叶轮机械原理西安交大.ppt

西安交通大学 能源与动力工程学院 热动力工程系 王新军,热力叶轮机械原理Principle of Thermal Turbomachinery,4.5 湿蒸汽级的能量转换（多级汽轮机特殊问题之四）,湿蒸汽：,干蒸汽与水滴的混合物。,湿蒸汽汽轮机（级）：,在湿蒸汽区域工作的汽轮机（级）。,包括：多级汽轮机最后几级、地热汽轮机、核电汽轮机（压水堆：饱和蒸汽）、核动力汽轮机,水份将对汽轮机（级）的工作产生两个方面的影响：,1）湿汽损失：,2）动叶和汽缸 材料的磨蚀：,水份使干蒸汽的工作受到一定的影响。透平（级）效率降低。,水滴高速冲击动叶和汽缸表面，造成叶片或汽缸材料表面脱落水蚀。,一、湿蒸汽在透平中的流动过程和湿汽损失产生的原因,1）湿蒸汽的流动过程,蒸汽按等熵过程方程规律膨胀，始终处于热力学平衡状态；,随着膨胀进行，湿度理应不断增大，与i-s 图相一致；,但蒸汽分子凝结成水珠的过程是需要一定的条件的；,当两个或更多气态分子偶然碰在一起就可能形成热力学 平衡的、具有一定半径的凝结核；,这样，在膨胀汽流中蒸汽的凝结就需要一定的时间；,因此，膨胀喷管中 各点实际状态，不可能与i-s 图上 bc 点相对应。,当自发生成的凝结核数目足够多时，其它蒸汽分子才能很快地以此为核心 大量地凝结；,也就是说，当过热度不大的蒸汽在喷管中膨胀进入湿蒸汽区域时，如果蒸汽非常洁净，蒸汽不会立即凝结产生水分；蒸汽仍然按照过热蒸汽的膨胀规律进行膨胀，这种现象称为过饱和现象。,蒸汽状态称为过饱和状态或过冷状态，在热力学上是不平衡的状态。,蒸汽中产生自发凝结（几乎是突然地），恢复到热力学上的平衡态；,当过饱和蒸汽继续膨胀到过饱和极限位置点（湿度约为3.54%）时，才会发生蒸汽的突然凝结，有凝结水珠产生。水珠直径约为：0.01m,蒸汽以湿蒸汽平衡状态等熵膨胀。点的湿度则与 c点d点 的湿度对应。,2）湿汽损失产生的原因,湿蒸汽的流动过程相当复杂，涉及到蒸汽的过饱和现象、自发凝结以及水滴运动学、动力学等。水滴的产生过程和引起损失的原因大致如下：,过饱和现象和过饱和损失,蒸汽在透平级叶栅通道中膨胀进入湿蒸汽区域时，将产生过饱和现象。,由于过饱和现象的存在，在给定的压力范围（）内，理想焓降有所减小（），作功能力也相应减小。,代表一种能量损失 过饱和损失。,水珠的形成与生长,蒸汽由亚平衡过饱和状态迅速变化到热力学平衡湿蒸汽状态。水珠温度与蒸汽温度十分接近，水珠与蒸汽之间不断有传热传质。一方面，一部分水珠很快再蒸发成蒸汽；另一方面，蒸汽又在水珠 上继续凝结形成更大的水珠这个过程称为水珠的生长。,蒸汽凝结形成水珠的过程很快，可以认为是一个瞬间的现象；而水珠的生长过程则需要较长的时间。,生长后的水珠直径在0.011.0m之间 初次雾滴。,运动中的水珠可能发生碰撞。水珠 表面张力作用将合并成一个较大水珠，这样将导致水珠数目减少。,水珠的运动与沉积,初次雾滴随着汽流在叶栅通道中运动，由于水珠的惯性作用和 扩散作用，水珠或水滴都程度不同地从蒸汽中分离出来。