注冊動力工程師3-汽輪機原理

1、2022-2-231全國勘察設計注冊公用設全國勘察設計注冊公用設備工程師動力專業(yè)備工程師動力專業(yè)劉文毅2一、概述一、概述汽輪機及其附屬設備通過管道和閥門等附件組成一汽輪機及其附屬設備通過管道和閥門等附件組成一整體，將熱能轉換成機械能整體，將熱能轉換成機械能冷源損失冷源損失凝汽設備凝汽設備 鍋鍋爐爐3噴嘴葉柵和動葉柵內共同完成噴嘴葉柵和動葉柵內共同完成, ,二者組成能量轉二者組成能量轉換基本單元換基本單元“級級”，單級汽輪機或多級汽輪機，單級汽輪機或多級汽輪機4二、蒸汽在噴嘴和動葉中的流動過程二、蒸汽在噴嘴和動葉中的流動過程能量條件：壓差作用下，熱能變成能量條件：壓差作用下，熱能變成動能，近似等

2、熵（可逆絕熱）過程動能，近似等熵（可逆絕熱）過程噴嘴速度系數(shù)：由于摩擦，噴嘴出噴嘴速度系數(shù)：由于摩擦，噴嘴出口流速和理想流速之比，口流速和理想流速之比，0.95-0.95-0.970.97 ，噴嘴損失，噴嘴損失結構條件：截面變化滿足連續(xù)流動需要，適應動結構條件：截面變化滿足連續(xù)流動需要，適應動葉布置成環(huán)形，表面流線形葉布置成環(huán)形，表面流線形 5熱能轉變?yōu)闄C械功，轉子熱能轉變?yōu)闄C械功，轉子動葉損失：摩擦，需較好型線、動葉損失：摩擦，需較好型線、排列和較低表面粗糙度排列和較低表面粗糙度輪周功率：葉柵功率，級的基本功率輪周功率：葉柵功率，級的基本功率輪周效率：輪周效率： 輪周功率和理想能量之比，評價

3、蒸汽輪周功率和理想能量之比，評價蒸汽在葉柵中能量轉換有效程度在葉柵中能量轉換有效程度6三、沖動式與反動式汽輪機三、沖動式與反動式汽輪機沖動級與反動級或純沖動級、沖動級、反動級（三沖動級與反動級或純沖動級、沖動級、反動級（三者即單列壓力級）和速度級者即單列壓力級）和速度級反動度：動葉內理想焓降和整級理想焓降之比反動度：動葉內理想焓降和整級理想焓降之比stbtstHHH純沖動級：純沖動級：=0 =0 沖動級：沖動級：=0.05-0.35 =0.05-0.35 反動級：反動級： =0.5=0.5雙列速度級：噴雙列速度級：噴嘴葉柵、導向葉嘴葉柵、導向葉柵和兩列動葉柵柵和兩列動葉柵7多級反動式汽輪機多級

4、反動式汽輪機單級沖動式單級沖動式8噴嘴損失、導葉損失、動葉損失、噴嘴損失、導葉損失、動葉損失、葉輪摩擦損失葉輪摩擦損失泄露損失、部分進汽損失、撞擊損失以及濕汽損失泄露損失、部分進汽損失、撞擊損失以及濕汽損失葉輪摩擦損失：葉輪與蒸汽摩擦葉輪摩擦損失：葉輪與蒸汽摩擦動葉柵損失：如噴嘴尾緣損失，汽流紊亂動葉柵損失：如噴嘴尾緣損失，汽流紊亂部分進汽損失：未布置噴嘴處，要帶動蒸汽旋轉，部分進汽損失：未布置噴嘴處，要帶動蒸汽旋轉，有噴嘴處，汽流要沖開停滯在動葉柵中蒸汽有噴嘴處，汽流要沖開停滯在動葉柵中蒸汽撞擊損失：蒸汽沖擊動葉前緣撞擊損失：蒸汽沖擊動葉前緣蒸汽泄露損失：壓差下動靜之間間隙存在泄露蒸汽泄露損

5、失：壓差下動靜之間間隙存在泄露濕汽損失：水分子速度小引起碰撞、摩擦，沖蝕濕汽損失：水分子速度小引起碰撞、摩擦，沖蝕扇形損失：葉柵環(huán)形結構造成，葉片長損失大扇形損失：葉柵環(huán)形結構造成，葉片長損失大9級內凈功：級內凈功：1kg1kg蒸汽級內理想焓降和各損失之差蒸汽級內理想焓降和各損失之差sestsiHhHWsessiHQP 級的內功率：全部蒸汽凈功級的內功率：全部蒸汽凈功級的內效率：級的內效率：1kg1kg蒸汽級內凈功和理想焓降之比蒸汽級內凈功和理想焓降之比stsesiHH /10一、多級汽輪機技術特點一、多級汽輪機技術特點111 1）提高單機功率）提高單機功率2 2）提高循環(huán)熱效率）提高循環(huán)熱效

