ch2 多级汽轮机
多级汽轮机的重热现象
多级汽轮机的重热现象
多级汽轮机的重热现象
多级汽轮机（MLGs）是现代汽轮机设计的一种改进形式，它非常适合在有限的气体预报条件下工作，可以提供高压气体以驱动风力发电机组，但是由于它们的规模和复杂度，多级汽轮机经常会遭受重热问题。
重热是指汽轮机系统运行温度超过允许值。
由于气体在经过每一级叶轮时会发生加热，而且某些时候发电功率过大，所以最终的结果就是系统温度的升高。
汽轮机的热分析是一个非常复杂的过程，因为它涉及到叶轮内部压力与温度的动态变化，以及系统中流体运动、设备散热和蒸汽压力变化等问题。
如果热力学分析过程不能及时发现和控制，就会出现重热现象。
重热可能会损坏多级汽轮机组件，危及机组安全。
因此，多级汽轮机系统中重热检测非常重要。
一般采用末级叶轮排气温度和末级叶轮排气压力来控制多级汽轮机的重热。
要实现精确的重热控制，计算机技术应用也是必不可少的。
因此，为了确保多级汽轮机的安全可靠运行，定期的重热检测是必不可少的，及时发现重热异常，及时采取有效的控制措施，是安全运行的保障。
第二章+多级汽轮机
第二章+多级汽轮机第二章多级汽轮机第一节多级汽轮机的工作特点为了满足电力生产日益增长的需要，世界各国都在生产大功率、高效率的汽轮发电机组。
要想增大汽轮机的功率，则应增加汽轮机的理想焓降和蒸汽流量。
若仍设计成单级汽轮机，则理想焓降增加，将使喷嘴出口速度相应增大，为了保持汽轮机级在最佳速比范围内工作，就必须相应地增加级的圆周速度，而增大圆周速度要受到叶轮和叶片材料强度条件的限制，所以焓降不能无限制地增加；增加级的蒸汽流量，则要增加级通流面积，即增大级的平均直径或叶片高度，同样将受到材料强度的限制。
那么提高汽轮机蒸汽初参数和降低背压，既能提高机组循环热效率，又能增大汽轮机功率，但焓降的增加不能仅靠单级来完成，否则，喷嘴出口速度将非常大，为保证级在最佳速比附近工作，又将会出现材料强度所不允许的、极大的圆周速度。
因此要增大汽轮机功率、又要保证高效率唯一的途径，就是采用多级汽轮机，其中每一级只利用总焓降的一小部分。
多级汽轮机是由按工作压力高低顺序排列的若干级组成的，常见的多级汽轮机有两种，即多级冲动式汽轮机和多级反动式汽轮机。
图1-8（见文后插页）是东方汽轮机厂生产的300MW 冲动式多级汽轮机的纵剖面图。
由图可见，该机组高压缸内有10级（1个单列冲动级作调节级，其余9个为压力级）；中压缸内有6级；低压缸内为对称分流，布置有6×2个压力级。
从结构上说，该机组共有28级，但由于蒸汽在低压缸内为对称分流，两部分的工作情况相同，故从热力过程的特点上说，该机组共有22级。
图1-9（见文后插页）为哈尔滨汽轮机厂制造的亚临界600MW 反动式汽轮机纵剖面图。
它由1个单列调节级、10个高压反动级、2×9个中压反动级和2×2×7个低压反动级组成，因此从结构上说它有57级，而从热力过程上看，它有27级。
蒸汽进入汽轮机后依次通过各级膨胀作功，压力逐级降低，比体积则不断增大，尤其当压力较低而又进入饱和区后，比体积增加得更快。
第二章多级汽轮机
内功率Pi H i 理想功率Pt H t
2、汽轮机的相对有效效率 机械效率：将全部机械损失看成集中在轴承上，则对于轴承 来说，其输入能量为汽轮机的内功率，输出能量称为有效功率 pe，则机械损失为Δpm＝pi－pe，故
机械效率m
有效功率pe 内功率pi
相对有效效率：把汽轮机和轴承看成一个整体，此时输入为 蒸汽的理想功率，输出为有效功率，故
重热系数：由于重热现象而增加的理想焓降占汽轮机理想焓降 的比例，一般α为0.04～0.08。
h H
t
t
Ht
ht 1 Ht
H i ri H t hi rim ht
ηrim — 各级的平均内效率
H i rim (1 )H t
j 1 n
m g
D H 3600
j 1 i
n
ij
Gi ( D j ) ：表示第j段的流量； Hij ：表示第j段的有效焓降。
（二）绝对效率
当考虑发电厂整个热力循环时，若以Q0作为输入能量，以汽 轮发电机组不同的功率作为输出能量所得到的一组效率称为绝 对效率。