,直径较大的水滴，惯性力大，保持水滴原来运动方向的能力大，脱离汽流也早，这种分离导致水滴撞击并沉积在叶片表面上 惯性沉积；,直径较小的水珠，一部分随主汽流向叶栅下游运动；另一部分受 汽流旋涡影响被带入边界层附近，依靠Brownian运动而穿越 边界层，撞击并沉积到叶片表面上扩散沉积；,内弧沿叶高的一次水滴相对沉积量,背弧沿叶高的一次水滴相对沉积量,内弧沿轴向位置的一次水滴相对沉积量,背弧沿轴向位置的一次水滴相对沉积量,内弧沿叶高的二次水滴相对沉积量,背弧沿叶高的二次水滴相对沉积量,内弧沿轴向位置的二次水滴相对沉积量,背弧沿轴向位置的二次水滴相对沉积量,内弧沿叶高的水滴相对沉积量,背弧沿叶高的水滴相对沉积量,内弧沿轴向位置的水滴相对沉积量,背弧沿轴向位置的水滴相对沉积量,水膜的运动、撕裂及二次水滴的形成,从汽流分离出来的水滴，撞击并沉积在叶片表面上，形成厚度为10300m 水膜；,沉积在静叶表面上的水膜，受汽流切应力作用向静叶出口边运动，并在静叶出口边附近撕裂形成大分散度的粗糙水滴（d10m），最大水滴直径可达毫米级粗糙水滴（二次水滴）。,沉积在动叶上的水膜，受离心力作用被甩向汽缸壁面而排出；,图4.12 汽轮机中水份的图解形式,摩擦阻力损失,一般来看，透平中的水滴大体分为两类：,大部分是通过蒸汽自发凝结、生长过程而形成的水珠。直径d1m；,小部分是水膜在静叶出口边撕裂而形成的大水滴，直径d=5500m；,水滴的运动速度都低于蒸汽的运动速度（水滴直径 越大，速度越低），低速运动的水滴对高速运动的 蒸汽来说，将产生一种摩擦阻力，因而消耗蒸汽的 动能 称为摩擦阻力损失。,制动损失,直径较大的粗糙水滴，是在静叶出口边 由水膜撕裂而形成的。受到汽流加速 时间短，因而水滴的运动速度大大低于 蒸汽流速度。大水滴不能顺利进入动叶 栅流道，而是撞击在动叶背弧进口部分。,直径较小（d1m）的水珠，是在流动 过程中产生的，其运动速度比较接近于 蒸汽速度，且惯性力也小，可以比较 顺利地随蒸汽流通过动叶栅通道；,图4.13 蒸汽和二次水滴的速度三角形,这样就产生两个方面的问题：,图4.14 汽轮机动叶水蚀照片图,疏水损失,沉积在动叶、静叶和汽缸表面上的水膜，被疏水装置排出透平级外。属于流量损失，使作功的工质减小称为疏水损失。,二、湿汽损失计算,湿蒸汽在透平级内的流动过程将产生湿汽损失，产生损失的原因有四个：,1）过饱和现象-过饱和损失；,2）水滴运动-摩擦阻力损失。,3）水滴撞击动叶背弧-制动损失,4）疏水-疏水损失,特点：这四项损失都不能准确、直接计算；又不能直接测量。,湿汽损失功率的简便计算公式：,考虑湿汽损失后的级内功率：,考虑湿汽损失后的级内效率：,其中：y 蒸汽湿度；x 蒸汽干度。,蒸汽干度（湿度）的选取方法：,级的进汽状态为湿蒸汽状态,合理办法是在进口y0和出口y2之间取一个中间点m；,几何平均：使，则取ym为计算用湿度值；,算术平均：选取,级的进汽状态为过热蒸汽状态，排汽点在湿蒸汽区,以进汽状态湿度值（y0=0）计算,几何平均：使，则取ym为计算用湿度值；,算术平均：选取,三、防止动叶水蚀的方法,1)采用中间再热；,2）对动叶顶部进行淬硬处理、加司太立合金护条，选用高合金叶片钢等措施；,图4.15 加护条叶片,3）各种去湿装置和措施,疏水孔/环、外部水分离器、内置式汽水分离器、空心静叶开设去湿缝隙、空心静叶内部加热、空心静叶缝隙加热吹扫；,图4.17 齿形叶片示意图,轴向推力定义：,在轴流式汽轮机中，一般情况下：高压蒸汽从汽轮机的一端进入；低压蒸汽从另一端离开汽轮机。整体上看：蒸汽对汽轮机转子施加 一个由高压端指向低压端 的轴向力，使转子有向低压端移动的 趋势。这个力称为轴向推力。,4.6 轴向推力及其平衡（多级汽轮机特殊问题之五）,轴向推力的影响：,单级汽轮机：,多级汽轮机：蒸汽参数高、级数多，轴向推力相当大（23 MN）。,推力轴承无法单独承受，必须采用其它一些平衡措施。