1、第4章 多级汽轮机,哈尔滨工程大学核能科学与工程教研室,第一节 汽轮机的分级,提高功率的途径：增加进汽量和总理想焓降 考虑经济和安全问题，单级汽轮机有效利用很大理想焓降是不可能的 解决方案：多级汽轮机。每级只利用总焓降中的一部分，都在最佳速度比附近工作，有效利用整机理想焓降，提高机组效率。 多级汽轮机分级的原因： 多级汽轮机焓降大 单级最佳特性速比影响级的轮周效率 材料限制级的圆周速度,分级方法,速度分级: 一列喷嘴中获得的动能，在两列以上工作叶栅内做功的分级方法称为速度分级。 压力分级: 把蒸汽总焓降分配到若干相串联的级内进行膨胀做功的分级方法为压力分级。 压力分级因为良好的经济型被大型汽轮
2、机组广泛采用。,单机功率大：每一级都能在最佳速度比附近工作。 内效率高：可做成多排汽口，提高新蒸汽的参数，增加总进汽量。 有冲动式和反动式两种。通常用喷嘴调节、控制进汽量，第一级称为调节级，其余级称为压力级。中小型汽轮机通常采用双列级作为调节级，大功率汽轮机多用单列级作为调节级。 蒸汽进入汽轮机各级膨胀作功，压力和温度逐级降低，比容不断增加。通流部分尺寸是逐级增大的，特别是在低压部分，平均直径增加很快。叶片高度越来越长。受材料强度限制，叶片不可能太长，故大型汽轮机都采用多排汽口。,多级汽轮机的特点,其热力过程曲线如图。调节级前的蒸汽状态点为 ，排汽压力用 表示。汽轮机总理想焓降为 。由于进汽机
3、构的节流损失和排汽机构的压力损失，故调节级喷嘴前的实际状态点为 , 而汽轮机末级动叶出口压力为 。考虑了这两项损失之后，则总的理想焓降为 。为整机的有效焓降。多级汽轮机前一级的排汽状态点，就是下一级的进汽状态点。把各点连接起来，就是多级汽轮机的热力过程曲线。整个热力过程曲线由三部分所组成：进汽机构的节流过程，各级实际膨胀过程, 排汽管道的节流过程。,第二节 多级汽轮机设计中的若干问题,1、多级汽轮机的热力过程线,第二节 多级汽轮机设计中的若干问题,2、余速的利用 多级汽轮机除最末级的余速没办法利用，第一级和中间各级的余速，都可以不同程度地被下级利用，从而使除末级以外，所有级的轮周效率都有所提高
4、。 第n级在喷嘴入口考虑(n-1)级的余速动能，该级的可用能量,这就增加了该级的绝热可用能量，使汽流在级内的做功能量增加,3、重热的利用,重热现象 在hs 图上，在过热区内，随着温度增加，等压线是呈扩散形；在湿蒸汽区，等压线是斜率为常数的直线。因此，在hs 图上的两条等压线之间的距离（焓降）是随着熵的增加而增加的。这样一来，前一级的损失造成的熵增，能使后一级的理想焓降增加。即前一级的损失，加热了蒸汽本身，使后一级的进汽温度升高，即在后一级得到了利用这就是多级汽轮机的重热现象。,由于等压线是呈扩散形，所以：,以上各式相加得：,即有：,也就是：,称为重热系数。则上式写成,整机理想焓降为：,整机效率
5、与级效率,根据上述推导，各级理想焓降之和大于整机理想焓降。由于这部分热量的利用，使整机的内效率大于各级平均内效率。设各级内效率相等，用 表示，则各级有效焓降为：,，,相加得,而整机的内效率为：,由于 0，所以 ，即整机的内效率大于各级平均内效率。 通常，重热系数 = 0.03 0.08 ，其大小与下列因素有关： 1) 和级数有关，级数多， 大； 2) 与各级内效率有关，级内效率低，则大； 3) 与蒸汽状态有关，过热区大，湿汽区小。 *：决不能误认为越大越好。因为增大，是以增加损失为代价的，而重热只能回收损失其中的一小部分。 大会使整机的内效率降低。,第三节 汽轮机的密封原理及密封系统,一、密封
6、原理,蒸汽通过一环形齿隙时，通道面积减小，速度增加，压力从P0降到P1 。蒸汽进入两齿间大空间时，容积突然增大，速度大为减小。由于涡流和碰撞，蒸汽动能被消耗而转变成热量，使蒸汽焓值又回到原值。蒸汽通过轴封齿隙为一节流过程。蒸汽每通过轴封一齿隙时，都重复这一过程，压力不断降低，直到轴封最后一齿。所以，轴封的作用是将一较大压差分割成若干较小的压差，从而降低漏汽速度，减小漏汽量。这就是齿形轴封的工作原理。,蒸汽每通过轴封一齿隙，压力不断降低，容积不断扩大，而流量相同。据连续性方程，流速越来越大，在最后一齿达到最大。曲线对应C/v=常数，称芬诺曲线（等流量曲线）。,二、减少漏汽的途径 当漏汽通过轴封时
