二、汽轮机的基本工作原理主要内容

二、汽轮机的基本工作原理主要内容 1、汽轮机概述 2、汽轮机的基本做功原理（1）级的基本结构和工作原理（2）多级汽轮机（3）汽轮机的变工况 3、汽轮机的零件结构与强度振动概述（1）基本结构（2）强度与振动问题 4、汽轮机的调节、监测、保护概述

2.1 汽轮机概述2.1.1 汽轮机定义及特点 1、汽轮机 • 汽轮机是一种以蒸汽为工质，并将蒸汽的热能转换为机械功的旋转机械。 • 英文：Turbine，译名透平 • 叶轮机械（广义范畴）

2.1 汽轮机概述2.1.1 汽轮机定义及特点 2、汽轮机的特点（1）单机功率大：300MW→600MW→900MW （2）效率高：汽轮机内效率：→90% 电厂效率：→40% （3）运转平稳：机组振动<0.03mm （4）使用寿命长： >30年（5）整个循环中燃用劣质、廉价燃料：如劣质煤等（6）使用范围专业而广泛 • 火电厂 • 核电厂 • 直接驱动 • ……

2.1 汽轮机概述2.1.1 汽轮机定义及特点 3、汽轮机的发展趋势（1）增加单机功率：→300、600、1000、1300MW （2）提高蒸汽参数 • 亚临界：16.7MPa，538℃ • 超临界：24.2MPa，566℃ • 超超临界：28.2MPa，600℃ （3）提高效率（4）降低金属消耗量和成本（5）提高机组运行水平，增强机组的负荷适应性（6）采用联合循环（燃气––蒸汽联合循环） • 提高效率： →57%~60% • 清洁燃烧技术（减少污染：除尘、脱硫、脱硝、重金属等）

4、汽轮机生产厂家 （1）国内（单位：MW）上海汽轮机厂 125、300、600、1000 哈尔滨汽轮机厂 200、300、600、1000 东方汽轮机厂 200、300、600、1000 北京重型电机厂 100、200、350、600 青岛汽轮机厂中小型汽轮机南京汽轮发电机厂中小型汽轮机、燃气轮机杭州汽轮机厂工业汽轮机（2）国外美国：GE、WH 德国：KWU（SIEMENS）瑞士：BBC、ABB 法国：ALSTHOM 日本：MHI、TOS、HIT 英国：GEC 俄罗斯：列宁格勒金属工厂、哈尔科夫汽轮机厂意大利： 2.1 汽轮机概述2.1.1 汽轮机定义及特点

5、汽轮机的分类及型号 （1）分类 ① 工作原理冲动式反动式 ②热力过程凝汽式：N 背压式：B 抽汽式：C ③工质参数（系列化）中压高压超高压亚临界超临界 ④其他方法：轴系单轴双轴汽缸布置单缸多缸汽流总体流向轴流式辐流式（2）型号 N300–16.7/538/538 N600–16.7/538/538 N600–24.2/566/566 N1000–28.2/600/600 2.1 汽轮机概述2.1.1 汽轮机定义及特点

2.2 汽轮机的基本做功原理2.2.1 级的基本结构和工作原理 1、级（1）定义： • 级是由喷嘴叶栅（或静叶栅）和它相配合的动叶栅所组成； • 汽轮机作功的基本单元。蒸汽热能喷嘴（静叶栅）↓ 蒸汽动能动叶栅 ↓ 机械能 • 应用 • 单个级 • 单级汽轮机 • 多个级串联 • 多级汽轮机

2.2 汽轮机的基本做功原理2.2.1 级的基本结构和工作原理（2）级的基本做功原理 ①冲动作用原理 • 蒸汽仅把从喷嘴中获得的动能转变为机械功，不涉及蒸汽在动叶通道中的膨胀。 ②反动作用原理 • 汽流在动叶通道中继续膨胀加速，则在汽流离开动叶时，施加给动叶一个与汽流运动方向相反的作用力，即反动力（又称反击力）。

2.2 汽轮机的基本做功原理2.2.1 级的基本结构和工作原理（3）级的反动度 • 反动度是衡量级中冲动作用、反动作用相对大小的参数。 • （焓降）反动度 • 蒸汽在动叶通道内膨胀时的理想焓降和整个级的滞止理想焓降的比值 • 数值范围 • 正常状况 • 0~0.5 • 非正常状况 • ‹0（负值） • ›0.5

（4）级的基本分类及特点 冲动级反动度小：0~0 .20 做功能力：相对较强效率：相对较低结构特点隔板叶轮构成的汽轮机 →冲动式汽轮机 →级数相对较少 →轴系相对短而粗构成汽轮机的两类基本流派，各有特点，各有应用反动级 ≡0.5 相对较弱相对较高静叶栅动叶栅 →反动式汽轮机 →级数相对较多 →轴系细长目前发展的趋势在于两者的相互各取所长，最佳的反动度大约在0.4左右。 2.2 汽轮机的基本做功原理2.2.1 级的基本结构和工作原理

