汽轮机原理-3-3多级汽轮机的轴向推力及平衡方法
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。
汽轮机思考题
第一章一.概念题:级:由一列喷嘴叶栅和紧邻其后的一列动叶栅所组成的热能到机械能转换的基本单元。
反动度:蒸汽在动叶中的理想焓降与级的滞止理想焓降之比。
部分进气度:工作喷嘴所占的弧段长度与整个圆周长之比。
速度比：级的圆周速度u与喷嘴出口速度c1或与级的假想出口速度ca的比值。
级的最佳速度比:对应轮周效率最高点的速度比。
级的轮周效率:单位蒸汽量流过某级时所产生的轮周功Pu1与蒸汽在该级中所具有的理想能量E0之比。
级的相对内效率:级的有效焓降与级的理想能量之比。
w1,w2大小比较:w1=(c12+u2-2uc1cosα1)½w2=ψ(2(h1-h2t)+w12)½=(2Δh b*)½=(c22+u²+2u1c1cosα2*)½纯冲动级:Ωm=0, Δh=0,w2=ψw1反动级: Ωm=0.5,Δh n=Δh b=Δh t*/2,α2=90°时，w1=w2cosβ2*冲动级: Ωm=0.05∽0.20,可大可小，具体计算。
各种级的最佳速度比:纯冲动级:X1＝COSα1/2 反动级:X1＝COSα 1冲动级:X1＝COSα1/2(1-Ωm) 复数级:X1=COSα1/4二.综合性题:1.级的分类与特点:（一）按反动度分1.纯冲动级Ωm＝0的级，Δhb＝0, Δh*n= Δh*t，做功能力较大，但效率较低。
2.冲动级（带反动度的冲动级）Ωm＝0 .05～0.20的级，Δhb＞0, 但Δhb＜Δhn，做功能力和效率介于纯冲动级和反动级之间。
3.反动级Ωm≈0 .5的级，Δhb＝Δhn，动、静叶型相同，做功能力较小，但效率高。
（二）按能量转换过程分1.速度级以利用蒸汽流速为主的级，有双列和多列之分。
双列速度级又称复速级。
复速级做功能力比单列冲动级大，但效率低。
2.压力级以利用级组中合理分配的压力降（焓降）为主的级，又称单列级。
做功能力较小，但效率高。
（三）按负荷变化时通流面积是否改变分1.调节级喷嘴调节的汽轮机的第一级，负荷变化时，其通流面积是改变的。
3_多级汽轮机
级的反动度明显增大； 各级理想比焓降较大，且增加较快； 余速损失大，湿汽损失越往后越大；漏汽量少，
漏汽损失小，叶高损失也很小，摩擦损失小，无 部分进汽损失。 总之，级效率较低。
中压段 漏汽损失和摩擦损失较小； 叶高损失较小； 无部分进汽损失、无湿汽损失； 余速损失可部分利用。 总之，中压段级效率较高压段和低压段高，反
重热现象分析
第一级没损失，第二级理想比焓 降
k 1
ht2'
k
k
1
RT1'
1
p3 p2
k
第一级有损失，第二级理想比焓
降
k 1
ht2
k
k
1
RT1
1
p3 p2
k
由于 T1 T1' ，所以 ht2 ht2'
p1
p2 T1
T1’
ht2'
ht2
p3
h s
重热系数推导 假设条件： 汽轮机内各级相对内效率相等
重热系数与整机效率关系分析mac iFra biblioteklev i
1
由上式可得出结论：a 越大，整机效率越高？
不可，这是由于重热系数a的很少量增大是在级效率降低 较多的前提下实现的。
因此，拟通过提高重热系数a来提高整机效率的想法是错 误的。重热系数的提高使全机效率的增大远远弥补不了 级效率的降低所引起的全机效率的降低。
p5
s
Δhi4
Δhi3
Δhi2
Δhi1
Δhimac
整个多级汽轮机相对内效率：
由于 因此
mac i
himac htmac
汽轮机原理思考题1