当以汽轮机的理想焓降为输出能量时，所得到的效率称为循 环热效率ηt。 H t H t t Qo h0 hc
级的焓降较小，可以采用渐缩喷嘴，避免了采用难以加工、 效率较低的缩放喷嘴。
级的焓降较小，根据最佳速比的要求，可相应减小级的平均 直径，从而可适当增加叶栅高度，减小叶栅的端部损失。
多级汽轮机具有重热现象。
3、多级汽轮机单位功率的投资大大减小 （二）多级汽轮机存在的问题
增加了一些附加的能量损失，如隔板漏汽损失、湿汽损失。
第二章 多级汽轮机-第一节 多级汽轮机的优越性及特点
第一节 多级汽轮机的优越性及特点2.1.1 多级汽轮机的优越性和存在的问题（一）多级汽轮机的热效率大大提高1、多级汽轮机的循环热效率大大提高多级汽轮机的比焓降可比单级汽轮机增大很多，因而多级汽轮机的蒸汽初参数可大大提高，排汽压力可以降的很低，还可采用回热循环和中间再热循环，所以多级汽轮机的循环热效率大大高于单级汽轮机。
2、 多级汽轮机的相对内效率明显提高1）多级汽轮机在设计工况下每一级都在最佳速比附近工作，这就使它比单级汽轮机的相对内效率高。
2）在一定条件下，多级汽轮机的余速动能可以全部或部分地被下一级利用，而单级汽轮机的余速动能不可能被下一级利用。
对于多级汽轮机，只要相邻两级的部分进汽度相同，平均直径变化平滑，喷嘴进汽角与上一级的排汽角相近，级间的轴向间隙较小，两级的流量变化不大，那么上一级的余速动能可以全部或部分地被下一级利用。
除调节级及本汽缸地最末级外，多级汽轮机其他各级地余速动能一般可被下一级利用，因此整个汽轮机地内效率提高了。
3）多级汽轮机各级的比焓降比较小，速比一定时的圆周速度和平均直径m d 也都较小根据第一章中的连续方程111sin t n m n t Gv e d l c μπα=可知，在容积流量1t Gv 相同的条件下，由于m d 较小，喷口出口高n l 度增大，因而叶高损失减小，喷嘴流动效率较高。
4）多级汽轮机上面级的损失可以部分地被下面各级利用，使全机相对内效率提高，这种现象称为重热现象，这也是其效率比单级汽轮机高的一个原因。
综上所述，由于多级汽轮机的效率比单级汽轮机高得多，所以多级汽轮机的单位功率能耗大大低于单级汽轮机。
（二）多级汽轮机单位功率的投资大大减小多级汽轮机的单级功率可以远远大于单级汽轮机，因而使单位功率汽轮机组的造价、耗材和占地面积都比单级汽轮机大大减小，容量越大的机组减小得越多，这就使多级汽轮机单位功率得投资大大减小。
（三）多级汽轮机存在的问题1） 增加了一些附加损失，如隔板漏汽损失。
多级汽轮机介绍
2、循环热效率
t
t
H t Q0
H t h0 hc'
3、绝对电效率 ael
ael trim g
（一）汽耗率
定义：汽轮发电机组每发1kwh的电 所消耗的蒸汽量。
符号：d 单位：
d D 3600
Pel H trel
kg /(kw h)
（二）热耗率
定义：汽轮发电机组每发1kwh的电所消耗 的热量。
hi E0
ht h hc2 ht
当余速动能被下一级利用时，1
0
，则：
ri
' ri
，
即本级余速被下一级利用后，可以提高本级的内效 率。
2
2、余速利用对整机效率的影响 整机热力过程线左移，整个过程的熵增 减小，效率提高。 3、实现余速利用的条件 （1）相邻两级的部分进汽度相同。 （2）相邻两级的通流部分过渡平滑。 （3）相邻两级之间的轴向间隙要小， 流量变化不大。 （4）前一级的排汽角α 2应与后一级喷 管的进汽角α 0g一致。
⒉外部漏汽损失 产生原因： ① 汽轮机的主轴在穿出汽缸两端时，为了
防止动静部分的摩擦，总要留有一定的 间隙，又由于汽缸内外存在着压差，则 必然会使高压端有一部分蒸汽向外漏出， 这部分蒸汽不作功，因而造成了能量损 失。 ② 在处于真空状态下的低压端会有一部分 空气从外向里漏入而破坏真空，增大抽 气器的负担。
第二节 多级汽轮机的损失及其
装置的效率和热经济指 标
一、多级汽轮机的损失