2.2 汽轮机的基本做功原理2.2.1 级的基本结构和工作原理 2、蒸汽在级中的能源转换（1）蒸汽在喷嘴中的流动（2）汽轮机中喷嘴的结构形式及流动特点（3）蒸汽在动叶通道中的流动：级的速度三角形（4）叶栅的几何结构尺寸及最佳参数（5）级做功过程中的各种损失及危害 • 漏汽损失、湿汽损失、……（9项）（6）级的能量转化效果 • 理想焓降 → 有效焓降 • 级内功率（10~30MW） • 级的相对内效率（85~90）% （7）长叶片级的工作特点

2.2 汽轮机的基本做功原理2.2.1 级的基本结构和工作原理 • 例如：级的湿汽损失 1．产生原因： • 蒸汽进入湿蒸汽区域工作 • 部分蒸汽凝结成水，使作功蒸汽流量减少； • 蒸汽携带水滴流动耗功（蒸汽动能减少）； • 水滴反向撞击动叶片（作负功，水蚀：绘图说明其产生、危害部位等） • 蒸汽来不及凝结而未放出汽化潜热，从而造成过冷损失 2、湿汽损失的计算 3、湿汽损失的危害 • 水蚀及防护

2.2 汽轮机的基本做功原理2.2.1 级的基本结构和工作原理 • 例如：级的能量转化效果（1）理想焓降 → 有效焓降（2）级内功率（3）级的相对内效率

2.2 汽轮机的基本做功原理2.2.2 多级汽轮机 1、多级汽轮机的结构类型和特点（1）按工作压力高低顺序排列的若干级组成。（2）基本类型 • 冲动式汽轮机 • 反动式汽轮机（3）汽轮机中对级的特指 • 调节级：采用喷嘴调节时，汽轮机的第一级； • 压力级：除调节级外的所有其他级。（4）按实际蒸汽流动时的依次通流位置 • 第一级：通常指调节级； • 中间级 • 次末级 • 末级：对于凝汽式汽轮机，其排汽直接进入凝汽器。

2.2 汽轮机的基本做功原理2.2.2 多级汽轮机 多级冲动式汽轮机

2.2 汽轮机的基本做功原理2.2.2 多级汽轮机 多级反动式汽轮机

2.2 汽轮机的基本做功原理2.2.2 多级汽轮机 2、多级汽轮机的工作特点级 → 汽轮机（基本做功单元）→ （完整的机械）（1）基本特点 • 大功率：百万千瓦级 • 高效率：内效率可以达到90%以上（2）构成一个完整的整体 • 考虑新的特点 • 重热现象、余速利用 • 整机的其他损失 • 轴封漏汽损失、机械损失、蒸汽流动阻力损失（进汽、排汽） • 完整的系统 • 进汽机构、汽缸转子的支承、排汽通道、抽汽管道……

2.2 汽轮机的基本做功原理2.2.3 汽轮机的变工况 1、汽轮机变工况的基本理论（1）喷嘴的变工况（2）级的变工况（3）级组的变工况（4）汽轮机的变工况 2、汽轮机变工况的主要问题（1）汽轮机进汽的调节（2）变工况下汽轮机内部各级的工作状况变化（3）汽轮机轴向推力的变化（4）变工况下汽轮机内效率的变化

2.2 汽轮机的基本做功原理2.2.3 汽轮机的变工况 3、变工况简要分析示例（1）汽轮机超负荷运行 • 汽轮机末级大量过载； • 长期运行下，可能导致汽轮机末级损坏； • 例如：某厂汽轮机末级叶片断裂，甩入凝汽器。（2）汽轮机甩负荷带厂用电或零负荷空转 • 汽轮机内部温度将发生强烈变化 • 局部强烈冷却 • 局部强烈受热 • 造成严重的热应力，损伤机组的使用寿命 • 例如：某厂汽轮机调节级、转子产生严重裂纹

2.3 汽轮机的零件结构与强度振动概述2.3.1 基本结构 1、汽轮机动叶片 • 叶顶（及附带结构） • 围带 • 整体围带 • 铆接围带 • 拉金 • 整圈松装拉金 • 部分焊接拉金 • 叶身（叶片型线部分） • 完成做功的场所 • 依据做功原理 • 冲动式叶型 • 反动式叶型 • 叶根（叶片固结于叶轮） • 各种类型的叶根结构

2.3 汽轮机的零件结构与强度振动概述2.3.1 基本结构围带

2.3 汽轮机的零件结构与强度振动概述2.3.1 基本结构各种类型的叶根

2.3 汽轮机的零件结构与强度振动概述2.3.1 基本结构例如：某末级叶片 851、905、1000、1016 （1）叶顶结构 • 拉金 • 汽封（2）叶身 • 扭叶片 • 防水蚀结构 • 表面焊硬质合金 • 其他表面处理（3）叶根 • 四叉叉型叶根 • 五叉叶根槽 • 销

