1第二章多級汽輪機

第一節多級汽輪機的工作過程一，多級汽輪機的特點和工作過程

1，多級汽輪機的采用：為了提高汽輪機的功率，就必須增加汽輪機的進汽量G和蒸汽的理想焓降。從經濟和安全兩個方面來考慮，只有一個級的汽輪機要能有效地利用很大的理想焓是不可能的。為了有效地利用蒸汽的理想焓降，唯一的辦法就是采用多級汽輪機。和單級汽輪機相比較，多級汽輪機具有單機功率大和內效率高的特點。2二、多級汽輪機的優缺點1、多級汽輪機每級的焓降較小，有可能使速度比設計在最佳速度比附近，同時c1小、u也小，即直徑小，葉高或部分進汽度相應大，這些都是效率增大；2、各級余速動能可以部分的被利用；3、多級汽輪機可以實現回熱循環和中間再熱循環；4、由于重熱現象，多級汽輪機前面級的損失部分的被后面各級所利用。3

多級汽輪機有沖動式和反動式兩種。多級汽輪機通常采用噴嘴調節（控制進汽量），稱之為調節級，其余的級稱為壓力級。中小型汽輪機，通常采用雙列級作為調節級，大功率汽輪機多用單列級作為調節級。多級汽輪機的通流部分如圖2---1所示。蒸汽進入汽輪機各級膨脹作功，壓力和溫度逐級降低，比容不斷增加。因此，通流部分尺寸是逐級增大的，特別是在低壓部分，平均直徑增加很快。即葉片的高度越來越長。由于受到材料強度的限制，葉片不可能太長，故大型汽輪機都采用多排汽口。4我國電站典型600MW汽輪機基本特點平圩電廠石洞口北倫港鄒縣電廠型號廠家N600-16.7/537/537哈汽D4Y454瑞士ABBTC4F-33.5日本東芝DH-600-40-T東汽（日立技術）主汽壓力16.5724.216.5616.7汽輪機級數高壓缸1單列調節級+10反動級1單列調節級+21反動級1單列調節級+7壓力級1單列調節級+6壓力級中壓缸2×9反動級2×17反動級2×6壓力級5個壓力級低壓缸2×2×7反動級2×2×5反動級2×2×7壓力級2×2×7壓力級合計57級76級48級40級5第二節多級汽輪機的重熱現象一，重熱現象在h—s圖上，在過熱區內，隨著溫度增加，等壓線是呈擴散形；在濕蒸汽區，等壓線是斜率為常數的直線。因此，在h—s圖上的兩條等壓線之間的距離（焓降）是隨著熵的增加而增加的。這樣一來，前一級的損失造成的熵增，能使后一級的理想焓降增加。即前一級的損失，加熱了蒸汽本身，使后一級的進汽溫度升高，即在后一級得到了利用——這就是多級汽輪機的重熱現象。6二，重熱系數1，重熱系數如右圖：整機理想焓降為，由于等壓線是呈擴散形，所以：即有：也就是：上式之比值：稱為重熱系數，用α表示。則上式寫成72，整機效率與級效率根據上述推導，表示各級理想焓降之和大于整機理想焓降。由于這部分熱量的利用，使整機的內效率大于各級平均內效率。設各級內效率相等，用（）表示，則各級有效焓降為：……，相加得8而整機的內效率為：由于α>0，所以，即整機的內效率大于各級平均內效率。通常，重熱系數α=0.03~0.08，其大小與下列因素有關：1)和級數有關，級數多，α大；2)與各級內效率有關，級內效率低，則α大；3)與蒸汽狀態有關，過熱區α大，濕汽區α小。**這里，決不能誤認為α越大越好。因為α增大，是以增加損失為代價的，而重熱只能回收損失其中的一小部分。α大會使整機的內效率降低。三，重熱系數的計算：一般用經驗公式計算重熱系數

其中，k——修正系數，過熱區k=0.2；濕汽區k=0.12；部分在過熱區，部分在濕汽區k=0.14~0.18。9四、中間再熱式汽輪機1、采用中間再熱循環的原因

濕汽損失水滴侵蝕葉片排汽濕度增加新蒸汽參數提高2、中間再熱的概念再熱器103、中間再熱對循環熱效率的影響可提高或降低循環熱效率最有利的中間再熱壓力：初壓的(20~30)%