汽轮机原理思考题11．汽轮机有那些⽤途，我国的汽轮机是如何进⾏分类的，其型号和型式如何表⽰？汽轮机的⽤途：把蒸汽的热能转化为机械能⽤于发电；除此之外，还⽤于⼤型舰船的动⼒装备，并⼴泛作为⼯业动⼒源，⽤于驱动⿎风机、泵、压缩机等设备。
汽轮机的分类：A、按做功原理分类：冲动式汽轮机、反动式汽轮机。
B、按热⼒过程特性分类：凝汽式汽轮机、背压式汽轮机、调整抽汽式汽轮机、中间再热式汽轮机。
C、按蒸汽压⼒分类：低压汽轮机，新汽压⼒1.2～2MPa中压汽轮机，新汽压⼒2.1～4.0MPa⾼压汽轮机，新汽压⼒8.1～12.5MPa超⾼压汽轮机，新汽压⼒12.6～15.0MPa亚临界压⼒汽轮机，新汽压⼒15.1～22.5MPa超临界压⼒汽轮机，新汽压⼒⼤于22.1MPa超超临界压⼒汽轮机，新汽压⼒27MPa以上或蒸汽温度超过600/620℃汽轮机的型号表⽰：我国制造的汽轮机的型号有三部分。
第⼀部分：由汉语拼⾳表⽰汽轮机的形式（如表⼀），由数字表⽰汽轮机的容量（MW）；第⼆部分：⽤⼏组由斜线分隔的数字分别表⽰新蒸汽参数、再热蒸汽参数、供热蒸汽参数等；第三部分：⼚家设计序号。
2．汽轮机课程研究的主要内容有那些，如何从科学研究及⼯程应⽤的不同⾓度学习该课程？研究内容：（1）绪论：本课程的主要内容及在⽣产实践中的应⽤；国内外汽轮机的展及应⽤；汽轮机的型式、分类及型号；汽轮机装置及现代⼤型单元制机组的概念；本课程的学习要求及学习⽅法。
（2）汽轮机级的⼯作原理：⼀元流动的⼏个主要⽅程及应⽤；蒸汽在喷嘴及动叶中的流动、速度三⾓形及计算；级的轮周功率和轮周效率；级内损失和级的相对内效率；级的热⼒设计原理。
(3）多级汽轮机：多级汽轮机的⼯作过程及其特点；进、排汽机构的流动阻⼒损失；汽轮机及其装置的经济性评价指标；轴封及其系统；轴向推⼒及平衡；汽轮机的极限功率及其影响因素。
(4）汽轮机变⼯况特性：喷嘴变⼯况时流量与压⼒的关系；级与级组的变⼯况特性；配汽⽅式对汽轮机变⼯况运⾏经济性和安全性的影响；滑压运⾏经(5）汽轮机的凝汽设备：凝汽设备的⼯作原理及任务；凝汽器的真空与传热；凝汽器的结构布置；抽⽓器；凝汽器变⼯况。
汽轮机轴向推力的主要平衡手段
汽轮机轴向推力的主要平衡手段说到汽轮机，大家可能会想起那轰隆轰隆的巨型机器，它们在发电厂里转啊转，不停地把热能变成电能。
但你知道吗，这些看起来威风八面的汽轮机，背后也有不少“秘密武器”来确保它们能平稳运行。
今天，我们就聊聊汽轮机轴向推力的平衡手段——说白了，就是如何让这些庞然大物保持平衡，不至于让它们在工作的时候东倒西歪。
1. 轴向推力的由来1.1 轴向推力是什么？首先，咱们得搞明白什么是轴向推力。
简单来说，就是汽轮机在工作时，内部的气体压力会推着轴向前或向后移动。
就像你推一辆车，车子会向你推回来一样，这个推力也会作用在汽轮机的轴上。
不过，汽轮机的轴可不简单，它不仅要承受这些推力，还得保持平稳，不让机器发生什么意外。
1.2 为什么要平衡？你可能会问，轴向推力的平衡有什么重要的？要知道，如果轴向推力不平衡，汽轮机的轴就会“晃荡”起来，就像一只飞盘在空中不稳定，最后搞不好会导致机器损坏，甚至停机。
所以，平衡推力就显得尤为重要。
想象一下你在玩蹦床，如果重心不稳，不用多久你就会摔下去，汽轮机也是同样的道理。
2. 主要的平衡手段2.1 推力轴承首先，最常见的手段就是推力轴承。
推力轴承就像是汽轮机的“支撑杆”，它们负责承受并分散轴向推力。
推力轴承的设计可是相当讲究的，要确保它们能够承受巨大压力，同时还要保持平稳的运转。
想象一下，推力轴承就像是支撑大厦的地基，得够牢固，才能让整个建筑稳如磐石。