损失分类： 1、 外部损失：不直接影响蒸汽状态的损失。 2、 内部损失：直接影响蒸汽状态的损失。 （一）外部损失 1、 机械损失：汽机运行时，克服支持轴承 和 推力轴承的摩擦阻力，带动主油泵、调速器等消 耗一部分有用功造成的损失。
电厂汽轮机原理及系统 ch2 多级汽轮机
煤耗率
机组发出1KW·h电量所消耗的标煤量 标准煤 电量所消耗的标煤量(标准煤 机组发出 电量所消耗的标煤量 标准煤g/KW·h）。 ）。 1kg标准煤发热量为 标准煤发热量为7000Kcal。 标准煤发热量为 。 指标分为：发电煤耗、供电煤耗。 指标分为：发电煤耗、供电煤耗。
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2.3 多级汽轮机的轴向力及其平衡
压力反动度
动叶前后压差与级压差的比值， 动叶前后压差与级压差的比值， Ω p =
图上， 在h-s图上，同一压差的焓降随压力降低而增大，故压力反动度小 图上 同一压差的焓降随压力降低而增大， 于焓降反动度， 于焓降反动度，用焓降反动度替代压力反动度计算轴向偏于安全
p1 − p 2 p0 − p2
FzI = π d mlb Ω p ( p0 − p2 ) ≈ π d mlb Ω m ( p0 − p2 )
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2.1.4 进排汽损失
排汽损失
排汽损失通常用汽轮机未 级动叶出口静压与凝汽器 喉部静压差表示。 喉部静压差表示。由能量 平衡得
2 p1 + 1 ρ1c12 = p2 + 1 ρ 2 c2 + ∆ 0 2 2
排汽总损失 进入凝汽器的 蒸汽动能和排汽通道的流 动压力损失。 动压力损失。即： 2
2 ∆ = 1 ρ 2 c2 + ∆ 0 2
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2.3 多级汽轮机的轴向力及其平衡
叶轮上的轴向力
叶轮反动度 Ω d = d 2 p0 − p2 轴向推力 π 2 FzII = ( d m − lb ) − d 2 Ω d ( p0 − p2 )
4
p −p
叶轮上的轴向力决定于叶轮两侧 叶轮上的轴向力决定于叶轮两侧 的压差。 的压差。而压差的大小决定于隔 板漏汽G 平衡孔漏汽G 板漏汽 11、平衡孔漏汽 12和叶根 漏汽G 的平衡， 漏汽 13的平衡，以及动叶根部汽 流产生的抽汽效应和叶轮旋转产 流产生的抽汽效应和叶轮旋转产 生的泵浦效应。 生的泵浦效应。三者的流量决定 于隔板与叶轮空间的压力p 于隔板与叶轮空间的压力 d。 延伸学习：漏汽量的计算； 延伸学习：漏汽量的计算；抽汽 效应；泵浦(pumping)效应 。 效应；泵浦 效应
蒸汽动力系统：第二章 多级汽轮机
• 无抽汽回热时，
a ,i
hi mac h0 hc /
it
相对效率和绝对效率
相对效率 • 基准：全机理想焓降； • 仅评价汽轮发电机组的性能，不考虑热力
循环的效率。 绝对效率
• 基准：整个热力循环中，蒸汽所获得的热 量。
• 评价除锅炉外，整套装置的热功转换性能。 既考虑热力循环的效率、也考虑汽轮发电 机组的效率。
本节内容： 采用多缸汽轮机的原因。多缸汽轮机
产生的工程背景。
1.影响单排汽口汽轮机极限功率的因素 2.提高单机最大功率的途径。
一、极限功率的概念与计算
极限功率： 在一定初、终参数和转速下，单
排汽口凝汽式汽轮机所 能发出的最 大功率。
回热抽汽凝汽式机组，极限功率为：
Pel,max Gc,max mhtmac img
额定 功率 （MW）
内效率
i
12~25
0.82~ 0.85
50~100
0.85~ 0.87
机械 效率
m 0.985~
0.99
~0.99
125~200
0.87~ 0.88
>0.99
0.885~ 300~600
0.90
>0.99
>600
>0.90 >0.99
发电机 效率
g
0.965~ 0.975
0.98~ 0.985
1000 2550 2.82 1200 2900 2.42 （钛）