4、中間再熱的不利影響汽輪機結構復雜，本體造價有所提高；系統復雜，管道布置復雜；汽輪機、鍋爐運行方式復雜，調節系統要求高；11第三節多級汽輪機的損失

汽輪機除了各級級內損失之外，還有進、排汽管道的節流損失，前后端軸封的漏汽損失，機械損失。一，前后端軸封的漏汽損失和漏汽量計算1，漏汽原因：*由于結構的要求，汽輪機大軸必須從汽缸內向外伸出并支持在軸承座上。這樣，大軸和汽缸之間必須留有一定的間隙。*汽缸的高壓端，缸內蒸汽壓力大于大氣壓力，蒸汽必然要從間隙向外泄漏。這樣就減少了作功蒸汽量，降低了機組的經濟性。*在機組的排汽端，缸內為真空運行，蒸汽壓力低于大氣壓力，外界的空氣將通過間隙流入汽缸內，破壞真空，也會降低機組的經濟性。122，減少漏汽的措施：

為了提高汽機的經濟性，防止或減小這種漏進、漏出現象的存在，因此，在汽輪機的兩端漏氣（汽）處裝設汽封，以減少漏氣（汽）量。裝在汽輪機高壓端的汽封稱為前軸封，作用是為減少高溫高壓蒸汽從汽缸內向外泄漏；裝在汽輪機低壓端的汽封稱為后軸封，作用是為了防止外界空氣漏向汽缸保證汽缸內的真空度。對于多缸的大型汽輪機每個缸的兩端都有軸封，其作用要根據具體情況而定。（一）齒形軸封的工作原理

1，齒形軸封的結構：

現代汽輪機中常見的軸封是齒形軸封，它是由許多固定在汽缸上的金屬片組成。其高低齒與軸或者軸套上的凸肩溝槽相錯對應，使兩者之間保持一較小的間隙，以形成許多汽封齒隙。而兩齒之間形成一個環形汽室，如圖所示。

13

2，減少漏汽的途徑：當漏汽通過軸封時，依次逐個通過這些齒隙和環形汽室。通過軸封漏量按續程方程來確定。為了減少漏汽量，可以通過：減少齒隙面積A、汽流速度C和增大比容V等辦法來實現。但是：(1)比容是蒸汽流動狀態來決定，不可任意改變。(2)面積分別為軸封直徑、間隙）、軸封直徑d是由大軸的強度確定。為了保證安全，間隙不能太小(一般

=0.3~0.6mm)。太小，可能使大軸與軸封片摩擦，造成大軸彎曲，引起機組振動。

(3)唯一可行的辦法就是減小汽流速度C。汽流速度C取決于軸封齒兩側的壓力差，所以減小軸封齒兩側的壓力差是減少軸封漏汽量的主要措施。

14齒形軸封的工作原理：從左圖可見到，蒸汽通過一環形齒隙時，由于通道面積減小，速度增加，壓力從po降到p1

。但是蒸汽進入兩齒間的大空間時，容積突然增大，速度大為減小。由于渦流和碰撞，蒸汽動能被消耗而轉變成熱量，使蒸汽焓值又回到原值，如左下圖所示。即蒸汽通過軸封齒隙為一節流過程。其后，蒸汽每通過軸封一齒隙時，都重復這一過程，壓力不斷降低，直到降低軸封最后一齒后的壓力為止。所以，軸封的作用是將一個較大的壓差分割成若干個減小的壓差，從而達到降低漏汽速度，減小漏汽量的作用。這就是齒形軸封的工作原理。蒸汽每通過軸封一齒隙時，壓力不斷降低，容積不斷擴大，而流量是相同的。根據連續性方程，則流速是越來越大的，并在最后一齒大最大。如左圖所示，ab曲線對應C/v=常數，稱為芬諾曲線。1516芬諾曲線17二，汽輪機進、排汽機構的壓力損失汽輪機必須有進汽機構和排汽管道。進汽機構由主汽閥、調節閥、導汽管和蒸汽室組成。排汽機構是一個擴散形的排汽管所構成。蒸汽通過汽輪機進、排汽機構時，由于摩擦和渦流的存在，會使壓力降低，形成損失。1，進汽機構中的壓力損失

由于摩擦和渦流的存在，蒸汽通過汽輪機進汽管道就會有壓力降低。這個壓力降低不作功，是一種損失。而第一級噴嘴前的壓力為，則。由于壓力差p存在，使整機理想焓降從降為。蒸汽在進汽機構中的壓力損失和管道長短、閥門型線、蒸汽室形狀及汽流速度有關。通常，當閥門全開時，汽流速度為（40~60）m/s，則在進汽機構中由于節流所引起的壓力損失為：

