热力叶轮机械原理第二章 单级蒸汽透平3

隔板汽封：减小隔板与转子主轴之间 环形间隙的漏汽量。
叶顶汽封：减小动叶叶顶与汽缸之间 环形间隙的漏汽量。
隔板汽封剖面图
2019/11/1
6
汽封装置
汽封的类型：
① 曲径式汽封 —→ 目前应用最广的一种
② 炭精环汽封
形式
③ 水环式汽封 —→ 不再应用
④ 迷宫式汽封
⑤ 刷子汽封 ⑥ 蜂窝密封
—→ 航空已用，汽轮机 正在研究阶段
A d
蒸汽流量相同：
G 定值
环形汽室
汽封环
环 形 孔 口 pz
p1
δ
p0 ,t0
汽封d2 套d1 筒
→蒸汽的压力逐渐降低，汽流密度减小；
根据连续方程：
G / A c const
2019/11/1
16
汽封装置
曲径式汽封中的流动过程
I. 随着压力逐渐下降，各孔 环形汽室
2019/11/1
4
汽封装置
汽封装置是汽轮机一个重要部件，汽封安装在：
后汽封 前汽封
隔板汽封 动叶叶顶汽封
2019/11/1
5
汽封装置
汽封的作用：
减小汽缸/隔板与主轴等之间 环形间隙的漏汽量。
具体来讲： 前汽封：减小高压、高温汽体向机组 外的泄露； 后汽封：减小外界空气漏入汽轮机低 压区域（如：凝汽器）中；
虚线 — 代表实际情况下的芬诺线。
2019/11/1
24
汽封装置
曲径式汽封的漏汽量
δ
pz
p1
p0 ,t0
曲径式汽封漏汽量 G 与以下参数有关： 汽封前、后蒸汽参数： p0 T0 pz
汽封的几何参数：
A d
汽封片（环形孔口）数： z
2019/11/1
25
汽封装置
曲径式汽封的漏汽量
量为:
G

A ci vi
A
2 pi vdp pi 1 vi2
2019/11/1
27
汽封装置
曲径式汽封的漏汽量
将喷管中理想等熵流动的过程方程: pvk const 代入上式，即可以计算出汽封漏汽量：
G

A ci vi

A
2 pi vdp pi 1 vi2
假定2：忽略汽体的可压缩性，将比容看成 一个常数。

p
2 z

p0v0
(G )2
2
2 A
31
汽封装置
曲径式汽封的漏汽量
等式两边各式相加，得到:
p02

p
2 z

p0v0
( G
)2 z
2
2 A
汽封漏汽量为: G A 影响因素:
p02

p
2 z
zp 0 v0
① 汽封初压 p0、比容 v0、背压 p；z
② 漏汽面积 A；
③ 汽封片数 z 。
35
汽封装置
曲径式汽封的漏汽量
有： Gcr A
p02

p
2 z 1
(z 1) p0v0
0.65 A
p
2 z 1
p0v0
得：
pz1
0.423
1 z 0.577

p0
0.298 pz 0.546 pz1 0.423 z 0.577 p0
① 理想情况下汽封的漏汽量
假定1：将汽封中任意一个环形孔口当作一
个理想的喷管（没有斜切部分）
对第 i个孔口：
第 i个孔口
能量方程为：cdc vdp 0
有：
c i2

c2 i 1

pi vdp 0
2
pi1
ci1 p i 1
ci pi
其中： ci1 、pi1 —— 第 i个孔口前的汽流速度和压力
ac e
g
p5 p6 k
bd f
h
l
b f
h
i
p7
p8
n
p9
hcr
p10
s
l
芬诺曲线
图中的曲线 b d f ……是孔口出口环型截
面上蒸汽状态点的轨迹 ；
芬诺线：每条芬诺线都对应一个汽封漏汽 量，所以芬诺线就是等流量线。
2019/11/1
20
汽封装置
曲径式汽封的变工况特性
I. 如果汽封初压 p0、背压 pz 、径向间隙 不变， 但环形孔口的数目 z 减少， → 汽封漏汽量增大
ci 、pi —— 第 i个孔口后的汽流速度和压力
2019/11/1
26
汽封装置
曲径式汽封的漏汽量
ci2

c2 i 1

pi vdp 0
2
pi1
理想情况: 初速度 ci1 0
环形孔口出口理论汽流速度: ci
2 pi vdp pi 1
根据连续方程，通过这个环形孔口的漏汽
p0 p1 p2 p3 p4
acΒιβλιοθήκη Baidue
g
p5 p6 k
bd f
h
l
b f
h
i 漏汽量
增大方向
s
l
p7
p8
n
p9
hcr
p10
2019/11/1
21
汽封装置
曲径式汽封的变工况特性
II. 如果汽封孔口数目z 、径向间隙 、背压 不变 p，z 但汽封初压 p0 升高，
→汽封漏汽量增大
hcr
hcr
p02 pz2 zp0v0
2019/11/1
33
汽封装置
曲径式汽封的漏汽量
汽封漏汽的临界流量（临界漏汽量） 当最后一个孔口的流量达到临界流量时有：
pz p z1
cr

