汽輪機原理課件第三章

1、汽輪機的變工況特性第一節(jié) 噴嘴的變工況特性第二節(jié) 級與級組的變工況特性第三節(jié) 配汽方式及其對定壓運行機組變工況的影響第四節(jié) 滑壓運行的經(jīng)濟性與安全性第五節(jié) 小容級流量工況與葉片顫震第六節(jié) 變工況下汽輪機的熱力核算第七節(jié) 初終參數(shù)變化對汽輪機工作的影響第八節(jié) 汽輪機的工況圖與熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪機噴嘴的變工況特性縮放噴嘴背壓漸高于設(shè)計值時，將先在噴嘴出口處，后在噴嘴漸放段內(nèi)產(chǎn)生沖波，超音速經(jīng)過沖波，流速大為降低，損失很大，所以縮放噴嘴處于背壓高于設(shè)計值的工況下運行效率很低。漸縮噴嘴背壓高于設(shè)計值時不會出現(xiàn)沖波，速度系數(shù)很高，變工況效率仍然較高。漸縮噴嘴前后參數(shù)都變化時的流量變化 設(shè)計工況與變工況下噴嘴均

2、為臨界工況（噴嘴出口流速達到或超過臨界速度時，稱噴嘴處于臨界工況） 設(shè)計工況和變工況下的臨界流量之比為 表明在不同工況下的噴嘴的臨界流量正比于處壓或滯止初壓。 設(shè)計工況與變工況下噴嘴均為亞臨界工況，若不考慮溫度變化，則流量比為 漸縮噴嘴初壓背壓與流量的關(guān)系(曲線關(guān)系見課本P133).附帶說明：圖中虛線對漸縮噴嘴不適應(yīng)，但適用于縮放噴嘴，曲線喲一定的物理意義。滯止初壓，滯止初比容于噴嘴面積不變時，設(shè)計背壓減小會使噴嘴的流量降低。原因是隨著設(shè)計背壓的減小，設(shè)計壓比減小，縮放噴嘴的膨脹度必然增大，而出口面積已規(guī)定不變，故膨脹度增大使縮放噴嘴喉部面積減小，于是縮放噴嘴的流量隨臨界面積的減小而減小。另從

3、連續(xù)性方程Gt=An*Ct/Vt來看，由于超音速區(qū)域隨壓比減小，即隨著比焓降增大，比容增大的較大而流速相對增加的較小，因此當(dāng)設(shè)計背壓降低時，噴嘴面積不變，流量必定減小。0011ppGGcc00111ppGG級與級組的變工況特性級內(nèi)壓力與流量的關(guān)系級內(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到或超過臨界速度，就稱該公況為臨界工況）級的工況變化前后噴嘴流速均達到或超過臨界值，不論動葉中流速是否達到臨界值，此級的流量與滯止初壓或初壓成正比（不考慮溫度的變化）級的工況變化前后噴嘴流速均未達到臨界值而動葉內(nèi)流速達到或超過臨界值時，只要采用動葉的相對熱力參數(shù)，噴嘴的變工況的結(jié)論都可用在動葉上。級

4、內(nèi)為亞臨界工況（級內(nèi)噴嘴和動葉出口氣流速度均小于臨界速度，則稱該工況為壓臨界工況）若不考慮溫度的變化，可得兩工況下的流量的近似比：級組壓力與流量的關(guān)系工況變化前后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，這時一般是級組內(nèi)最后一級最先達到臨界速度，這是因為后面級的比容較大，其平均直徑比前面的大，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，流速也常最大最后一級的蒸汽絕對溫度最低，當(dāng)?shù)匾羲僮钚。?2202212011ppppGG 亞臨界工況級組中某一級的噴嘴或動葉的氣流速度剛升到臨界速度時，級組前后的壓力比稱為級組

