加時，最后一級的比焓降增加很大。汽輪機和熱電聯(lián)產(chǎn)的工作圖：熱電聯(lián)產(chǎn)是將燃料的化學能轉(zhuǎn)化為高級熱能進行發(fā)電，同時在供熱或汽輪機中做一部分工作后，可以向外界供熱，從而提高熱效率。汽輪發(fā)電機組功率與蒸汽消耗的關(guān)系曲線稱為汽輪發(fā)電機組工況圖，也是蒸汽消耗線。節(jié)流配汽凝汽式汽輪機的蒸汽消耗特性方程為：汽輪機的空載蒸汽消耗，即汽輪發(fā)電機組保持怠速時為克服機械損失而消耗的蒸汽。蒸汽消耗的微消耗率表示單位功率每增加一次，需要增加的蒸汽消耗量。噴嘴配汽凝汽式汽輪機工作圖(見P200)背壓式汽輪機(背壓式汽輪機供熱系列示意圖)凝汽式汽輪機余熱型冷源損失很大。如果能提高排氣壓力，利用排氣熱量，或從汽輪機中抽出部分功的蒸汽供熱，可大大提高蒸汽動力裝置的熱效率。這種發(fā)電供熱的汽輪機稱為熱電汽輪機或供熱汽輪機。主要有背壓式、調(diào)節(jié)萃取式和調(diào)節(jié)萃取背壓式。初始溫度是恒定的，而初始壓力的降低一般不會帶來危險。蒸汽初始溫度和再熱溫度對安全性的影響。(P191)、背壓式汽輪機的排汽全