0.546
pz
p1
δ 临界流量为：
p0 ,t0
Gcr 0.65 A
p z 1 v z 1
2019/11/1
2019/11/1
12
汽封装置
曲径式汽封中的流动过程
① 蒸汽在从汽封高压端p0 流向低压端 pz过程中： 蒸汽依次通过汽封的环形孔口； 每通过一个环形孔口，蒸汽的压力就
降低一些； 每个孔口前后都存在压差。
全部孔口两侧压差之和 = 整个汽封前后的总压差：
2019/11/1
pi p0 pz
2019/11/1
23
汽封装置
曲径式汽封中的实际流动过程
即使汽封前后的汽流参数、孔口数目以及
径向间隙都不变，汽封的实际漏汽量也必
然增大。
p0 p1 p2 p3 p4 p5 p6 p7
p8
p9
ac e
g
k
bd f
h
l
b f
h
n
hcr
i
p10
s
l
如图所示：
实线— 代表理想情况下的芬诺线；
δ p0 ,t0
曲径式汽封结构图
汽封套筒
11
汽封装置
曲径式汽封的结构
① 在汽轮机主轴上，安 环
装有带槽沟的汽封套 形
筒，它与主轴一起旋
孔 口
转；
环形汽室
pz
汽封环
δ p1
p0 ,t0
汽d封2 套d1 筒
在汽缸上则安装有带锯齿的汽封环，它是
静止不动的。
汽封套筒 + 汽封环 = 曲径式汽封
② 汽封装置中有许多环形孔口，齿尖处的径 向间隙很小，约0.5mm；每两个孔口之 间形成一个环形汽室。
漏汽量为：
Gcr 0.65 A
p0 v0
1 0.423z 0.577
曲径式汽封压力变化曲线
13
汽封装置
曲径式汽封中的流动过程
② 当蒸汽通过一个环形孔口时：
环形汽室
压力和焓值就降低，汽 环
流获得一定速度；
形
孔
汽室空间相对很大，在 口 pz
汽室中形成强烈旋涡；
汽封环
p1
δ
p0 ,t0
汽封d2 套d1 筒
涡流将汽流动能变成热能回到汽流中；
汽室中汽流温度升高，焓值恢复到孔口 前的数值。
2v( pi1 v2
pi )

A
2 p( pi1 pi ) p0v0
2019/11/1
29
汽封装置
曲径式汽封的漏汽量
上式改变为:
p(
pi1

pi )