1150 2900 2.52 1140 2970 2.60
3000 8.82 3000 10.93
整机理想焓降
朗肯循环的效率
汽轮机相对效率ηi
汽轮机内功（率）
汽轮机原理 第三章 多级汽轮机
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第一节 多级汽轮机的工作过程
1.2 多级汽轮机的工作过程
(三)中压段 蒸汽特性：中压、高温，中比容，蒸汽容积流量中等。 结构特点：中等叶高，各级叶片高度沿流动方向逐渐增大。 气动特性：级的反动度介于高压缸与低压缸之间，且逐渐增大。 级内损失： 可能存在的级内损失有：轮周损失、叶高损失、扇形损失、 漏汽损失、叶轮摩擦损失等。。 叶高损失较小；一般为全周进汽，没有部分进汽损失，中压 级漏汽损失较小，叶轮摩擦损失也较小，也没有湿汽损失。
效率要比高压级和低压级都高。
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第一节 多级汽轮机的工作过程
1.2 多级汽轮机的工作过程
多级汽轮机各缸工作特点小结
蒸汽 汽缸 汽缸 容积 叶片 平均 级焓 参数 受力 流量 型式 直径 降 高 高温 多层 压力 较短 压 热应 小 直叶 小 小 缸 高压 较厚 力 微弯 中 高温 多层 压力 扭叶 压 较薄 热应 中 较长 中 中 缸 中压 力 低 低温 多层 压力 扭叶 压 低压 薄 热应 大 长 大 大 缸 力 反动 主要 效率 功率 度 损失 叶高 不足 较小 漏汽 较低 1/3 部分 大于 中等 漏汽 较高 1/3 近 较大 湿汽 稍低 1/3
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第一节 多级汽轮机的工作过程
1.1 多级汽轮机的特点
多级汽轮机的特点:
（1）循环热效率提高 蒸汽初参数提高，排汽压力降低，可实现抽汽回热和中间再热。 （2）相对内效率提高 设计工况下，每级都在最佳速比附近工作 多数级余速可全部或部分利用 喷嘴和动叶高度合理，减小叶高损失 存在重热现象
G1t n e d mln c1t sin1
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第一节 多级汽轮机的工作过程
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四、汽轮机装置的评价指标 1、相对内效率 汽轮机有效焓降÷汽轮机理想焓降 内功率＝有效焓降×流量 2、机械效率 汽轮机轴端功率÷汽轮机内功率 3、发电机效率 发电机出线端功率÷汽轮机轴端功率 4、汽轮发电机组的相对电效率 相对内效率×机械效率×发电机效率 5、汽轮发电机组的绝对电效率 循环热效率×相对电效率
第二章 多级汽轮机
提高单级汽轮机的功率有以下方法： （1）增大进汽量 （2）增大有效比焓降 单级汽轮机无法做到： （1）如果比焓降很大，喷嘴出口汽流的马赫数很大， 流动损失很大 （2）如果压力比很小，蒸汽比容变化大，则叶片无法 制造
多级汽轮机示例： 哈汽N600汽轮机，高压缸1+10级，中压缸2*9级，低 压缸4*7级，焓降1559kJ/kg，平均每级57.7kJ/kg
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刷式密封
刷式密封是现代先进透平机械发展的关键技术之一，已 应用于航空发动机、工业燃气轮机和汽轮机等叶轮机械。 如Siemens Westinghouse的501E燃气轮机、空中客车 A320、欧洲幻影2000、美国F15、F16、F22等飞机的发 动机。 刷式密封在转子瞬间大幅径向位移后可保持密封间隙不 变。 其泄漏量是梳齿密封的1/5～1/10，使发动机耗油率降低 约2%，并能改善转子运行的稳定性。 刷式密封可以承受的转子线速度为305m/s, 运行温度达 690℃。 刷毛是直径一般为0.05～0.07mm 的细金属丝,其自由端 与轴表面接触。