,轴向推力较小，用推力轴承完全可以承受，问题不突出；,一、冲动式汽轮机轴向推力的三组成部分：,图4.19 冲动级轴向推力计算示意图,动叶片受到汽流的作用力,轴向：,周向：,蒸汽作用在全部动叶上的轴向力,全周进汽级：,部分进汽级：,双列复速级：,轮盘两侧的压力差产生的轴向力,全周进汽级：,如果，有：,双列复速级：,部分进汽级：,全周进汽、轮盘上开设平衡孔：,部分进汽、轮盘上开设平衡孔：,隔板汽封处的转子轴向力,假定：1）隔板汽封孔口数为 2）每个孔口的压力差都相同,有：,各透平级的轴向推力：,整个转子的轴向推力：,轴向推力的平衡,平衡目的：减小转子轴向推力，使推力轴承能够承载，保证汽轮机的安全运行。,二、转子上的推力及其平衡,平衡方法：在透平高压端安装平衡活塞；,开设平衡孔；,多缸汽轮机可以采用特殊布置；,利用推力轴承承担多余的轴向推力。,在透平高压端安装平衡活塞,目的：产生反向（低压高压）的推力，以部分抵消转子的轴向推力。,开设平衡孔,目的：减小轮盘受力面积,图4.21 转子平衡孔照片图,多缸汽轮机可以采用特殊（反向）布置；,目的：使各转子轴向力部分抵消,1-高压缸；2-中压缸；3-低压缸 图4.22 高中压缸对置、低压缸分流布置示意图,图4.23 中间进汽两边排汽（低压缸）照片1,图4.23 中间进汽两边排汽（低压缸）照片2,利用推力轴承承担多余的轴向推力,图4.24 中间进汽两边排汽（低压缸）照片图,4.7 热力设计原理（多级汽轮机特殊问题之六）,多级汽轮机的热力设计：,在给定进、排汽参数的条件下，通过计算确定：透平的转速n；级数z；各级的型式和主要尺寸（），以满足汽轮机功率和效率要求。,主要是指汽轮机通流部分（气动参数和几何参数）的设计。,一、热力设计要求和内容,1）设计要求,安全性：保证汽轮机在所有运行工况下，都具有高度的安全可靠性；,经济性：要求汽轮机在设计工况/其它运行工况下，均具有较高的内效率；,结构性：要求结构紧凑、系统简单，零部件尽量做到系列化和通用化。,2）设计内容,确定汽轮机的基本参数（包括：蒸汽初压p0、初温t0、功率Ne、转速n）；,汽轮机的重量、长度以及材料消耗，进行成本比较；,汽轮机零部件的通用情况分析；,汽轮机的设计水平分析、比较；,详细方案图、通流部分图以及汽轮机纵剖面图。,汽轮机的级数 z、级的型式、叶片高度 l1 和 l2，内效率 等；,3）基本参数,进汽参数（p0、t0）：,电站汽轮机蒸汽参数已经系列化（目前也有非标准参数）,低压系列:1.27MPa/340 2.35MPa/390,对应功率：750kW、1500kW 对应功率：1500/3000/4500 kW,中压系列：3.43MPa/435 对应功率：6000/12000/50000 kW,高压系列：8.82MPa/535 对应功率：50MW、100MW,超高压中间再热系列：13.23 16.17 MPa 功率：125 MW、200 MW 535 565 300 MW、600 MW,超临界系列：初压 22.2 MPa，初温565,超超临界系列：初压 25 MPa，初温600,排汽参数（pz）：,分为几个选择范围,主要与:凝汽器的换热面积、冷却水温度（环境）有关。,热力系统与给水温度：,热力系统:与蒸汽的初参数、机组容量、抽汽级数有关。抽汽级数与给水温度:分为几个范围（可查相应的标准）。,转速：,发电汽轮机 n=3000 r/min；或:n=1500 r/min（双极发电机）；或:n=5600 r/min（用变速箱）；,在满足汽轮机功率要求的前提下：有许多热力设计方案，但每个方案的技术经济性（如：相对内效率等）、制造成本各不相同，需要进行方案比较。