對于大型汽輪機（如國產200MW、300MW汽輪機），中壓缸和低壓缸之間有低壓導汽管道相連接，則低壓導汽管道的壓力損失為：

18圖2—13考慮了進、排汽機構的壓力損失的熱力過程曲線192、排汽管道的壓力損失：乏汽從末級動葉排出，經排汽管到凝汽器或供熱管道，蒸汽在其中流動時，因摩擦、渦流等原因，會造成壓力損失，即排汽管道的壓力損失。若末級動葉出口壓力為，凝汽器的壓力為，則壓力損失為。由于壓力損失的存在，從上圖可知，使整機理想焓降由

變為。差值為，壓力損失主要取決于流速的大小、排汽管道的型線結構等原因。通常用下式來估計排汽管道的壓力損失，即式中，——阻力系數，一般取=0.05~0.1；

——排汽管中的汽流速度，對于凝汽機，取=80~120m/s；對于背壓機，取=40~60m/s。203，多級汽輪機的熱力過程曲線：其熱力過程曲線如圖。蒸汽進入汽輪機工作級前必須先經過主汽閥、調節閥和蒸汽室。蒸汽通過這些部件時就會產生壓力降，主汽閥和調節閥最為嚴重。汽輪機的排汽從末級動葉流出后通過排汽管進人凝汽器。蒸汽在排汽管中流動時，由于存在摩擦、渦流等產生的阻力，造成蒸汽的壓力降落。這部分蒸汽壓降并沒有做功，形成排汽管阻力損失。整個熱力過程曲線由三部分所組成：進汽機構的節流過程，各級實際膨脹過程,排汽管道的節流過程。

21三機械損失

汽輪機在工作時，要克服支持軸承、推力軸承的摩擦阻力，還要帶動主油泵和調速系統工作，必然要消耗一部分功率。通常，用機械損失來描述。汽輪機的機械損失一般用機械效率來計算。這樣，

(2-----５０)式中，——分別為汽輪機的軸端功率、內功率；

——為機械損失，對于同一臺機組，由于轉速為常數，所以近似為常數。22第四節汽輪機裝置的效率

火力發電廠的生產過程，要經過一系列的能量轉換之后，最后才能將礦物燃料的化學能轉變為電能。在這些轉換過程中，要用各種效率來描述整個能量轉換過程中的完善成度。一，汽輪機的相對內效率

汽輪機的相對內效率是衡量汽輪機內能量轉換完善程度的重要指標。它是整機的有效焓降與理想焓降之比，即

汽輪機的相對內效率是考慮了機組進出口管道的壓力損失和各級內能的。

23二，汽輪機的內功率

汽輪機的內功率等于汽輪機的進汽量與有效焓降之乘積。對于無回熱加熱系統的汽輪機，它的內功率為：

(kw)或者，=(kw)對于有回熱加熱系統的汽輪機，它的內功率為：

=其中，D、G為汽輪機各級蒸汽量，為相應的有效焓降。24三，汽輪機的軸端功率、電功率

對于無回熱加熱系統的汽輪機，它的軸端功率為：

=(2----５６)

汽輪機以軸端功率來拖動發電機發電，還要考慮發電機的機械損失和電氣損失。用表示發電機的效率，則在發電機的出線端所獲得的電功率為：

(2---５７)其中，，稱為相對電效率。它表示每kg蒸汽所具有的理想焓降中最后轉變為電能的份額，是衡量汽輪發電機組經濟性的一項重要指標。25

四，循環熱效率和絕對電效率

由于汽輪發電機組熱力循環中存在著冷源損失，所以，為了使得1kg蒸汽獲得理想焓降為的熱量，就需要加給它比多許多的熱量。若忽略水泵耗功，并且使裝置按朗肯循環工作，則裝置的循環熱效率為：

(2----５８)其中，--------蒸汽的初焓，

-------凝結水焓，即在背壓pc下的飽和水焓。這里，--為每1kg蒸汽在鍋爐中所獲得的熱量。對于有回熱加熱系統來說，則應為末級高壓加熱器出口的給水焓值。這樣，整個熱力循環中加給1kg蒸汽的熱量最終轉變為電能的份額稱為絕對電效率，用表示：

(2---５９)26五，汽耗率d熱耗率q

除了用效率表示汽輪發電機組的經濟性外，還經常用汽耗率d熱耗率q

來表示其經濟性。生產1kw.h的電能所需要的蒸汽量稱為汽耗率，用d表示，即

d=(kg/kw.h)(2---６０)