2.2 油膜轴承接下来就是油膜轴承，它的工作原理有点像你在洗澡时把水放在手上，水膜能把你的手浮在水面上一样。
油膜轴承通过在轴与轴承之间形成一层油膜来减少摩擦。
这样一来，汽轮机的运转就更加平稳了，像是在滑冰场上滑行一样顺畅。
2.3 推力盘还有一种手段就是推力盘。
推力盘的工作原理比较直观，就是通过一个圆盘来均匀分配推力。
可以把它想象成一个巨大的轮子，当推力作用在这个轮子上时，轮子就会把推力均匀分布，防止局部压力过大。
就像是你用手推一个大球，球会滚动得很均匀，不会一边重一边轻。
汽轮机原理
级的发动度Ωm：动叶内理想比焓降Δh b与级滞止理想比焓降Δht0之比，表示蒸汽在动叶内的膨胀程度。
速度比：（级动叶的）圆周速度u与喷嘴出口（蒸汽的）速度c1的比值临界速度：当流速达到本地音速的速度。
轮周功率：单位时间内蒸汽推动叶轮旋转所做的机械功，称为轮周功率。
轮周效率：单位蒸汽量流过某级所产生的轮周功与蒸汽在该级中理想可用能之比，称为该级的轮周效率。
内功率：汽轮机的进汽量与有效焓降的乘积。
相对内效率：级的有效焓降与级的理想焓降的比。
压比：汽轮机喷嘴后的压力与喷嘴前的滞止压力之比。
余速损失：气流离开动叶通道时具有一定的速度C2，且这个速度对应的动能在该级内已不能转换为机械功，这种损失叫做余速损失。
最佳速比：对应于最高轮周效率的速比。
重热现象：上一级损失造成的比熵增大将使后面级的理论比焓降增加，即上一级损失中的一小部分可以在以后各级中得到利用。
重热系数：级内有损失时各级理想比焓降之和与全机理想比焓降之差，即增大的那部分比焓降与没有损失时全机总的理想比焓降之比，称为重热系数。
汽轮机相对内效率：蒸汽实际比焓降与理想比焓降之比。
汽轮机的绝对内效率：蒸汽实际比焓降与整个热力循环中1kg蒸汽所吸收的热量之比。
汽轮发电机组的相对电效率：1kg蒸汽所具有的理想比焓降中最终被转化成电能的效率。
汽轮发电机组的绝对电效率：1kg蒸汽理想比焓降中转化为电能的部分与整个热力循环中1kg蒸汽所吸收的热量之比。
机械效率：轴功率与内功率的比。
发电机效率：电功率与轴功率的比。
汽耗率：机组每生产1kW.h电能所消耗的蒸汽量。
热耗率：机组每生产1 kW.h电能所需的热量。
极限功率：在一定的初终参数和转速下，单排汽凝汽式汽轮机所能发出的最大功率。
定压运行：通过改变主蒸汽流量来适应外界负荷变化的运行方式。
在该方式下，在汽轮机负荷变化范围内，主蒸汽压力和温度参数都保持额定值，不予改变。
滑压运行：机组在额定出力以下运行，调汽门全开或者开度不变。
汽轮机原理-3-3多级汽轮机的轴向推力及平衡方法
d 2 ( pd
p2 )
其中， pd为叶轮前的压力。
d1
d2
4
第三节 级汽轮机的轴向推力及平衡方法
一. 多级汽轮机的轴向推力
3、作用在轴封凸肩上的轴向力 Fz3
Fz3
4
(d12
d22 )p
汽轮机某一级的轴向推力为：
F' z
Fz1 Fz 2
Fz 3
多级汽轮机总的轴向推力为各级轴向推力之和。即 ：
2. 转子设计成转鼓形式：适用于反动式汽轮机
反动式汽轮机，各级的反动度较大
动叶片两侧的压差很大
转子设计成转鼓形式， 减少每级叶轮上产生的轴向推力
px p0
Fz
7
第三节 级汽轮机的轴向推力及平衡方法
二. 轴向推力的平衡方法
3. 叶轮上开平衡孔 适用于冲动式汽轮机
平衡孔
在叶轮上开设平衡孔可以减少叶轮两侧的压力差，
一. 多级汽轮机的轴向推力
蒸汽通过汽轮机通流部分膨胀作功时，对叶片的作 用力由圆周分力和轴向分力所组成。其中，圆周分力推动 叶轮作功，而轴向分力则对转子产生一个轴向推力。
在一般情况下，作用在一个冲动级上的轴向推力 由 3 部分所组成：