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2、漏汽量 1）最后一片孔口亚音速
Gl l Al
2 0 p0 p z2
zp0
2）最后一片孔口达到音速
Gl l Al
3）流量系数
0 p0
z 1.25
pz 当 p0
0.82 z 1.25
4）漏汽量单一表达式
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二、轴封系统 1、轴封系统示例 2、轴封系统特点 1）轴封汽的利用 2）低压低温汽源的利用 3）防止蒸汽漏入大气 4）防止空气漏入真空部分
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（1）级效率越低，重热系数越大 （2）级数越多，重热系数越大 （3）初始状态的熵越大，重热系数越大 （4）过热蒸汽的重热系数比湿蒸汽大 重热系数对效率的影响： （1）多级的效率 hi ht' （2）平均级效率
hi ht
'
因重热现象，多级的效率大于各级的平均效率
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三、多级汽轮机各段的工作特点 蒸汽在多级汽轮机中膨胀作功，压力和温度降低、比 容增大，导致沿蒸汽膨胀流程的通流面积增大，使汽 轮机通流部分结构和工作特征沿蒸汽流程发生很大变 化： 1、蒸汽比容变化引起叶高变化（l, d） 2、最佳速比决定每个级的焓降
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课堂练习
冲动式汽轮机沿蒸汽膨胀流程反动度与焓降逐 级增大的原因是什么？ 在汽封中，如果发生临界流动只可能在最后一 道汽封齿，为什么？ 轴封系统是如何保证空气不漏入、蒸汽不漏出 的？
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The End
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刷毛材料一般为钴基耐热合金Haynes25，轴表面喷涂 一层硬质涂层如陶瓷ZrO等。
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一、曲径轴封 1、工作原理 蒸汽在汽封中的流动当作绝热等焓过程。蒸汽在流经 汽封片时节流加速，然后在腔室中产生涡流，将汽流 动能转变为热能。 随压力降低，蒸汽比容增大，故对相同结构的汽封， 汽流速度是逐级增大。 轴封孔口可视为一个渐缩喷嘴，则孔口流速最高可达 当地音速。 因膨胀后焓值变小、音速降低，因此在汽封中如果出 现超临界流动，只能在最后一个汽封片处出现。
z
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vd
平衡孔漏汽量：
G2 2 A2
叶根漏汽量： 先求叶根间隙的压差：
2 d p0 p2 vd
pr r d p0 p2
考虑泵浦效应、抽汽效应后：
pr r d b c p0 p2
G3 3 A3
2r d b c p0 p2 vd
F1 dmlbm p0 p2
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2、叶轮
F2 A2 pd p2
A2 d p0 p2
叶轮的受力面积A2？ 叶轮前的压力pd=? 根据漏汽量平衡： 隔板漏汽量＋动叶根部漏汽量＝平衡孔漏汽量
隔板漏汽量：
G1
1 A1 21 d p0 p2
12
Westinghouse600MW汽轮机高压主气门
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二、排汽管阻力损失
p1
1c12
2 2 1c12 p1 p2 2 p2 p1 1 2 2 1c2 c2
0
ex ex 1
三、多级汽轮机的热力过程线
