汽輪機(jī)第三章.ppt

1、第三章：汽輪機(jī)變工況特性， 第1節(jié)噴嘴變工況特性第2節(jié)級(jí)和級(jí)組變工況特性第3節(jié)蒸汽分配方式及其對(duì)定壓運(yùn)行機(jī)組變工況的影響第4節(jié)滑壓運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)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(jī)的熱力計(jì)算第7節(jié)初末參數(shù)變化對(duì)汽輪機(jī)運(yùn)行的影響第8節(jié)汽輪機(jī)工況圖和熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪機(jī)，當(dāng)結(jié)垢噴嘴的背壓高于設(shè)計(jì)值時(shí)，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(dāng)背壓高于設(shè)計(jì)值時(shí)，結(jié)垢噴嘴的運(yùn)行效率非常低。當(dāng)錐形噴嘴的背壓高于設(shè)計(jì)值時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)喘振，速度系數(shù)高，非設(shè)計(jì)效率仍然很高。當(dāng)錐形噴嘴前后的參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，流量也會(huì)發(fā)生變化；設(shè)計(jì)和可變條件

2、都是臨界條件(當(dāng)噴嘴出口速度達(dá)到或超過臨界速度時(shí)，噴嘴稱為臨界條件)；設(shè)計(jì)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?jí)毫Τ烧取ＴO(shè)計(jì)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(huì)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(dāng)死初始?jí)毫退莱跏急热莶蛔儠r(shí)，設(shè)計(jì)背壓的降低會(huì)降低噴嘴的流量。原因是，隨著設(shè)計(jì)背壓和設(shè)計(jì)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(duì)較小，因此當(dāng)設(shè)計(jì)背壓減小時(shí)，噴嘴面積不變，流量必須減小。級(jí)和級(jí)組的變工況特性，級(jí)內(nèi)壓力與流量的關(guān)系；在級(jí)內(nèi)工況變化前后，噴嘴流量達(dá)到或超過臨界值(如果級(jí)內(nèi)噴嘴葉柵或動(dòng)葉柵的流量達(dá)到或超過臨界速度，稱為臨界狀態(tài))，無論動(dòng)葉內(nèi)流量是否達(dá)到臨界值。該階段的流量與滯止初始?jí)毫虺跏級(jí)毫Τ烧?與溫度變化無關(guān))。當(dāng)噴嘴流量在工況變化前后沒有達(dá)到臨界值，轉(zhuǎn)子內(nèi)流量達(dá)到或超過臨界值時(shí)，只要采用轉(zhuǎn)子的相關(guān)熱力學(xué)參數(shù)，噴嘴可變工況的結(jié)論就可以在轉(zhuǎn)子上使用。級(jí)中

4、的亞臨界工況(如果級(jí)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(jí)組壓力與流量的關(guān)系為臨界工況，在各級(jí)流量面積不變的情況下，級(jí)組處于亞臨界工況。如果級(jí)組前后的壓差由小變大，各級(jí)的流量和流量也會(huì)增加。此時(shí)，通常是級(jí)組中的最后一級(jí)先達(dá)到臨界速度。這是因?yàn)楹笠患?jí)的比容較大，其平均直徑大于前一級(jí)。如果兩個(gè)adja的速度比和反應(yīng)度從弗洛伊格公式可以看出，級(jí)數(shù)越多，在相同初始?jí)毫ο屡R界壓力越接近零，用它計(jì)算的誤差越小，誤差越大；無論類組中的級(jí)數(shù)如何，當(dāng)在設(shè)計(jì)條件下應(yīng)用Fleuger公式時(shí)，所有參數(shù)都是相等的，因此

5、沒有誤差。偏離設(shè)計(jì)條件越近，誤差越小，誤差越大；當(dāng)背壓等于初始?jí)毫ΓO(shè)計(jì)流量為零時(shí)，弗洛伊格公式的計(jì)算誤差為零。應(yīng)用Frolger公式分析問題和解決實(shí)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(shí)驗(yàn)計(jì)算壓力與流量關(guān)系時(shí)，蒸汽通過面積在工況變化前后不變。因此，當(dāng)應(yīng)用這些關(guān)系時(shí)，有必要在設(shè)計(jì)和非設(shè)計(jì)條件下保持蒸汽通過面積不變。在一個(gè)級(jí)別組中，所有級(jí)別的相同流量是推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)獲得壓力和流量之間關(guān)系的另一個(gè)先決條件。流過級(jí)組中每一級(jí)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(jí)流經(jīng)兩個(gè)初始?jí)毫Σ煌恼羝?。整個(gè)調(diào)節(jié)級(jí)不能包含在級(jí)組中，其流量不能根據(jù)壓力和流量的關(guān)系單獨(dú)計(jì)算。因此，該階段通常從最后一個(gè)