6、率3 3）提高汽輪機相對內效率）提高汽輪機相對內效率4 4）降低汽輪機單位功率的投資）降低汽輪機單位功率的投資1 1）通流部分）通流部分 2 2）軸承）軸承 通常落地式在基礎臺板上通常落地式在基礎臺板上3 3）盤車裝置）盤車裝置 必要時緩慢轉動轉子，防熱彎曲必要時緩慢轉動轉子，防熱彎曲4 4）調節(jié)裝置）調節(jié)裝置 調節(jié)轉速和抽汽壓力調節(jié)轉速和抽汽壓力5 5）保護裝置）保護裝置 超速保護裝置，軸向位移保護裝置，超速保護裝置，軸向位移保護裝置，低油壓保護裝置低油壓保護裝置121 1）提高新汽參數(shù)）提高新汽參數(shù) 高溫、高壓高溫、高壓2 2）采用高強度、低密度材料）采用高強度、低密度材料3 3）采用低轉

7、速）采用低轉速 功率與轉速平方成反比功率與轉速平方成反比4 4）增加排汽口等）增加排汽口等汽輪機轉子轉速升高到某轉速，轉子強烈振動，繼汽輪機轉子轉速升高到某轉速，轉子強烈振動，繼續(xù)升高，振幅減小，出現(xiàn)振幅峰值的轉速續(xù)升高，振幅減小，出現(xiàn)振幅峰值的轉速 撓性轉子撓性轉子 1.4nc1n0 0.7nc213二、汽輪機及其裝置評價指標二、汽輪機及其裝置評價指標1kg1kg蒸汽有效功和理想焓降之比蒸汽有效功和理想焓降之比HWn/1kg1kg蒸汽有效功和所消耗熱量（在鍋爐吸熱）之比蒸汽有效功和所消耗熱量（在鍋爐吸熱）之比RWj/生產生產1kW 1kW h h電能所消耗熱量電能所消耗熱量)/() (0hk

8、WkJhhdqc)/(/hkWkgWDd生產生產1kW 1kW h h電能所消耗蒸汽量電能所消耗蒸汽量14三、汽輪機三、汽輪機的分類及選的分類及選用用還可按汽缸數(shù)量、還可按汽缸數(shù)量、排列方式排列方式15AA BB-CC-DD AA BB-CC-DD AA-AA-汽輪機類型汽輪機類型 BB-BB-額定功率額定功率(MW) (MW) CC-CC-蒸汽參數(shù)蒸汽參數(shù) D-D-變型設計次序變型設計次序16工業(yè)汽輪機：考慮轉速變化、轉速高、防爆除塵等工業(yè)汽輪機：考慮轉速變化、轉速高、防爆除塵等特殊性、可靠性及自動化程度要求高，結構多種多特殊性、可靠性及自動化程度要求高，結構多種多樣，國內外通常采用樣，國內

9、外通常采用“積木積木”式工業(yè)生產式工業(yè)生產凝汽式汽輪機：電力凝汽式汽輪機：電力抽汽凝汽式：熱電廠抽汽凝汽式：熱電廠背壓式汽輪機：熱電廠背壓式汽輪機：熱電廠抽汽背壓式汽輪機：熱電廠抽汽背壓式汽輪機：熱電廠17一、汽輪機的負荷特性一、汽輪機的負荷特性neennnTppTppQQ0220022000)()(經濟工況：設計條件下運行，效率與經濟性較好經濟工況：設計條件下運行，效率與經濟性較好變工況：負荷變化，蒸汽參數(shù)等變化條件下運行變工況：負荷變化，蒸汽參數(shù)等變化條件下運行通流部分結構尺寸不變，通流部分結構尺寸不變，級組級組前后蒸汽參數(shù)與流量前后蒸汽參數(shù)與流量0-0-機組前，機組前， n- -變工況，