5、臨界壓力比。若不考慮溫度變化，設(shè)計工況與變工況下的臨界流量比為： 工況變化前后均為亞臨界工況 弗留格爾公式： ，它是級組在亞臨界工況下的級組流量與壓力的近似關(guān)系式。 由弗留格爾公式可見，級組內(nèi)級數(shù)月多，同一初壓下的臨界壓力相對的越接近零，應(yīng)用它計算的誤差越小，反之誤差越大；不論級組內(nèi)級數(shù)多少，在設(shè)計工況下應(yīng)用弗留格爾公式時，各參數(shù)相等，因此沒有誤差，偏離設(shè)計工況越近，誤差越小，反之誤差越大；背壓與初壓相等，設(shè)計流量為零時，應(yīng)用弗留格爾公式的計算誤差為零。 應(yīng)用弗留格爾公式分析問題解決實際問題。 壓力與流量關(guān)系式的應(yīng)用條件 在推導(dǎo)和實驗求取壓力與流量的關(guān)系式時，都規(guī)定了工況變動前后通汽面積不變，

6、因此應(yīng)用這些關(guān)系式時，也必須保持設(shè)計工況和變工況下通汽面積不變。 級組內(nèi)各級流量相同是推導(dǎo)和實驗求取壓力和流量關(guān)系式的又一前提。 流過級組內(nèi)各級的蒸汽應(yīng)是一股均質(zhì)汽流，調(diào)節(jié)級多數(shù)情況下流過兩股初壓不同的汽流，整個調(diào)節(jié)級不能包括在級組內(nèi)，其流量也不能單獨的用級的壓力與流量的關(guān)系進行計算，故級常從末級算起，以便把末級參數(shù)作為已知量參與運算。0011ppGGcc220212011ggppppGG級的比焓降的變化規(guī)律 凝汽式汽輪機初壓，背壓均與流量成正比的非調(diào)節(jié)級，流量變化時級的理想比焓降基本不變。對凝汽式汽輪機的最末一級，在流量大于最小臨界流量，初壓正比于流量，但背壓不與流量成正比，背壓不變，流量增

7、大，理想比焓降增大；反之，流量減小，理想比焓降減小。 背壓式汽輪機的非調(diào)節(jié)級在忽略溫度變化時，由弗留格爾公式可得變工況下理想比焓降與流量的關(guān)系曲線（詳見課本）反動度的變化規(guī)律，反動度的變化主要是速比變化引起的，也受壓比的影響 反動度的變化規(guī)律是：級的比焓降增大，即速比減小時，反動度減小，；級的比焓降減小，級速比增大時，反動度增大。設(shè)計反動度較小的級，比焓降變化時反動度變化較小；反之，變化較??；反動級的反動度基本不變。 對于凝汽式汽輪機末級，在蒸汽流量不變且動葉出口流速已超過臨界速度的條件下，若排汽壓力下降，則動葉比焓降增大而噴嘴的滯止理想比焓降不變，這是因為末級動葉前壓力與動葉臨界流量成正比，

8、流量不變則初壓力不變，末級噴嘴前滯止壓力與級的臨界流量成正比，流量不變則滯止初壓不變。即級的理想比焓降增大式反動度增大，對于調(diào)節(jié)級，當(dāng)動葉流速超過臨界速度時，也是如此。撞擊損失 設(shè)計工況下，汽流盡蠕動葉柵的相對運動方向與動葉進口角一致，氣流能平滑的進入動葉。級的比焓降改變時，會使汽流進入動葉的相對方向改變，從而使動葉附面層厚度改變，葉型損失增加，這一附加損失稱為撞擊損失。配汽方式及其對定壓運行機組變工況的影響節(jié)流配汽節(jié)流配汽汽輪機定壓運行的主要缺點是，低負荷時調(diào)節(jié)汽門中節(jié)流損失較大，使扣除進汽機構(gòu)節(jié)流損失后的理想比焓降減小的較多。常用節(jié)流效率表示節(jié)流損失對汽輪機經(jīng)濟性的影響。與噴嘴配汽相比，其