轴封的作用： 1）防止高压蒸汽漏出汽缸 2）防止空气漏入低压缸 轴封的类型： 1）梳齿式（曲径式） 2）蜂窝式 3）刷式
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蜂窝式密封
优点： 在最小的材料质量下能保证密封具有最大的强度 允许在高压降下应用且不增加密封的尺寸 装配简单，比梳齿密封具有更好的转子动力学特性 使用可磨损材料，比梳齿密封减少泄漏量 应用： 离心式高压压缩机（航天飞机高压液氧涡轮泵） 汽轮机低压缸末级叶片的顶部密封（吸附水滴）
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6、汽耗率 单位发电量所用蒸汽量 7、热耗率 单位发电量所用热量 问题： 1、汽轮机的初温升高后，通流部分的内效率怎么变化？ 请分析原因。 2、如何评价一个热力发电厂的经济性？ ——锅炉、管道、厂用电等因素
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第二节 进汽排汽损失和热力过程线
蒸汽在汽轮机装置中的流程 一、进汽阀门节流损失 1、蒸汽在进汽通道上的流动过程属于绝热等焓过程 2、由于节流过程引起汽轮机理想焓降减小 3、高压进汽部分的压损：3％～5％p0 4、再热管道部分的压损：12％～15％ pr0
3、直径增大，u增大，c1增大，级的焓降增大
4、温度减小，音速减小；焓降增大，流速增大
8
5、叶根反动度一定时，叶高增大引起平均反动度增大 6、蒸汽压差减小、比容增大，漏汽损失减小 7、叶高增大，叶高损失减小 8、比容增大，叶轮摩擦损失减小 9、进入饱和区，湿汽损失增大 10、效率排名：中压段 > 低压段 > 高压段
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第三节 轴向推力及其平衡
汽轮机的转子受到轴向推力，在轴向固定转子时需要 施加一反力给予平衡。 一、冲动式汽轮机的轴向推力 1、动叶
F1 Gc1 sin 1 c2 sin 2 dmlb p1 p2
F1 d mlb p1 p2
d mlb p p0 p2
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由3个流量的平衡，联立求解pd，再求出F2 3、轴肩 轴肩受轴向推力为F3 所以，一个级的总的轴向推力：
Fz F1 F2 F3
二、反动式汽轮机的轴向推力 方法与冲动式的基本相同 不需计算叶根漏汽量
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三、轴向推力的平衡 1、平衡活塞
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2、对称布置
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推力轴承
21
第四节 轴封及其系统
4
5
二、重热现象 在h-s图上，随着熵增大，两条等压线间的理想焓降也 增大 前一级的损失，引起后面级的理想焓降增大，有效焓 降也随着增大 以上称作重热现象，可部分弥补级内损失 定义重热系数： ht ht' ht' ht ——单级的理想焓降之和
ht' ——多级的理想焓降 凝汽式汽轮机的重热系数约为0.04~0.08
2
第一节 多级汽轮机的特点 第二节 进汽排汽损失和热力过程线 第三节 轴向推力及其平衡
第四节 轴封及其系统
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第一节 多级汽轮机的特点
一、多级汽轮机的优点 1、单个级的焓降小，易使每个级在直径较小的情况下 工作于最佳速比 2、各级的余速动能可以被下一级利用 3、叶片中汽流多为亚音速，减小流动损失 4、级的直径较小，当面积一定时可增加叶高 5、整机的焓降大，可采用回热、再热技术，提高循环 热效率 6、重热现象可部分弥补级内损失，提高整机效率 7、单位功率造价低