,驱动汽轮机 根据实际驱动对象来确定；或采用变转速汽轮机。,二、主要参数之间的关系,在多级汽轮机的热力设计过程中：需要考虑的因素是多方面的，并且这些参数之间是相互关联、相互影响的。有必要分析各参数之间的相互关系。,1）转速 与透平重量 之间的关系,汽轮机的重量与转速的 m 次方成反比：,提高转速的优点：,1）透平重量越轻，材料消耗越少，制造成本降低；,2）透平级数 z 和平均直径 dm 都可以适当减小。,n-u-c1-hs-z 或：u-dm,3）叶高 l 和部分进汽度 e 增大，汽轮机效率提高。,n-dm-(A=const)l/e,透平设计第一原则：,在多级汽轮机的设计中，选择高转速有利于提高方案的经济性。,转速选取的限制：转速的选择还取决于外界负荷的影响,发电用汽轮机,受发电机工作特性限制。汽轮机转速 n=3000 r/min；,核电汽轮机：叶片高度大（保证通流面积和流量、功率）可采用半转速 n=1500 r/min(发电机电极为两对)；,小功率汽轮机：为减小尺寸 采用较高转速 n=5600 r/min，或n=900010000 r/min，但需要减速器将转速降到 n=3000 r/min与发电机连接。,驱动用汽轮机,受被驱动负荷工作特性曲线的影响，选择范围很大。大型舰艇用汽轮机的转速可达 n=60008000 r/min。,2）级数 与平均直径 的关系：,按照现代蒸汽透平的设计实践，在转速一定下，透平级数与平均直径也要保持一定的比例。,原因：,如果级数 z 超过一定限度，将带来：,转子细长，转子强度和振动不合适。,的比值增大，需要更多的扭叶片；,如果级数 z 太少 平均直径增大。将导致：,叶高 l 和部分进汽度 e 大大减小，严重影响透平效率；,叶轮（叶片）的离心力增大，受到材料限制。,3）各级平均直径的关系,等内径整锻转子,用途：主要用于绝热焓降较小的背压透平。,特点：通流部分内径相同，各级的平均直径从高压到低压逐渐增大，各级的绝热焓降也逐渐增大。,优点：平均直径逐渐增大，叶高增大不多，叶片扭曲不剧烈。,缺点：透平径向尺寸变化剧烈，易造成汽流脱离，增大气动损失。,等外径整锻转子,用途：主要用于燃气透平。,特点：通流部分外径相同，各级的平均直径和绝热焓降逐渐减小。,优点：机组径向尺寸变化较小，流动性能好。,缺点：平均直径逐渐减小，叶片越来越长，扭曲剧烈。,等平均直径,其优、缺点介于等内径转子和等外径转子之间。,内径、平均直径、外径逐渐增大,对于蒸汽透平，尤其是大功率凝汽式蒸汽透平，蒸汽的膨胀程度很大，相应的容积流量也越来越大。因而通流面积也越来越大。需要同时增大级的平均直径和叶高来保证通流面积。,图4.22 汽轮机通流部分变化规律,4）各级焓降分配和级数的确定,在最佳速比下，任何一级的焓降可用公式表示：,其中：,图4.24 确定汽轮机级数用图,焓降分配具体过程和步骤：,确定多级汽轮机的第一级平均直径和末级平均直径,初步确定通流部分形状（平均直径的变化规律）,确定（选择）各级反动度的变化规律,将平均直径、速比、反动度的变化按比例画在图上,将图分为若干等距离段，分别量出各点的dm、x1和,根据公式：,计算所需的级数,取整,计算各级的平均焓降,将上图重新分为z-1段（z个点），重新查出各级的焓降。,5）汽轮机的分缸,汽轮机的分缸，取决于汽轮机功率的大小。,对小功率汽轮机：一般为单缸；,对中等功率汽轮机：可以分为两个汽缸，即高压缸和低压缸；,对大功率汽轮机：可以分为高压缸、中压缸和低压缸双排汽/四排汽。,6）级的结构选取,调节级：,在通流部分最前面，它通过调节汽轮机的参数或流量来调节汽轮机功率。