6、階段開始計(jì)算，以便最后一個(gè)階段的參數(shù)可以用作參與操作的已知量。級(jí)比焓降的變化規(guī)律當(dāng)凝汽式汽輪機(jī)的初始?jí)毫捅硥号c非調(diào)節(jié)級(jí)的流量成正比時(shí)，級(jí)的理想比焓降基本不變。對(duì)于凝汽式汽輪機(jī)的末級(jí)，當(dāng)流量大于最小臨界流量時(shí)，初始?jí)毫εc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(dāng)忽略背壓式汽輪機(jī)非調(diào)節(jié)級(jí)的溫度變化時(shí)，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(dāng)速比減小時(shí)，反應(yīng)度減小；隨著級(jí)速比的增大，級(jí)的比焓降減小，反應(yīng)程

7、度增大。對(duì)于設(shè)計(jì)反應(yīng)度較小的階段，當(dāng)比焓降變化時(shí)，反應(yīng)度變化不大；相反，變化很??；反動(dòng)派的反應(yīng)程度基本不變。對(duì)于凝汽式汽輪機(jī)的末級(jí)，當(dāng)蒸汽流量不變且動(dòng)葉出口速度超過臨界速度時(shí)，如果排氣壓力下降，動(dòng)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?yàn)槟┘?jí)動(dòng)葉片前的壓力與動(dòng)葉片的臨界流量成正比，末級(jí)噴嘴前的初始?jí)毫εc該級(jí)的臨界流量成正比，如果流量不變，滯止的初始?jí)毫⒈３植蛔?。也就是說，當(dāng)該階段的理想比焓降增加時(shí)，反應(yīng)程度增加。對(duì)于調(diào)節(jié)級(jí)，當(dāng)動(dòng)葉片速度超過臨界速度時(shí)也是如此。在沖擊損失設(shè)計(jì)條件下，蒸汽流爬行葉柵的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向與動(dòng)葉進(jìn)口角一致，氣流能夠順利進(jìn)入動(dòng)葉。當(dāng)級(jí)的比焓降發(fā)生變化時(shí)，蒸

8、汽進(jìn)入轉(zhuǎn)子葉片的相對(duì)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(jī)在恒壓運(yùn)行下的主要缺點(diǎn)是調(diào)節(jié)閥在低負(fù)荷時(shí)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(diǎn)是在恒壓運(yùn)行時(shí)，調(diào)節(jié)級(jí)蒸汽室中幾個(gè)高壓級(jí)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(jī)快速變負(fù)荷的主要因素。噴嘴蒸汽分配渦輪機(jī)可承受基本負(fù)荷，并可用于調(diào)峰，無論是恒壓運(yùn)行還是滑壓運(yùn)行。噴嘴蒸汽分配易于用于背壓和在恒定壓力下運(yùn)行的調(diào)節(jié)抽汽式汽輪機(jī)，以減少節(jié)流損失。當(dāng)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(shí)，不僅第一級(jí)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(gè)動(dòng)葉片上，使得每個(gè)動(dòng)葉片共享的蒸汽流量最大。動(dòng)葉片的蒸汽作用力與流量和比焓降的乘積成正比。因此，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)調(diào)節(jié)閥完全打開而其他調(diào)節(jié)閥關(guān)閉時(shí)，調(diào)節(jié)級(jí)的動(dòng)葉片承受的力最大，這是一種危險(xiǎn)的工況，電機(jī)葉片的強(qiáng)度應(yīng)根據(jù)這種工況進(jìn)行計(jì)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(huì)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(jí)的軸向推力主要取決于級(jí)前后的壓差和反作用力度的乘積。因此，變工況下級(jí)的軸向推力和設(shè)計(jì)工況下的軸向推力可用以下公式表示：(1)滑壓運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性；(2)滑壓操作的

