汽轮机原理-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。
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》习题及答案
《汽轮机原理》目录第一章汽轮机级的工作原理第二章多级汽轮机第三章汽轮机在变动工况下的工作第四章汽轮机的凝汽设备第五章汽轮机零件强度与振动第六章汽轮机调节模拟试题一模拟试题二参考答案第一章汽轮机级的工作原理一、单项选择题1.汽轮机的级是由______组成的。
【 C 】A. 隔板+喷嘴B. 汽缸+转子C. 喷嘴+动叶D. 主轴+叶轮2.当喷嘴的压力比εn大于临界压力比εcr时，则喷嘴的出口蒸汽流速C1【 A 】A. C1<C crB. C1 =C crC. C1>C crD. C1≤C cr3.当渐缩喷嘴出口压力p1小于临界压力p cr时，蒸汽在喷嘴斜切部分发生膨胀，下列哪个说法是正确的？【 B 】A. 只要降低p1，即可获得更大的超音速汽流B. 可以获得超音速汽流，但蒸汽在喷嘴中的膨胀是有限的C. 蒸汽在渐缩喷嘴出口的汽流流速等于临界速度C crD. 蒸汽在渐缩喷嘴出口的汽流流速小于临界速度C cr4.汽轮机的轴向位置是依靠______确定的？【 D 】A. 靠背轮B. 轴封C. 支持轴承D. 推力轴承5.蒸汽流动过程中，能够推动叶轮旋转对外做功的有效力是______。
【 C 】A. 轴向力B. 径向力C. 周向力D. 蒸汽压差6.在其他条件不变的情况下，余速利用系数增加，级的轮周效率ηu【 A 】A. 增大B. 降低C. 不变D. 无法确定7.工作在湿蒸汽区的汽轮机的级，受水珠冲刷腐蚀最严重的部位是：【 A 】A. 动叶顶部背弧处B. 动叶顶部内弧处C. 动叶根部背弧处D. 喷嘴背弧处8.降低部分进汽损失，可以采取下列哪个措施？【 D 】A. 加隔板汽封B. 减小轴向间隙C. 选择合适的反动度D. 在非工作段的动叶两侧加装护罩装置9.火力发电厂汽轮机的主要任务是：【 B 】A. 将热能转化成电能B. 将热能转化成机械能C. 将电能转化成机械能D. 将机械能转化成电能10.在纯冲动式汽轮机级中，如果不考虑损失，蒸汽在动叶通道中【 C 】A. 相对速度增加B. 相对速度降低；C. 相对速度只改变方向，而大小不变D. 相对速度大小和方向都不变11.已知蒸汽在汽轮机某级的滞止理想焓降为40 kJ/kg，该级的反动度为0.187，则喷嘴出口的理想汽流速度为【D 】A. 8 m/sB. 122 m/sC. 161 m/sD. 255 m/s12.下列哪个说法是正确的【 C 】A. 喷嘴流量总是随喷嘴出口速度的增大而增大；B. 喷嘴流量不随喷嘴出口速度的增大而增大；C. 喷嘴流量可能随喷嘴出口速度的增大而增大，也可能保持不变；D. 以上说法都不对13.冲动级动叶入口压力为P1，出口压力为P2，则P1和P2有______关系。
汽轮机原理3.5多级汽轮机轴向推力
三、极限功率一、轴向推力：（一）冲动式汽轮机的轴向推力（二）反动式汽轮机的轴向推力二、轴向推力的平衡一、轴向推力：1、作用在动叶上的轴向推力：F Iz 2、作用在叶轮面上的轴向推力：F IIz )]([4][4][4222212222212)()()(p p d l d Fd d p d l d p d l d F d II Zd IIZ b m d b m b m --===---=---πππ（一）冲动式汽轮机的轴向推力：)()()()sin sin (2221221212211p p l d F p p p p pp p p p p l d c c Fpbm I zppb m I zp G -=-=-=∆--=-+-=ΩΩΩππαα压力反动度：3、作用在轴的凸肩上的轴向推力隔板轴封漏汽量、平衡孔漏汽量、动叶根部漏入漏出蒸汽量；泵浦效应；G l 1G l 2G l 3ΩΩΩ<<m p d ∑∑∑∑++=++=nn n nIIIzII zIzzIIIzII zI zzF FF F F F F F 1111（二）反动式汽轮机的轴向推力：)(][4202222)(p p d l d F pp p pd IIZ ddb m --=--=Ω-Ω 叶轮反动度：１、作用在叶片上的轴向推力；２、作用在轮鼓锥形面上的轴向推力；３、作用在转子阶梯上的轴向推力。
二、轴向推力的平衡：1、平衡活塞法（有图）2、反向布置法（有图）3、止推轴承4、平衡孔（有图）——三、极限功率：1、定义：在一定的初终参数和转速下，单排汽口凝汽式汽轮机所能发出的最大功率，称为极限功率。
2、提高单机最大功率的途径：（1）采用高强度、低密度材料；（2）增加排汽口；（3）采用低转速；（4）提高初参数、降低终参数。
汽轮机原理 多级汽轮机_2
■
——多级的理想焓降
■ 凝汽式汽轮机的重热系数约为0.04~0.08
4
■ 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
■ 2）平均级效率
■ 因重热现象，多级的效率大于各级的平均效率
第二章 多级汽轮机
1、多级汽轮机的特点 2、进汽排汽损失和热力过程线 3、轴向推力及其平衡 4、轴封及其系统
1
■ 提高单级汽轮机功率： ■ （1）增大进汽量 ■ （2）增大有效比焓降 ■ 但遇到以下难题： ■ （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
循环热效率； ■ 重热现象可部分弥补级内损失，提高整机效率 ■ 单位功率造价低。
3
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：
■
——单级的理想焓降之和
5
凝汽式汽轮机各段工作特点