,调节级均设计成冲动式，有单列/双列调节级：,单列调节级:利用的理想焓降约为：84 147 kJ/kg 适用于对经济性要求高的机组（如：核电汽轮机、大功率发电汽轮机）。,双列调节级:利用的理想焓降约为：167 418 kJ/kg 适用于对经济性要求较低的中、小汽轮机组。,压力级：调节级之后的所有压力级。有两种选择：,冲动式/反动式：各有优、缺点。根据生产厂习惯决定。,三、一定转速下的透平极限功率,是指在一定转速和蒸汽进、排汽参数下:一台单排汽口汽轮机在转子叶片材料所能安全承受的最大应力值时，所能发出的最大功率。,1）透平极限功率,对一台单排汽口、无抽汽的汽轮机，其内功率Ni 为：,三个影响功率因素：,汽轮机的蒸汽流量 G；,汽轮机的总绝热焓降 Hs；,汽轮机的相对内效率。,分析1：总绝热焓降Hs 汽轮机功率Ni,多级汽轮机总绝热焓降:1680 2100 kJ/kg 与进、排汽参数有关。,在汽轮机进、排汽参数给定下，Hs 已确定。,分析2：透平内效率 汽轮机功率Ni,透平内效率变化很小（）；,大功率机组内效率高，小功率机组内效率低。,分析3：蒸汽流量 G 汽轮机功率Ni,汽轮机功率的增大主要是靠流量增大来实现的。,流量极限 Ni极限。,在多级汽轮机中：流量对各级基本相同，但容积流量对各级却相差很大。随着蒸汽在汽轮机中的膨胀，汽流压力逐渐降低，末级的压力最低，比容最大，相应容积流量也最大。显然，末级的通流能力决定了整个透平的功率。,当末级流量增大到最大流量（极限流量）时，末级的通流面积也增大到最大面积，,末级连续方程：,其中：c2 代表末级排汽速度,c2 G Ni,hc2,一般,v2 代表末级排汽比容：取决于汽轮机的背压，与汽轮机类型（凝汽式/背压式）有关；,pz v2 G Ni,Hs Ni,在排汽压力给定下，v2 也确定。,A2 末级通流面积,末级流量增大主要靠通流面积增大来实现。,A2 极限 G极限：,当末级达到最大（极限）通流面积时,有：,其中：e 部分进汽度，对末级e=1（全周进汽）；,排汽方向，一般（轴向排汽，余速损失最小）；,显然：A2极限dm/l 2动叶离心力,结论：,根据力学分析，动叶片根部离心拉应力为：,其中：材料密度，叶片材料选定，确定；,K 叶片锥度对应力影响的修正系数;（直叶片：K=1；扭叶片：K=0.30.8）,A2 动叶栅出口面积；,n 透平转速（r/min）。,根据极限功率的含义：当末级叶片拉应力达到材料的许用应力时，通流面积达到极限面积 A极限，相应的蒸汽流量达到极限流量 G极限，功率也达到极限功率 N极限。,有：,结论：单排汽口汽轮机的极限功率与转速平方成反比。即：,就目前的蒸汽参数而言，单排汽口汽轮机的最大功率约为：1000 1500 MW,以极限功率划分汽轮机的转速,高转速：如果汽轮机在采用的转速下发出的功率 达到或接近这一转速下的极限功率，所采用的转速称为高转速。,低转速：如果汽轮机在采用的转速下发出的功率 远小于这一转速下的极限功率，所采用的转速称为低转速。,2）提高单机容量的方法,提高单机功率是提高经济效益、降低成本的方向。,常规火电汽轮机单机功率（多排汽口）：1200 MW 核电汽轮机单机功率：900 1000 MW,提高单机功率的措施有：,提高新蒸汽参数，并采用中间再热循环；,提高汽轮机的背压，但循环效率减低；,采用高强度、低密度的金属材料（如：钛合金）；,采用多排汽口（将排汽面积分为几个）；,采用低转速；,采用双层叶片：一股汽流通过末级作功后排入凝汽器；一股汽流直接进入凝汽器。,谢 谢！,