10、概念；(3)當(dāng)汽輪機(jī)在滑動(dòng)壓力下運(yùn)行時(shí)，調(diào)節(jié)閥的全開或全開不變。根據(jù)負(fù)荷，調(diào)節(jié)鍋爐的燃料量、給水量和進(jìn)氣量，使鍋爐出口的蒸汽壓力和流量隨負(fù)荷升降，但出口溫度保持不變，汽輪機(jī)的入口蒸汽溫度保持不變，入口蒸汽壓力和流量隨負(fù)荷增減，可用于調(diào)節(jié)汽輪機(jī)的功率。汽輪機(jī)的近汽壓隨著外部負(fù)荷的增加或減少而上下滑動(dòng)，因此稱為滑壓運(yùn)行和變壓運(yùn)行?；瑝哼\(yùn)行可分為三種模式：純滑壓運(yùn)行模式：純滑壓運(yùn)行汽輪機(jī)不需要調(diào)節(jié)級(jí)，第一級(jí)應(yīng)為全進(jìn)汽，調(diào)節(jié)閥全開，機(jī)組負(fù)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(gè)滯后現(xiàn)象符合規(guī)定。節(jié)氣門滑動(dòng)壓力操作：節(jié)氣門滑動(dòng)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(jìn)行滑動(dòng)壓力操作。這種調(diào)節(jié)模式的缺點(diǎn)是在節(jié)流調(diào)節(jié)閥中存在節(jié)流損失。負(fù)荷滑壓運(yùn)行方式是恒壓和滑壓相結(jié)合的運(yùn)行方式，是目前調(diào)峰機(jī)組最常用的運(yùn)行方式，這使得機(jī)組在所有變負(fù)荷區(qū)域都具有較高的經(jīng)濟(jì)性。機(jī)組滑壓運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性在相同流量下，中低壓缸的熱過程線是相同的，其經(jīng)濟(jì)性只能與高壓缸的熱經(jīng)濟(jì)性相比較。在部分負(fù)荷下，滑壓運(yùn)行機(jī)組高壓缸的相對(duì)內(nèi)效率高于恒壓運(yùn)行機(jī)組，因?yàn)榛瑝哼\(yùn)行時(shí)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(fù)荷的降低而降低，但新蒸汽體積流量在各種負(fù)荷下基本不變。恒定的體積流量使各級(jí)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(fù)荷下，噴嘴蒸汽分配和恒壓操作

12、單元的調(diào)節(jié)級(jí)的效率下降更多，恒壓運(yùn)行時(shí)節(jié)流蒸汽分配，高壓缸各級(jí)溫度變化小，但節(jié)流損失大，熱經(jīng)濟(jì)性低。只有滑動(dòng)壓力操作最適合調(diào)峰。當(dāng)機(jī)組滑壓運(yùn)行負(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，大大提高了機(jī)組調(diào)峰的靈活性和安全性。當(dāng)滑壓運(yùn)行機(jī)組負(fù)荷降低時(shí)，中間再熱溫度可以保持穩(wěn)定。當(dāng)噴嘴配汽恒壓運(yùn)行機(jī)組負(fù)荷降低時(shí)，由于高壓缸排汽溫度降低，中壓缸進(jìn)汽溫度降低，不僅影響效率，還會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力和熱變形?；瑝哼\(yùn)行機(jī)組高壓缸排氣溫度和中壓缸進(jìn)口溫度葉片穩(wěn)定。可以看出，滑動(dòng)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(duì)汽輪機(jī)的影響初始溫度保持不變，但初始?jí)毫ι仙?，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?jí)毫υ黾?，?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(jí)葉片的應(yīng)力與流量成正比增加，特別是在最后一級(jí)，因?yàn)楫?dāng)流量增加時(shí)，最后一級(jí)的比焓降增加很大。汽輪機(jī)和熱電聯(lián)產(chǎn)的工作圖：熱電聯(lián)產(chǎn)是將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為高級(jí)熱能進(jìn)行發(fā)電，同時(shí)在供熱或汽輪機(jī)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(jī)組功率與蒸汽消耗的關(guān)系曲線稱為汽輪發(fā)電機(jī)組工況圖，也是蒸汽消耗線。節(jié)流配汽凝汽式汽輪機(jī)的蒸汽消耗特性方程為：汽輪機(jī)的空載蒸汽消耗，即汽輪發(fā)電機(jī)組保持怠速時(shí)為克服機(jī)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(jī)工作圖(見P200)背壓式汽輪機(jī)(背壓式汽輪機(jī)供熱系列示意圖)凝汽式汽輪機(jī)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(jī)中抽出部分功的蒸汽供熱，可大大提高蒸汽動(dòng)力裝置的熱效率。這種發(fā)電供熱的汽輪機(jī)稱為熱電汽輪機(jī)或供熱汽輪機(jī)。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?jí)毫Φ慕档鸵话悴粫?huì)帶來危險(xiǎn)。蒸汽初始溫度和再熱溫度對(duì)安全性的影響。(P191)、背壓式汽輪機(jī)的排汽全