1 2
p0v0
(
G A
)2
将 p pi1 pi 代入上式，得到:
2
pi21 pi2 p0v0 (G )2 const （*）
汽封环
口处汽流速度逐渐增大；
环 形
II. 孔口的绝热焓降也是逐渐
孔 口
pz
δ p1
p0 ,t0
增大，压比则逐渐减小；
汽封d2 套d1 筒
III.在总压差 p p0 pz 一定下，环形孔口数 目越多，每个孔口两侧的压力差越小，相 应的漏汽量也越小。
2019/11/1
17
汽封装置
曲径式汽封中的流动过程
2019/11/1
14
汽封装置
曲径式汽封中的流动过程
总体来看：
蒸汽通过环形孔口的 流动过程，接近一个 节流过程；
能量转换过程：
环形汽室
汽封环
环 形 孔 口 pz
p1
δ
p0 ,t0
汽封d2 套d1 筒
热能（膨胀）→ 动能（涡流）→ 热能
2019/11/1
15
汽封装置
曲径式汽封中的流动过程
③ 环形孔口的漏汽面积 基本上是定值：
2019/11/1
32
汽封装置
曲径式汽封的漏汽量
实际汽封的漏汽量误差来源：
将环形孔口的流动当成喷管中的流动；
实际汽体简化为不可压流动，并用理想 气体状态方程进行推导；
用平均值比容、平均压力代替实际变化值；
其它因素（孔口的流动阻力、孔口面积
收缩率、相邻孔口间的相互影响、汽封
的几何结构等）。 实际汽封漏汽量： Gδ μδ Aδ
综上： 在几何尺寸上 → 存在环形间隙 在气动参数上 → 存在压差
所以：必定产生漏汽
2019/11/1
3
汽封装置
产生漏气的解决方案
漏汽产生两个方面的问题： ① 损失了作功的工质，减小了汽轮机发出的
功率： ② 破坏了工作环境：
为了即保证汽轮机的安全运行，又最大限 度地减小漏汽量
→ 必须采用汽封装置
最后一个孔口的汽流 速度在任何情况下都 不会大于 临界速度；
环形汽室
汽封环
环 形 孔 口 pz
δ p1
p0 ,t0
汽封d2 套d1 筒
而任何其它孔口的汽流速度都永远小于 当地音速。
2019/11/1
19
汽封装置
曲径式汽封中的流动过程
⑥ 各环形孔口出口蒸汽状态（p 和 i）点的轨迹：
p0 p1 p2 p3 p4
2
2 A
可以看出:
I. 随着压力的降低，各环形孔口的压差增大； II. "假定" 没有改变汽流通过汽封的流动规律。
2019/11/1
30
汽封装置
曲径式汽封的漏汽量
公式 * 适用于 汽封中任一个 环形孔口 ：
第 i个孔口
ci1
ci
p i 1
pi
2019/11/1
第1个孔口: 第2个孔口: 第 i 个孔口:
④ 当汽封最后一个环形孔口
的压差足够大时：
环
形
汽封出口汽流速度可 以达到当地音速；
孔 口
环形汽室
pz
汽封环
δ p1
p0 ,t0
汽封d2 套d1 筒
汽封的漏汽量就达到与汽封初压 p0 相对 应的最大值，即临界漏汽量。
2019/11/1
18
汽封装置
曲径式汽封中的流动过程
⑤ 所有环形孔口都是没有 斜切部分的收缩喷管：
34
汽封装置
曲径式汽封的漏汽量
将等温过程方程 p0v0 pivi pz1vz1 代入上
式得：
Gcr 0.65 A
p
2 z 1
p0v0
◆ 其它环形孔口，通过的流量并未达到临界 流量：
漏汽量：
G A
p02 pz21 (z 1) p0v0
2019/11/1
i
s
pz
pz
pz
1
2
hcr
pz pz
2019/11/1
22
汽封装置
曲径式汽封中的实际流动过程
实际上，汽流通过汽封各环形孔口时，其 汽流速度逐渐增大。
汽流的动能在各汽室中并不能全部转化为 蒸汽热能；
◆ 大部分动能：转化为蒸汽热能使蒸汽焓值 增大；
◆ 小部分动能：仍以一定的速度作为通过下 一个孔口时的初速度。
p02 p12 p0v0 (G )2
2
2 A
p12 p22 p0v0 (G )2
2…………2 ……A
pi21 pi2 p0v0 (G )2
…2 ………2……A
第 个孔口: z 1
p z22

p
2 z 1

p0v0
( G
)2
2
2 A
第 z 个孔口:
p
2 z 1
取:
v vi1 vi 2
p pi1 pi 2
2019/11/1
28
汽封装置
曲径式汽封的漏汽量
假定3：孔口中是等温膨胀过程，理想汽体 状态方程来描述：
pv RT const
有: pv p0v0 或: v p0v0 p pz
p1
δ
p0 ,t0
漏汽量公式变为:
G A
◆ 汽封是否达到临界的判断公式：
pz
0.298
p0 0.423 z 0.577
2019/11/1
36
汽封装置
曲径式汽封的漏汽量
◆ 临界漏汽量计算公式：
如果：
pz p0

0.298 0.423 z 0.577
漏汽量为：
G A
p02

p
2 z
zp 0 v0
如果：pp0z
0.298 0.423 z 0.577
热力叶轮机械原理
第二章 单级蒸汽透平
2.6 汽封装置
2019/11/1
1
汽封装置
图2.14 汽轮机纵剖面图
2019/11/1
2
汽封装置
产生漏气的原因
汽轮机在工作时： 1. 汽缸/隔板是静止不动的；主轴/转子/动
叶是高速旋转的。 2. 汽缸内是蒸汽压力；外界是大气压力。
3. 隔板前、后的蒸汽压力也不相同。
2019/11/1
7
汽封装置
汽封结构图：
曲径式汽封结构图与照片
2019/11/1
8
汽封装置
汽封结构图：
刷式密封结构图与照片
2019/11/1
9
汽封装置
汽封结构图：
蜂窝密封结构图与照片
2019/11/1
10
汽封装置
曲径式汽封的工作原理
环形汽室
汽封环
环形孔口
pz
2019/11/1
p1 d2 d1