10、變工況，e- -級組后級組后負荷特性負荷特性: :蒸汽參數(shù)蒸汽參數(shù), ,零部件受力隨功率等變化零部件受力隨功率等變化級組：任意若干蒸汽流量近似相等串聯(lián)級級組：任意若干蒸汽流量近似相等串聯(lián)級結構尺寸不變：級組級數(shù)與通流截面面積不變，若結構尺寸不變：級組級數(shù)與通流截面面積不變，若含調節(jié)汽門，則開度不變含調節(jié)汽門，則開度不變180000ppQQnn滑壓或壓力變化不大，滑壓或壓力變化不大，T0近似不變近似不變凝汽機組排汽壓力小，凝汽機組排汽壓力小，pe忽略忽略簡化公式應用：簡化公式應用：1 1）由進汽量變化，計算各抽汽點壓力變化）由進汽量變化，計算各抽汽點壓力變化2 2）用調節(jié)級后蒸汽壓力作為測量蒸汽

11、流量或機）用調節(jié)級后蒸汽壓力作為測量蒸汽流量或機組功率信號組功率信號3 3）可利用抽汽點壓力變化監(jiān)視通流部分損壞或）可利用抽汽點壓力變化監(jiān)視通流部分損壞或結垢程度結垢程度191 1）主蒸汽超壓：承壓部件內部應力增大；蒸汽質流）主蒸汽超壓：承壓部件內部應力增大；蒸汽質流量增大；使葉片壓力比、受力增大；末級葉片受力量增大；使葉片壓力比、受力增大；末級葉片受力增大最大；軸向推力增大。增大最大；軸向推力增大。105%105%額定壓力額定壓力 2 2）“超溫超溫”和和“驟冷驟冷”：主蒸汽：主蒸汽“超溫超溫”將使承壓將使承壓部件實際應力增加；高溫管道產生蠕變問題；鋼材部件實際應力增加；高溫管道產生蠕變問題

12、；鋼材塑性變形過大。塑性變形過大。 -10-1015 15 “驟冷驟冷”指蒸汽溫度下降過快，鍋爐滿水等造成，汽指蒸汽溫度下降過快，鍋爐滿水等造成，汽輪機水沖擊。蒸汽濕度增大，軸向推力增大、推力輪機水沖擊。蒸汽濕度增大，軸向推力增大、推力瓦塊升溫。突降瓦塊升溫。突降50 停機停機 3 3）真空）真空“惡化惡化”: :排汽壓力過高將使排汽溫度升高排汽壓力過高將使排汽溫度升高, ,排汽室膨脹量增大排汽室膨脹量增大, ,機組振動機組振動; ;循環(huán)水泄露循環(huán)水泄露; ;末級葉片末級葉片顫振。顫振。 循環(huán)水溫高、結垢造成。排汽不超過循環(huán)水溫高、結垢造成。排汽不超過80 80 4 4）小容積流量工況：末級葉

13、片振動，應力升高；轉）小容積流量工況：末級葉片振動，應力升高；轉子與汽缸溫度升高子與汽缸溫度升高 5 5）高壓加熱器停用：級組前后壓差增大，部件應力）高壓加熱器停用：級組前后壓差增大，部件應力超預期超預期201 1）應盡量接近設計工況）應盡量接近設計工況2 2）超溫和超壓會提高熱效率，超溫還會使級效率提）超溫和超壓會提高熱效率，超溫還會使級效率提高高3 3）要根據(jù)級組形式和結構，調節(jié)手段和工況變化范）要根據(jù)級組形式和結構，調節(jié)手段和工況變化范圍，如滑壓調節(jié)汽輪機效率下降輕微圍，如滑壓調節(jié)汽輪機效率下降輕微21二、滑壓運行二、滑壓運行滑壓運行：汽輪機運行時滑壓運行：汽輪機運行時, ,調節(jié)汽門全開

14、或開度不調節(jié)汽門全開或開度不變，根據(jù)負荷調節(jié)燃料量、給水量、空氣量，鍋變，根據(jù)負荷調節(jié)燃料量、給水量、空氣量，鍋爐出口汽壓和流量隨負荷而變，但出口汽溫不變爐出口汽壓和流量隨負荷而變，但出口汽溫不變1 1）純滑壓運行：調節(jié)汽門全開，負荷調節(jié)滯后）純滑壓運行：調節(jié)汽門全開，負荷調節(jié)滯后 2 2）節(jié)流滑壓運行：汽門預關）節(jié)流滑壓運行：汽門預關5%5%15%進行滑壓進行滑壓3）復合滑壓運行：）復合滑壓運行：“定定-滑滑-定定”,高與最低負荷定高與最低負荷定壓壓好處：安全與靈活性較好，避免了好處：安全與靈活性較好，避免了定壓運行時因定壓運行時因負荷急劇變化引起的過大的溫度變化和熱應力負荷急劇變化引起的過