1、作用在动叶片上的轴向力 Fz1 2、作用在叶轮面上的轴向力 Fz2
Fz Fz'
d1
d2
5
第三节 级汽轮机的轴向推力及平衡方法
二. 轴向推力的平衡方法
在多级汽轮机中，总的轴向推力很大。特别是反动式汽轮机，其总的轴向推力可达 200~300T，冲动式汽轮机，其总的轴向推力可达40~80T。这样大的轴向推力是推力轴 承所不能承受的。因此，必须设法减少总的轴向推力，使之符合推力轴承的能承载能力。 也就是说，对汽轮机总的轴向推力应加以平衡。
汽轮机原理-多级汽轮机的轴向推力及平衡方法
p2
从而可以减少作用在叶轮上的轴向力。 通常在叶轮上开5~7个平衡孔。
pd
8
第四节 级汽轮机的轴向推力及平衡方法
4.汽缸对称布置法 是大型多缸汽轮机平衡轴向推力最有效的办法
采用多缸反向（两个缸对称布置）布置，使汽流在不同的汽缸中作反向流动, 其轴向力方向相反，达到了平衡的目的。 下图为多缸反向布置的示意图。国产125MW、200MW、300MW 汽轮机都采 用多缸反向布置的办法来平衡轴向力。
12
1）掌握多级汽轮机的热力特点及结构特点； 2）掌握多级汽轮机各项热力参数、结构参数沿通流部的不同变化规 律，能正确选择确定各相关参数； 3）掌握多级汽轮机轴封及其系统的结构、工作原理及设计计算； 4）掌握多级汽轮机进、排汽机构损失的形成机理及减小措施； 5）掌握多级汽轮机运行经济性和可靠性指标的评价及计算； 6）掌握多级汽轮机轴向推力的成因、计算及平衡措施。
常见的轴向推 力平衡办法
1.设置平衡活塞 2.转子设计成转鼓形式 3.叶轮上开平衡孔 4.汽缸对称布置法 5.推力轴承承担轴向推力
6
第三节 级汽轮机的轴向推力及平衡方法
二. 轴向推力的平衡方法
1. 平衡活塞法
在平衡活塞上装有齿形轴封，当蒸汽由活塞 的高压侧向低压侧流动时，压力由p0降为px 。 平衡活塞在压力差作用下，就产生了一个向 左的作用力 。 这个力刚好与 Fz 方向相反，起 到了平衡作用。
在一般情况下，作用在一个冲动级上的轴向推力 由 3 部分所组成：
1、作用在动叶片上的轴向力 Fz1 2、作用在叶轮面上的轴向力 Fz2
3、作用在主轴凸肩上的轴向力 Fz3
2
第三节 级汽轮机的轴向推力及平衡方法
一. 多级汽轮机的轴向推力
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p2
从而可以减少作用在叶轮上的轴向力。 通常在叶轮上开5~7个平衡孔。
pd
8
第四节 级汽轮机的轴向推力及平衡方法
4.汽缸对称布置法 是大型多缸汽轮机平衡轴向推力最有效的办法
采用多缸反向（两个缸对称布置）布置，使汽流在不同的汽缸中作反向流动, 其轴向力方向相反，达到了平衡的目的。 下图为多缸反向布置的示意图。国产125MW、200MW、300MW 汽轮机都采 用多缸反向布置的办法来平衡轴向力。
在一般情况下，作用在一个冲动级上的轴向推力 由 3 部分所组成：
1、作用在动叶片上的轴向力 Fz1 2、作用在叶轮面上的轴向力 Fz2
3、作用在主轴凸肩上的轴向力 Fz3
2
第三节 级汽轮机的轴向推力及平衡方法
一. 多级汽轮机的轴向推力
1、作用在动叶片上的轴向力：Fz1
轴向分速产生的轴向推力
Fz1 G(c1 sin1 c2 sin2 ) dblb ( p1 p2 )
Fz Fz'
d1
d2
5
第三节 级汽轮机的轴向推力及平衡方法
二. 轴向推力的平衡方法