9、優(yōu)點是沒有調(diào)節(jié)級，結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，定壓運行流量變化大，各級溫度變化較小，對負荷變化適應(yīng)性較好。噴嘴配汽噴嘴配汽與節(jié)流配汽相比，節(jié)流損失較小，效率較高，這是噴嘴配汽的主要優(yōu)點。噴嘴配汽調(diào)節(jié)級即使各個調(diào)節(jié)汽門均已全開，仍部分進汽，且調(diào)節(jié)級的余速不能被利用，而節(jié)流配汽初容量小外，第一級就是全周進汽，沒有部分進汽損失，而且第一級的余速動能可被第二級利用，因此在額定功率下，噴嘴配汽汽輪機的效率比節(jié)流配汽的稍低。噴嘴配汽的主要缺點是，定壓運行時調(diào)節(jié)級汽室?guī)讉€高壓級在變工況下溫度變化都較大，從而引起較大的熱應(yīng)力，這常成為限制這種汽輪機迅速改變負荷的主要因素。1.噴嘴配汽汽輪機不論定壓運行還是滑壓運行，

10、即可承擔(dān)基本負荷，又可用于調(diào)峰。定壓運行的背壓式和調(diào)節(jié)抽汽式汽輪機易采用噴嘴配汽方式，以減小節(jié)流損失。調(diào)節(jié)級的最危險工況 當(dāng)只有第一調(diào)節(jié)汽門全開而其他調(diào)節(jié)汽門關(guān)閉時，非但第一級的理想比焓降最大，而且流過第一噴嘴組的流量是第一噴嘴組的最大流量，這股流量集中在第一噴嘴組后的少數(shù)動葉上，使每片動葉分?jǐn)偟恼羝髁孔畲?。動葉的蒸汽作用力正比于流量和比焓降之積，因此當(dāng)?shù)谝徽{(diào)節(jié)汽門全開而其他調(diào)節(jié)汽門都關(guān)閉時，調(diào)節(jié)級動葉受力最大，是危險工況，調(diào)節(jié)機動葉強度應(yīng)以這一功況核算。軸向推力的變化規(guī)律 變工況時全機的軸向推力的變化規(guī)律與配汽方式有關(guān)。軸向推力過大將使轉(zhuǎn)子軸向位移過大，使轉(zhuǎn)子與靜子的軸向位移間隙減小以至消

11、失，使動靜之間產(chǎn)生摩擦及損壞。 級的軸向推力大小主要取決于級前后壓差與反動度的乘積，因此級的變工況下的軸向推力與設(shè)計工況下的軸向推力可用下式來表示：)()(20210111ppppFFmmzz滑壓運行的經(jīng)濟性與安全性滑壓運行的概念汽輪機滑壓運行時，調(diào)節(jié)汽門全開或開度不變。根據(jù)負荷大小調(diào)節(jié)進入鍋爐的燃料量，給水量和空氣量，使鍋爐出口汽壓和流量隨負荷升降而升降，但出口氣溫不變，因此汽輪機的進汽溫度維持額定值不變，而進汽壓力與流量都隨負荷升降而增減，可借以調(diào)節(jié)汽輪機的功率。汽輪機的近汽壓力隨外界負荷增減而上下滑動，故稱滑壓運行，也稱變壓運行?；瑝哼\行分為三種方式：純滑壓運行方式：純滑壓運行汽輪機不需

12、要調(diào)節(jié)級，第一級應(yīng)全周進汽，調(diào)節(jié)汽門全開，只靠鍋爐出口蒸汽壓力和流量的改變來調(diào)節(jié)機組負荷，由于鍋爐存在熱慣性，符合調(diào)節(jié)存在滯后現(xiàn)象。節(jié)流滑壓運行：節(jié)流滑壓運行也不需要調(diào)節(jié)級，第一集全周進汽，節(jié)流調(diào)節(jié)汽門預(yù)先關(guān)小，進行滑壓運行，這種調(diào)節(jié)方式的缺點是節(jié)流調(diào)節(jié)汽門中有節(jié)流損失。負荷滑壓運行方式，這是一種定壓與滑壓相結(jié)合的一種運行方式，是目前調(diào)峰機組最常用的一種方式，它使機組在所有變負荷區(qū)域內(nèi)都有較高的經(jīng)濟性。機組滑壓運行的經(jīng)濟性1.滑壓運行機組與定壓運行機組在同一流量下，中低壓缸的熱力過程線都一樣，經(jīng)濟性只比較高壓缸的熱經(jīng)濟性即可?；瑝哼\行機組高壓缸在部分負荷時的相對內(nèi)效率高于定壓運行機組，這是因為