15、大的溫度變化和熱應力22三、供熱汽輪機工況圖三、供熱汽輪機工況圖汽輪機發(fā)電機組功率與流量間的關系曲線稱為工汽輪機發(fā)電機組功率與流量間的關系曲線稱為工況圖況圖1 1）凝汽式與背壓式汽輪機：蒸汽流量與電功率都）凝汽式與背壓式汽輪機：蒸汽流量與電功率都近似正比近似正比2 2）供熱型抽凝）供熱型抽凝式汽輪機組：確式汽輪機組：確定進汽流量、電定進汽流量、電功率、工業(yè)抽汽功率、工業(yè)抽汽量與采暖抽汽量量與采暖抽汽量之間關系之間關系某一次調節(jié)抽汽式汽輪機工況圖某一次調節(jié)抽汽式汽輪機工況圖23三、供熱汽輪機工況圖三、供熱汽輪機工況圖某二次調節(jié)抽汽式汽輪機工況圖某二次調節(jié)抽汽式汽輪機工況圖24一、凝汽設備的工作原

16、理一、凝汽設備的工作原理1 1）作用：汽輪機排汽側建立并維）作用：汽輪機排汽側建立并維持高真空，減少冷源損失；回收持高真空，減少冷源損失；回收凝結水凝結水2）組成：凝汽器本體及其輔助）組成：凝汽器本體及其輔助的抽氣器、凝結水泵、循環(huán)水的抽氣器、凝結水泵、循環(huán)水泵及循環(huán)水管道系統(tǒng)，也叫冷泵及循環(huán)水管道系統(tǒng)，也叫冷端系統(tǒng)端系統(tǒng)253 3）凝汽器：每端各有一水室殼體構成）凝汽器：每端各有一水室殼體構成 材料選擇：主要依據(jù)冷卻水水質，根據(jù)水質清潔度材料選擇：主要依據(jù)冷卻水水質，根據(jù)水質清潔度選用不同黃銅類材料，還可根據(jù)實際情況采用加氯選用不同黃銅類材料，還可根據(jù)實際情況采用加氯處理、膠球（海綿球）清洗

17、、硫酸亞鐵鍍膜等技術處理、膠球（海綿球）清洗、硫酸亞鐵鍍膜等技術措施。措施。B10B10白銅管在清潔海水中耐腐蝕，鈦管對氯白銅管在清潔海水中耐腐蝕，鈦管對氯化物、硫化物和氨具有較好耐蝕性，抗沖擊腐蝕能化物、硫化物和氨具有較好耐蝕性，抗沖擊腐蝕能力也強，但貴。不銹鋼耐蝕及抗沖擊由于黃銅，開力也強，但貴。不銹鋼耐蝕及抗沖擊由于黃銅，開始被采用始被采用膠球清洗裝置膠球清洗裝置：對內壁自：對內壁自動清洗動清洗 熱水井：收集凝結水熱水井：收集凝結水264）凝結水泵）凝結水泵：升壓輸送凝結水：升壓輸送凝結水容量確定：考慮最大凝汽量以及其它可能進入凝容量確定：考慮最大凝汽量以及其它可能進入凝汽器水量汽器水量

18、揚程確定：凝汽器最高真空；熱井最低水位至輸揚程確定：凝汽器最高真空；熱井最低水位至輸送終點靜壓差；流程阻力，加送終點靜壓差；流程阻力，加20%20%裕量；除氧器最裕量；除氧器最大工作壓力，加大工作壓力，加15%15%裕量；除氧器入口凝結水管噴裕量；除氧器入口凝結水管噴霧頭所需噴霧壓力等霧頭所需噴霧壓力等臺數(shù)確定：一般臺數(shù)確定：一般2 2100%100%容量容量, ,一臺備用。采暖抽汽一臺備用。采暖抽汽機組應機組應350%形式和布置高度確定：要避免發(fā)生汽化形式和布置高度確定：要避免發(fā)生汽化27真空：壓力即為蒸汽凝結溫度下飽和壓力真空：壓力即為蒸汽凝結溫度下飽和壓力蒸汽凝結溫度：循環(huán)水進口溫度蒸汽

19、凝結溫度：循環(huán)水進口溫度+循環(huán)水溫升（凝循環(huán)水溫升（凝汽器溫差）汽器溫差）+傳熱端差傳熱端差ttttws1凝汽器溫差：取決于循環(huán)倍率凝汽器溫差：取決于循環(huán)倍率m，汽化潛熱，汽化潛熱qcmqt凝汽器傳熱端差：受熱負荷、凝汽器總體傳熱系凝汽器傳熱端差：受熱負荷、凝汽器總體傳熱系數(shù)等影響數(shù)等影響28二、管束布置及真空除氧二、管束布置及真空除氧1 1、管束布置、管束布置：分主凝結區(qū)和空氣冷卻區(qū)，有三角：分主凝結區(qū)和空氣冷卻區(qū)，有三角形排列、正方形排列和輻向排列，要求：減小流形排列、正方形排列和輻向排列，要求：減小流動阻力，減小凝結水過冷度，熱負荷分布均勻。動阻力，減小凝結水過冷度，熱負荷分布均勻。2、