在多级汽轮机中，总的轴向推力很大。特别是反动式汽轮机，其总的轴向推力可达 200~300T，冲动式汽轮机，其总的轴向推力可达40~80T。这样大的轴向推力是推力轴 承所不能承受的。因此，必须设法减少总的轴向推力，使之符合推力轴承的能承载能力。 也就是说，对汽轮机总的轴向推力应加以平衡。
动叶前后压差产生的轴向推力
c1 sin1
c2 sin2
1
c1
u
p1
1 w1 c2 2
2
w2
u p2
lb
定义一个压力反动度
p:
p
p1 p2 p0 p2
db
对于冲动级 c1 sin1 c2 sin2可将轴向分速产生的轴向推力忽略不计
Fz1 dblbp ( p0 p2 )
当反动度不大时，压力反动度 p和焓降反动度m相差不大，
Fz 2
4
(db
lb )2
d 2 ( pd
p2 )
其中， pd为叶轮前的压力。
d1
d2
4
第三节 级汽轮机的轴向推力及平衡方法
一. 多级汽轮机的轴向推力
3、作用在轴封凸肩上的轴向力 Fz3
Fz3
4
(d12
d22 )p
汽轮机某一级的轴向推力为：
F' z
Fz1 Fz 2
Fz 3
多级汽轮机总的轴向推力为各级轴向推力之和。即 ：
汽轮机原理 Principle of Steam Turbine
主讲老师：密腾阁
适用专业：能源与动力工程专业
第三节 级汽轮机的轴向推力及平衡方法
一. 多级汽轮机的轴向推力
蒸汽通过汽轮机通流部分膨胀作功时，对叶片的作 用力由圆周分力和轴向分力所组成。其中，圆周分力推动 叶轮作功，而轴向分力则对转子产生一个轴向推力。
则上式为:
Fz1 dblbm ( p0 p2 )
3
第三节 级汽轮机的轴向推力及平衡方法
一. 多级汽轮机的轴向推力
2、作用在叶轮面上的轴向力 Fz2
作用在叶轮前的力
Fz 2
4
(db
lb )2
d12
pd
4
(db
lb )2
d
2 2
p2
作用在叶轮后的力
lb
p2
db
pd
当叶轮两侧轮毂相等时,即d =d =d，则上式为： 12
常见的轴向推 力平衡办法
1.设置平衡活塞 2.转子设计成转鼓形式 3.叶轮上开平衡孔 4.汽缸对称布置法 5.推力轴承承担轴向推力
6
第三节 级汽轮机的轴向推力及平衡方法
二. 轴向推力的平衡方法
1. 平衡活塞法
在平衡活塞上装有齿形轴封，当蒸汽由活塞 的高压侧向低压侧流动时，压力由p0降为px 。 平衡活塞在压力差作用下，就产生了一个向 左的作用力 。 这个力刚好与 Fz 方向相反，起 到了平衡作用。
5.推力轴承的采用 为保证汽轮机运行工况发生变化时，
汽轮发电子转子位置的稳定性，达到机 组稳定运转的目的。
在采取上述措施平衡掉大部分轴向 推力后，采用推力轴承来承担剩余部分 的轴向推力。
推力轴承所承担的轴向推力为：
Fb Fz F
高压缸 中压缸 低压缸
9
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ0
11
第三章 多级汽轮机
本章要求
1）掌握多级汽轮机的热力特点及结构特点； 2）掌握多级汽轮机各项热力参数、结构参数沿通流部的不同变化规 律，能正确选择确定各相关参数； 3）掌握多级汽轮机轴封及其系统的结构、工作原理及设计计算； 4）掌握多级汽轮机进、排汽机构损失的形成机理及减小措施； 5）掌握多级汽轮机运行经济性和可靠性指标的评价及计算； 6）掌握多级汽轮机轴向推力的成因、计算及平衡措施。
2. 转子设计成转鼓形式：适用于反动式汽轮机
反动式汽轮机，各级的反动度较大
动叶片两侧的压差很大
转子设计成转鼓形式， 减少每级叶轮上产生的轴向推力
px p0
Fz
7
第三节 级汽轮机的轴向推力及平衡方法
二. 轴向推力的平衡方法
3. 叶轮上开平衡孔 适用于冲动式汽轮机
平衡孔
在叶轮上开设平衡孔可以减少叶轮两侧的压力差，