對于同功率的汽輪機組，雖然功率相同，但因蒸汽的初終參數不同，而使得汽耗量不一樣。所以，汽耗率d并不宜用來比較不同類型機組的經濟性，而是采用反映機組經濟性的另一指標——熱耗率，即發出1kw.h電能所需要熱量，用q表示：

27再考慮鍋爐效率、管道損失及發電廠各種風機、水泵耗功的影響，整個火力發電廠的絕對電效率要比汽輪發電機組的絕對電效率低，而火力發電廠的熱耗率亦比汽輪發電機組的熱耗率高。。當前世界主要工業發達國家火力發電廠的平均熱效率為(30~35)%,而大型機組可達40%。國產200MW汽輪發電機組的熱耗率為q=8402kJ/kw.h，國產300MW汽輪發電機組的熱耗率為q=7993kJ/kw.h。

28第五節多級汽輪機的軸向推力及平衡方法一，多級汽輪機的軸向推力

蒸汽通過汽輪機通流部分膨脹作功時，對葉片的作用力由圓周分力和軸向分力所組成。其中，圓周分力推動葉輪作功，而軸向分力則對轉子產生一個軸向推力。在一般情況下，作用在一個沖動級上的軸向推力由4部分所組成：1、作用在動葉片上的軸向力：

當反動度不大時，壓力反動度（）和焓降反動度相差不大，這樣一來，則上式為

292、作用在葉輪面上的軸向力

當葉輪兩側輪轂相等時，則上式為：

其中，為葉輪前的壓力。3、作用在輪轂上或者轉子凸肩上的軸向力

4、作用在軸封凸肩上的軸向力

這樣，多級汽輪機總的軸向推力為各級軸向推力之和。即

,(N)30二，軸向推力的平衡方法

在多級汽輪機中，總的軸向推力是很大的。特別是反動式汽輪機，其總的軸向推力可達200~300T，沖動式汽輪機，其總的軸向推力可達40~80T。這樣大的軸向推力是推力軸承所不能承受的。因此，必須設法減少總的軸向推力，使之符合推力軸承的能承載能力。也就是說，對汽輪機總的軸向推力應加與平衡。常見的軸向推力平衡辦法有：

1.采用平衡孔平衡軸向推力

在葉輪上開設平衡孔可以減少葉輪兩側的壓力差，從而可以減少作用在葉輪上的軸向力。2.設置平衡活塞

如圖2---23所示，在平衡活塞上裝有齒形軸封，當蒸汽由活塞的高壓側向低壓側流動時，壓力由降為。平衡活塞在壓力差作用下，就產生了一個向左的作用力。這個力剛好與方向相反，起到了平衡作用。313.采用多缸反向布置

采用多缸反向布置，使汽流在不同的汽缸中作反向流動,其軸向力方向相反，達到了平衡的目的。下圖為多缸反向布置的示意圖。國產125MW、200MW、300MW汽輪機都采用多缸反向布置的辦法來平衡軸向力。

4.推力軸承所承擔的軸向推力汽輪機的運行要求推力軸承承擔一部分軸向推力，以保證汽輪機運行工況發生變化時，軸向推力方向不變，達到機組穩定運轉的目的。推力軸承所承擔的軸向推力為：

為了安全起見，核算推力軸承時，其安全系數應大于1.5~1.7。第六節多級汽輪機結構和布置汽輪機本體結構靜止部分采用雙層缸原因汽輪機高壓上缸（含靜葉柵）噴嘴軸承潤滑油被帶到軸頸與軸瓦之間的契形間隙中，從契形間隙的寬口流向窄口，使潤滑油積聚在狹小的間隙中而產生油壓。隨著轉速的升高，被帶入的油量也相應的增多，油契中的壓力不斷升高，當油壓升高到足以平衡轉子對該軸瓦的作用力時，軸頸便被油膜托起，此時軸頸和軸瓦完全由油膜隔開，從而避免了軸頸和軸瓦之間的干摩擦現象，并能靠潤滑油不斷的帶走液體摩擦中所產生的熱量，使軸承能安全穩定地工作。橢圓瓦可傾瓦汽輪機低壓轉子（含動葉柵）69第七節汽輪機的極限功率一，汽輪機單機容量

