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动力工程－汽轮机 第四章 汽轮机 第一节 汽轮机的一般概念 汽轮机又称“蒸汽透平 Steam Turbine”, 是一种以水蒸气作为工质的叶轮式发动机。 优点： 转速高、运行平稳、工作可靠、单机功率大、热经济性高，便于与发电机直接连接等。 用途 现代火电厂、核电厂、大型船舶等。 作用 将蒸汽的热能转变为机轴上的机械能。 汽轮机简图 一、汽轮机的工作原理 一. 汽轮机的工作原理 汽轮机内的能量转换 一定压力和温度的蒸汽流经固定不动的喷嘴，并在其中膨胀，蒸汽的压力、温度不断降低，速度不断增加，使蒸汽的热能转化为动能 喷嘴与动叶动画 （一）冲动作用原理 冲动力的定义：根据力学知识，当一运动物体碰到另一个静止的物体或者运动速度低于它的物体时，就会受到阻碍而改变其速度的大小或方向，同时给阻碍它的物体的一个作用力 特点：蒸汽仅把从喷嘴中获得的动能转变为机械功，蒸汽在动叶通道中不膨胀，动叶通道不收缩 基本工作原理视频 从作用力方面分析原理 喷嘴出口处：蒸汽以相对速度w1进入动叶通道，由于受到动叶的阻碍，汽流方向不断改变，最后以相对速度w2流出动叶通道， 在流道中蒸汽对动叶产生一个轮周方向的冲动力F1，该力对动叶作功使动叶转动 （二）反动作用原理 反动力定义：蒸汽在动叶汽道内膨胀时对动叶的作用力。根据动量守恒定律，当气体从容器中加速流出时，要对容器产生—个与流动方向相反的力。 基本特点：蒸汽在动叶流道中不仅要改变方向，而且还要膨胀加速，从结构上看动叶通道是逐渐收缩的。 从作用力方面分析原理 蒸汽流经级时先在喷嘴中膨胀压力降低，速度增加一方面通过速度方向的改变，产生冲动力F1 蒸汽在动叶中继续膨胀，压力降低，所产生的焓降转化为动能造成动叶出口的相对速度w2大于进口相对速度w1，使汽流产生了作用于动叶上的与汽流方向相反的反动力Fr。 在蒸汽的冲动力和反动力合力作用下推动动叶旋转作功。 汽轮机的基本作功单元－“级” 能量转换的主要部件是一组喷管和一圈动叶，由它们组合而成的工作单元，称为汽轮机的一个“级”。 第二节 汽轮机级内的工作过程 级内的汽流 一、蒸汽在喷管内的能量转换 蒸汽在喷管内的流动过程，理想情况下是等熵膨胀过程，实际是不可逆的绝热膨胀过程。 二、蒸汽在动叶内的能量转换 单级汽轮机速度三角形 动叶内的损失 由于摩擦等损失，动叶内的汽流速度会降低－动叶损失 反动级 反动度为0.5的级。 反动级动叶出口的蒸汽理想相对速度 反动级的特点 在保持最高效率的前提下，反动级可以转换的蒸汽焓降约为冲动级的一半。因而，同等容量的反动式结构汽轮机总级数要比冲动式结构汽轮机的总级数大致多一倍。 反动式汽轮机的特点： 级数多、制造工艺要求高、造价高。 效率较高。 轮周功率 根据动量定理 若蒸汽流量为 D kg/s，则汽流作用于动叶上的圆周力为 3) 复速级 速度级:为使充分利用余速，在两列动叶之间装设—列导向叶片，排汽经过导向叶片后改变方向，进入第二列动叶继续作功。这种级称为速度级。 复速级：同一叶轮上装有两列动叶片的双列速度级，又称为复速级。 工作特点：蒸汽主要在喷嘴中膨胀加速：动叶通道和导向叶片通道中基本不膨胀，焓降大、效率较低。用于单级汽轮机和中、小型多级汽轮机的第一级。 第三节 多级汽轮机 汽轮机装置 现代汽轮机，由于采用越来越高的蒸汽初参数和很低的排汽压力，整机的理想焓降都很大，为了有效利用蒸汽的焓降，汽轮机大都采用多级形式（压力多级、速度多级）。 压力多级汽轮机的应用 所谓压力多级汽轮机，就是蒸汽从很高的初压膨胀到很低的终压，是在很多个压力级内分段依次进行的，也就是把蒸汽的总焓降分配给若干个压力级来进行，每个压力级都有自己的喷嘴和动叶，整台汽轮机就像由若干台单级汽轮机串联起来一样。 这种压力多级汽轮机的各项损失都比较小，其效率一般要比速度多级汽轮机高得多；因此，现代大、中型汽轮机几乎无所例外地都采用压力多级得结构型式，其级数可根据功率需要确定，一般以10级以上者较为多见。 多级汽轮机的剖面 凝汽式汽轮机 特点：在汽轮机中作功后的排汽，在低于大气压力的真空状态下进入凝汽器凝结成水。 背压式汽轮机 特点：是排汽直接用于供热，没有凝汽器。当排汽作为其它中低压汽轮机的工作蒸汽时，称为前置式汽轮机。 调节抽汽式汽轮机特点：从汽轮机某级后抽出具有一定压力的蒸汽对外供热，其余排汽仍进入凝汽器。 中间再热式汽轮机特点：进入汽轮机的蒸汽膨胀到某一压力后，被全部抽出送往锅炉的再热器进行再热，再返回汽轮机继续膨胀作功。 3. 按主蒸汽压力分 汽轮机型号中蒸汽参数表示法 第四节 汽轮机的效率和功率 一、汽轮机的内部损失 汽轮机运行时，在它的每个级内，都不可避免地有各种级内的能量损失。包括 喷管损失 动叶损失 余速损失 叶轮摩擦损失 叶