7、，依次逐个通过这些齿隙和环形汽室。通过轴封漏量： 为了减少漏汽量，可以通过：减少齿隙面积Al、汽流速度C 和增大比容v 等办法来实现。 但是： 1）比容v由蒸汽流动状态来决定，不可任意改变 。 2）面积 ，轴封直径dl是由轴强度确定。为了保证安全，间隙不能太小(一般 = 0.30.6 mm) 。太小，可能使大轴与轴封片摩擦，造成轴弯曲 ，引起机组振动。 3）唯一可行的办法就是减小汽流速度C。汽流速度C取决于轴封齿两侧的压力差，所以减小轴封齿两侧的压力差是减少轴封漏汽量的主要措施。,三.密封系统,曲径式密封结构只能减少泄漏，不可能做到防止泄漏发生。对于工作在密封机舱内的舰船主汽轮机组要求严格限制
8、工质蒸汽漏入舱室，以免降低效率及损害舰员的工作环境。为此汽轮机组要配置完善的汽封抽汽系统，严格禁止工质蒸汽漏入舱室和防止空气漏入系统内。 作用：在任何运行工况下保证蒸汽不外泄、空气不内漏，同时回收泄漏蒸汽的热能（轴封加热器）和组织汽流冷却转子的轴端。 特点：轴封分成多段多室，与大气环境接近的腔室的压力由抽汽器或风机维持略低于大气压力，紧邻的腔室压力由压力调节器维持略高于大气压力，从而保证蒸汽不外泄、空气不内漏。,组成：轴封系统由轴封、供汽母管及均压箱、轴封调节器、轴封加热器和轴封抽汽器等组成。 轴封系统的型式有外供汽式和自密封式两种，不同制造厂采用不同的轴封系统和轴封汽流组织方式。,第四节 多
9、级汽轮机的轴向力及平衡方法,1、轴向力 (1)作用在各级动叶上的轴向推力 ； (2)作用在轮盘上的轴向推力 ； (3)作用在汽轮机转子凸肩上的轴向推力 ； (4)对舰船机组，若汽轮机转子倾斜安装，产生附加轴向推力 。,2.轴向力的平衡方法 1)设置平衡活塞加大高压外轴封的直径，以产生相反方向的轴向推力。 2)采用带平衡孔的轮盘在轮盘上开设平衡孔，用来平衡作用在轮盘上过大的压力差，减少作用在叶轮上的轴向推力。 3)反向布置汽轮机的汽缸采用多缸反向布置，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。 4) 推力轴承推力轴承承担一部分轴向推力，以保证汽轮机运行工况发生变化时，
10、轴向推力方向不变，机组稳定运转。,第五节 多级汽轮机的损失,一、工质传递过程所发生的损失 1.汽轮机进气机构的节流损失 蒸汽通过截止阀和调节阀有节流损失。 2.联通管的损失 蒸汽从高压缸到低压缸经过联通管与管壁摩擦造成损失。 3.排气管中的损失 蒸汽离开低压缸最末级经排气管进入冷凝器因摩擦而损失能量。,二、端部泄漏损失 三、汽轮机的外部损失 汽轮机把轴上的功率传递给螺旋桨，还需要消耗一部分机械功，用来克服轴承、齿轮减速器的摩擦损失以及带动不工作级空转所消耗的功，统称为汽轮机的外部损失。 1、机械损失 汽轮机在运行时要克服推力轴承、支撑轴承的摩擦损失，带动调速器及主滑油泵或脉冲测速油泵等的损失为
11、机械损失。 机械效率一般定义为: 克服轴承等摩擦损失 汽轮机的内功率 汽轮机的机械损失系数,2、不工作级叶轮的空转损失 舰船在正车航行时，由于倒车级不工作而发生空转，产生额外的损失，按鼓风损失进行计算。 这部分损失对舰船汽轮机设计工况的效率影响很大，也是舰船效率较低的原因，用空转效率来表示。 空转效率一般定义为:,汽轮机不工作级空转损失 汽轮机的内功率 汽轮机的空转损失系数,3、齿轮减速器的机械损失 该损失包括齿轮啮合、轴承摩擦、滑油搅动所消耗的机械功。齿轮传递效率一般定义为:,齿轮减速器损失的功率 汽轮机传递给齿轮减速器的功率 齿轮传动能力损失系数,对双级齿轮传动：,对单级齿轮传动：,第六节
12、 汽轮机组效率及动力装置评价指标,一、汽轮机及其装置的效率,（一） 相对效率 1、相对内效率：衡量汽轮机内能量转换完善程度的重要指标 。它是整机有效焓降与理想焓降之比，即,汽轮机的相对内效率是考虑了机组进出口管道的压力损失和各级内能的损失。,2、相对有效效率：轴输出有效功率与蒸汽理想功率之比之比,3、相对电效率：发电机电功率与发电机有效功率之比 发电机的效率,相对电效率：将汽轮机、轴承和发电机合在一起看成一个整体，整个机组输入能量为理想功率，输出功率为电功率，则整个机组的效率称为相对电效率,（一） 绝对效率 绝对电效率：对加给每千克蒸汽的热量最终变成电能的份额称为绝对电效率,二、汽耗率、热耗率,1)汽轮发电机组汽耗率定义为:产生每千瓦时电功率时动力装置所消耗的新蒸汽数量。,2)汽轮发电机组热耗率定义为:产生每千瓦时电功率时动力装置所消耗的热量。,中间再热机组：,二、汽轮机的极限功率和提高单机功率的途径,极限功率：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。,提高单机最大功率的途径 采用高强度、低密度材料，增加末级叶高； 排汽分流，采用多排汽口； 采用低转速。,