6
■ 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：
■ 蒸汽比容增大引起叶高增大； ■ 最佳速比把u和c1联系起来； ■ 直径增大，u增大，c1增大，级的焓降增大； ■ 温度减小，音速减小；焓降增大，流速增大；
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，
《汽轮机》课件九、多级汽轮机
八、轴向推力及平衡方法
反动式汽轮机的轴向力有100~200T，冲动式汽轮机的轴向力有40~80T 1.产生的原因：
转动部件前后存在压差；流动方向变化 2.方向：
高压指向低压，与汽流的运动方向基本上一致 3.影响：
使转子产生轴向位移，破坏动静部分之间的轴向间隙
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轴封套
九、汽轮机装置的经济指标
Pt Pi Pe Pel
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(一) 汽轮发电机组的效率
1.汽轮机的相对内效率
i
H i H t
Pi Pt
2.机械效率 3.发电机效率
g
m
Pel Pe
Pe Pi
4.汽轮发电机组的相对电效率
el
( cn )2
100
pco
凝汽机组的cn<100~120m/s，背压机组cn<40~60m/s
H co
H
' t
H
" t
措施： 导流板和扩压排汽管道
p1 c12 p2 c22
2 2
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（二）外部损失
1．机械损失 支持轴承和推力轴承的摩擦阻力，以及带动主油泵等，消耗一部分有用功而造成损失
m=1.1~1.362 回热比纯凝汽式功率大
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影响极限功率的主要因素：末级蒸汽流量
G max
1 v2
d blb w 2sin 2
1 v2
二反动式汽轮机的轴向推力
喷嘴出口相对速度？ 动叶出口相对速度？轮周功率？
5、某反动级理想焓降Δht=62.1kJ/kg，初始动能Δhc0=1.8 kJ/kg, 蒸汽流量 G=4.8kg/s，若喷嘴损失Δhnζ=5.6kJ/kg, 动叶损失Δhbζ=3.4kJ/kg，余速损失 Δhc2=3.5kJ/kg，余速利用系数μ1=0.5，计算该级的轮周功率和轮周效率。
1
1
1
1
5
二，反动式汽轮机的轴向推力
• 由于反动式汽轮机每一级动叶前后都存在压力差(较大)，因 而在整个转子上产生很大的轴向推力，为了减小这个轴向推 力，反动式汽轮机不能象冲动式汽轮机那样采用叶轮结构， 叶片直接装在轮毂上。
• 冲动式汽轮机的轴细，有叶轮轮盘；反动式汽轮机的轴粗， 无轮盘。
6
二，反动式汽轮机的轴向推力
第三节 多级汽轮机的轴向推力及其平衡
在轴流式汽轮机中，通常是高压蒸汽由一端进入，低压蒸汽由 另一端流出，从整体看，蒸汽对汽轮机转子施加了一个由高压 端指向低压端的轴向力，使汽轮机转子有向低压端移动的趋势， 这个力就称为转子的轴向推力。
1
一，冲动式汽轮机的轴向推力 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； 2、作用在叶轮面上的轴向力； 3、作用在轴凸肩上的轴向力。
且考虑 m d
FzⅡ
4
(dm lb )2 d 2 m ( p0 p2 )
4
3、作用在轴凸肩上的轴向力
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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。
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
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 )
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，
动叶前后压差产生的轴向推力
c1 sin 1
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 sin 1 c2 sin 2可将轴向分速产生的轴向推力忽略不计
Fz1 dblb p ( p0 p2 )
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
10
11
第三章 多级汽轮机
本章要求
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 ：
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 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。
当反动度不大时，压力反动度 p和焓降反动度m相差不大，
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 Fz 2
作用在叶轮前的力
Fz 2
4
(db
lb )2
d12
pd
4
(db
lb )2
d22
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
Fz 2
4
(db lb )2d2(
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