13、滑壓運行時主蒸汽溫度不變，雖然主蒸汽質(zhì)量流量和壓力都隨負荷減小而減小，但各種負荷下新政汽容積流量基本不變。容積流量不變使各級噴嘴，動葉出口的流速不變，比焓降和內(nèi)效率都不變 而噴嘴配汽定壓運行機組在部分負荷下調(diào)節(jié)級效率下降較多，節(jié)流配汽定壓運行機組在部分負荷下節(jié)流損失較大。 滑壓運行機組在部分負荷下的鍋爐給水壓力降低，用變速給水泵課降低給水泵耗功，這是一個不小的數(shù)值，因此低負荷時給水泵耗功的減小將給滑壓運行機組的熱經(jīng)濟性帶來明顯益處?；瑝哼\行機組的安全性與靈活性 定壓運行噴嘴配汽汽輪機調(diào)峰時，若迅速改變負荷或夜間停機和啟動，特別是調(diào)節(jié)級引起較大的溫度變化或熱應(yīng)力，這是限制該機組調(diào)峰靈活性的主要障

14、礙，也是影響機組的安全可靠運行的關(guān)鍵問題。定壓運行節(jié)流配汽時，高壓缸各級溫度變化雖不大，但節(jié)流損失較大，熱經(jīng)濟性較低，只有滑壓運行最適宜于調(diào)峰。 滑壓運行機組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，這就大大增強了機組調(diào)峰的靈活性和安全性?；瑝哼\行機組在負荷降低時，能保持中間再熱溫度穩(wěn)定，噴嘴配汽定壓運行機組負荷下降時，因高壓缸排汽溫度下降，中壓缸進汽溫度有所下降，這不僅影響效率，而且引起熱應(yīng)力和熱變形?；瑝哼\行機組高壓缸排汽溫度穩(wěn)定，中壓缸進汽溫度葉穩(wěn)定。由此可見，滑壓運行機組的安全性和靈活性都高于定壓運行。初終參數(shù)對汽輪機的影響 初溫不變，初壓升高過多，使主蒸汽管道，主汽門，調(diào)

15、節(jié)汽門，導(dǎo)管等承壓部件內(nèi)部應(yīng)力增加，若調(diào)節(jié)汽門開度不變，初壓增加，致使新汽比容減小，蒸汽流量增加，零件受力增大，各級葉片的受力正比于流量而增大，特別是末級的危險性最大，因為流量增大時末級比焓降增大的很多，而葉片的受力正比于流量何必焓降之積，故對應(yīng)力水平已很高的末級葉片的運行安全性可能帶來危險。汽輪機的工況圖與熱電聯(lián)產(chǎn)熱電聯(lián)產(chǎn)：熱電聯(lián)合能量生產(chǎn)，它是將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為高品位的熱能用以發(fā)電，同時將以在供熱或汽輪機中做部分功后的地位能對外供熱，從而提高熱效率。汽輪發(fā)電機組的功率與汽耗量見的關(guān)系曲線稱為汽輪發(fā)電機組的工況圖，也成汽耗線。節(jié)流配汽凝汽式汽輪機工況圖，其汽耗特性方程為： 汽輪機的空載汽耗，即汽輪發(fā)電機組保持空轉(zhuǎn)時，為克服機械損失所消耗的蒸汽量。 汽耗微耗率，表示每增加單位功率所需要增加的汽耗量。噴嘴配汽凝汽式汽輪機工況圖（見P200)背壓式汽輪機 （背壓式汽輪機加熱級數(shù)示意圖） 凝汽式汽輪機的排汽熱量式冷源損失，數(shù)量很大，若能把排汽壓力提高，八排汽熱量加以利用，或從汽輪機中抽出做過部分功的蒸汽來供熱，就可大大提高蒸汽動力裝置的熱效率。這種既發(fā)電又供熱的汽輪機稱為熱電式汽輪機或稱供熱式汽輪機。主要有背壓式，調(diào)節(jié)抽汽式與調(diào)節(jié)抽汽背壓式。elnlPdDD1初溫不變，初壓降低一般不會帶來危險。蒸汽初溫和再熱溫度對安全性影響