凝汽式汽輪機的功率可用下式表示：

其中，整機的理想焓降取決于初終參數。在常見的初終參數條件下，=1000~1500kJ/kg。三個效率的變化不大。所以，汽輪機所能發出的最大功率就決定于進汽量。而通過汽輪機的最大流量又決定于末級葉片的幾何尺寸。在汽輪機中，蒸汽膨脹到末級時，其容積流量達最大值。所以，要求通流面積也最大。因此，末級動葉片必須做得很長。由于汽輪機轉子作高速旋轉，長葉片將產生巨大的離心力。葉片材料的強度是有限的，因此，末級葉片的葉高將受到限制。這就是說，單缸單排汽的汽輪機的功率是有限的，其最大功率稱為汽輪機的極限功率。通常，單缸單排汽的汽輪機的極限功率可達100MW（對于高壓機組而言）。70二，提高汽輪機單機容量的措施

由于單缸單排汽汽輪機受到極限功率的限制，為了得到更大的功率，就必須采取其他措施，常用的辦法有：

1，提高新蒸汽的參數

提高新蒸汽的參數可以增大整機的理想焓降，再加上中間再熱，就能較大地提高單機功率；

2，采用高強度低重度的合金材料

由于汽輪機單機功率受到末級葉片材料強度的限制（離心力太大），故末級葉片不可能做得很長，通流面積大小有限。采用高強度低重度的合金材料制造末級葉片，就可以在保證葉片強度的條件下，增長末級葉片的高度，即增大通流面積，從而達到增加進汽量、增大汽輪機單機功率的目的。

3，采用多排汽口

采用多排汽口，就是對汽輪機的低壓缸進行分流。這是當前提高汽輪機單機功率最有效的辦法。714，采用給水會熱加熱系統：從汽輪機中間某些級抽出部分蒸汽來加熱給水，一方面可以減少排汽量，同時也可以增加進汽量。減少排汽量，可以降低末級葉片高度，同時可以減少冷源損失；增加進汽量，可以增大機組功率，增大高壓部分葉高和部分進汽度，提高其效率。這而者都是可以熱效率的。

72第八節壓水堆核電汽輪機一、壓水堆核電汽輪機特點

1初參數低，濕度大

反應堆供給汽輪機的蒸汽參數較低，壓力為63bar.a，濕度為0.25～0.4%，溫度約280℃，即為略帶濕度的飽和蒸汽。這比常規火電汽輪機初參數低得多。

核電汽輪機在高壓缸進口,蒸汽在6.0MPa下,進入時為略帶濕度的飽和蒸汽,溫度約280℃。膨脹至高壓缸出口,濕度增加到大約14%左右,進入汽水分離再熱器去濕及再熱至大約有70℃過熱度,然后進入低壓缸部分與常規火電汽輪機有相似的工作過程，其初參數低，壓力僅為亞臨界機組的1/3，臨界、超臨界機組的1/4，同時濕度大，工作段大部分處于濕蒸汽區。

2進汽量和容積流量大

壓水堆核電汽輪機最主要的熱力特點就是大功率，小絕熱焓降，大流量和大容積流量，效率低。核電與火電站1000MW汽輪機熱力特點比較見下表。73核電與火電站1000MW汽輪機熱力特點比較

項目種類參數總焓降新汽量排汽量排汽量/新汽量通流效率℃/barkJ/kgt/ht/h％

核電1000MW280/265/64.31027580829640.5～87

火電1000MW600/600/2501750236016300.7～90比值0.582.51.650.7～9774核電汽輪機初參數低，其有效焓降僅為常規火電汽輪機的60％左右，致使同等功率機組，核電汽輪機的進汽量約是火電機組的2.5倍，而容積流量則為4～6倍。由于核電汽輪機初參數低，其有效焓降僅為常規火電汽輪機的50%左右，致使同等功率的機組，核電汽輪機的進汽量是火電機組的2倍,而容積流則為4～6倍。753單機功率大且承擔基本負荷

因為核電站投資成本高，運行費用低，所以核電汽輪機都設計成大功率的，并承擔電網的基本負荷。近期投運的機組，功率均在600～1500MW之間,最大的單機功率已達到1580MW(法國)，并準備生產2000MW的機組，以進一步降低成本。功率調節方式多采用節流調節。764轉速選擇

常規火電汽輪機多采用全速(3000r/min或3600r/min)，極少采用半速(1500r/min或1800r/min)。核電機組因為進汽量和排汽容積流量很大，所以有必要采用半速機組。與常規火電全速汽輪機相比，核電半速汽輪機在不增加轉動部套所受應力的情況下，允許把線性尺寸(平均直徑和葉片高度)放大1倍左右，從而可得到約3.5～4倍于全速機組的通流面積和排汽面積，以適應其排汽面積較大的需要。

但是正由于半速機組的轉子平均直徑大，葉片長，增大