20、真空除氧：、真空除氧：沸騰狀態(tài)時，其它氣體分壓力趨于沸騰狀態(tài)時，其它氣體分壓力趨于0，但過冷時，氣體又會溶入水中。熱水井部位可，但過冷時，氣體又會溶入水中。熱水井部位可加淋水盤式或鼓泡式除氧裝置加淋水盤式或鼓泡式除氧裝置3、評價指標：、評價指標：真空度、凝結水過冷度、凝結水含真空度、凝結水過冷度、凝結水含氧量、水阻和空冷區(qū)排出的氣氧量、水阻和空冷區(qū)排出的氣-汽混合物過冷度汽混合物過冷度29三、抽氣器三、抽氣器1 1、工作原理、工作原理抽出不凝結氣體，維持真空度。抽出不凝結氣體，維持真空度。氣體被抽出，其分壓力接近氣體被抽出，其分壓力接近0 0，凝汽器內壓力才是，凝汽器內壓力才是該溫度蒸汽的飽和

21、壓力該溫度蒸汽的飽和壓力2、抽氣器類型、抽氣器類型1）蒸汽射流抽氣器：利用一定壓力和溫度的蒸汽）蒸汽射流抽氣器：利用一定壓力和溫度的蒸汽流過減縮噴管產生高速流在混合室形成高真空，流過減縮噴管產生高速流在混合室形成高真空，效率較低效率較低2）射水抽氣器：以水為工質，極限真空受進水溫）射水抽氣器：以水為工質，極限真空受進水溫度制約，一般閉式系統(tǒng)，由水池、射水泵、射水度制約，一般閉式系統(tǒng)，由水池、射水泵、射水抽氣器組成。抽氣器組成。3）水環(huán)式真空泵：價格較貴）水環(huán)式真空泵：價格較貴,大型電廠廣泛用大型電廠廣泛用30一、軸封系統(tǒng)一、軸封系統(tǒng)1 1）軸封汽利用）軸封汽利用2 2）低壓低溫汽源的應用）低壓

22、低溫汽源的應用3 3）防止蒸汽由端軸封漏入大氣）防止蒸汽由端軸封漏入大氣4 4）防止空氣漏入真空部分）防止空氣漏入真空部分軸端汽封：轉子端部和汽缸之間所裝，軸封，通軸端汽封：轉子端部和汽缸之間所裝，軸封，通常曲徑式常曲徑式軸封系統(tǒng)：汽輪機軸封和電站外部汽源，通過管道、軸封系統(tǒng)：汽輪機軸封和電站外部汽源，通過管道、閥門和設備、附件等共同組成，用以防止或減弱軸閥門和設備、附件等共同組成，用以防止或減弱軸間蒸汽泄露間蒸汽泄露31二、油系統(tǒng)二、油系統(tǒng)調節(jié)保護系統(tǒng)都是由油驅調節(jié)保護系統(tǒng)都是由油驅動，各軸承需潤滑油進行動，各軸承需潤滑油進行潤滑和冷卻潤滑和冷卻由主油泵、高壓油泵、由主油泵、高壓油泵、交直流

23、潤滑油泵、注油交直流潤滑油泵、注油器、冷油器、油箱、油器、冷油器、油箱、油凈化、油壓調節(jié)和低油凈化、油壓調節(jié)和低油壓保護裝置等設備組成壓保護裝置等設備組成32三、冷卻供水系統(tǒng)三、冷卻供水系統(tǒng)直流供水（開式系統(tǒng)）：水來自江河直流供水（開式系統(tǒng)）：水來自江河閉式系統(tǒng)：必須帶冷卻塔等冷卻設施閉式系統(tǒng)：必須帶冷卻塔等冷卻設施1）機力通風冷卻塔：初投資小，）機力通風冷卻塔：初投資小，建設工期短，布置緊湊，占地少，建設工期短，布置緊湊，占地少，冷卻效果穩(wěn)定，適宜在空氣濕度冷卻效果穩(wěn)定，適宜在空氣濕度大、氣溫高、要求冷卻水溫較低大、氣溫高、要求冷卻水溫較低場合。但需要風機設備，運行中場合。但需要風機設備，運行中消耗電能，檢修維護和運行費用消耗電能，檢修維