2.3 汽轮机的零件结构与强度振动概述2.3.1 基本结构 2、叶轮结构 • 叶轮通常用于冲动式汽轮机 • 叶轮的外轮缘 • 加工对应于各类叶根的叶根槽 • 周向安装 • 轴向安装 • 叶轮的内缘 • 套装叶轮 • 红套工艺 • 拉杆叶轮 • 拉杆结构 • 整体叶轮 • 在转子上直接加工出叶轮

2.3 汽轮机的零件结构与强度振动概述2.3.1 基本结构 3、转子结构 • 汇聚各级功率，向外传递扭矩，是汽轮机所有转动部件的组合体 • 转子的类型 • 套装转子 • 叶轮 • 单独加工、红套 • 转轴 • 焊接转子 • 轮盘 • 单独加工、焊接 • 整锻转子 • 有中心孔 • 无中心孔 • 组合转子 • 拉杆转子

2.3 汽轮机的零件结构与强度振动概述2.3.1 基本结构整锻转子、焊接转子

2.3 汽轮机的零件结构与强度振动概述2.3.1 基本结构 4、隔板、静叶栅（1）隔板构造 • 外圈 • 用隔板套将隔板组合成一个相对组合体 • 将隔板安装于汽缸内 • 喷嘴（喷嘴的型线部分） • 完成蒸汽加速的场所 • 内圈 • 安装隔板汽封结构（2）上下中分 • 上隔板 • 下隔板（3）制造工艺 • 铸造 • 焊接

2.3 汽轮机的零件结构与强度振动概述2.3.1 基本结构焊接隔板

2.3 汽轮机的零件结构与强度振动概述2.3.1 基本结构 5、汽缸（1）进汽部分（2）汽缸缸体 • 中分结构 • 上半缸 • 下半缸 • 中分面法兰 • 多层缸结构 • 内缸 • 外缸（3）排汽结构（4）抽汽结构

2.3 汽轮机的零件结构与强度振动概述2.3.2 强度与振动 1、汽轮机强度与振动的主要问题（1）热应力 • 温差的存在 → 金属材料热胀冷缩 → 金属材料内部的热膨胀不均匀，或零件受外部约束 → 被约束的材料处于压应力、施加约束的材料处于拉应力状态 → 热应力（2）热变形：热胀冷缩的宏观表现。 • 弹性变形 • 塑性变形（不可恢复）：汽缸变形、转子热扰曲等（3）热膨胀： • 滑销系统 • 胀差（4）热疲劳 • 汽轮机启动、停机或负荷的变化 → 热应力变化 → 热应力循环 → 热疲劳（低周疲劳，引起较大的机组寿命损耗）

2.3 汽轮机的零件结构与强度振动概述2.3.1 基本结构（5）高温蠕变 • 当材料温度大于一定值后，即使受力后应力远小于常温下弹性变形极限，仍会产生塑性变形的现象 → 蠕变 • 其结果可导致：叶片的变形伸长，汽缸连接螺栓的应力松弛紧力下降引起中分面漏汽等。 • 高温蠕变曲线 • Ⅰ 蠕变开始阶段 • Ⅱ 均匀蠕变阶段 • Ⅲ 蠕变断裂阶段

2.3 汽轮机的零件结构与强度振动概述2.3.2 强度与振动（6）静强度分析（受力不随时间而变化） • 最危险的工况：最大受力状态 • 最危险的截面 • 最危险的点（7）动强度分析（受力随时间而变化，最简单的就是周期性变化的力） • 交变力 → 交变应力 → 疲劳（高周疲劳） → 材料力学、断裂力学中关于裂纹的扩展等 • 但对动应力的计算目前尚存在较大的困难，如激振力的大小、振动与共振等。（8）刚度 • 如低压缸因刚度不足而变形、轴承座刚度不足引发的振动等。

2.3 汽轮机的零件结构与强度振动概述2.3.2 强度与振动（9）振动 ①振动现象 • 静止部件 → 在交变力作用下也可表现出一定的振动 • 运动部件 → 旋转部件：动叶片、叶轮、转子等 ②分析方法： • 部件固有频率 • 激振力频率 • 共振

2.3 汽轮机的零件结构与强度振动概述2.3.2 强度与振动 2、汽轮机叶片强度与振动（1）主要受力 ①离心力：叶片本身质量及附件 ②汽流作用力 • 稳定部分 • 交变部分 ③温度变化（2）产生的应力 ①离心拉应力 ②弯应力 • 离心弯应力（离心偏心拉伸）→可以忽略 • 汽流弯应力（重要性） ③扭转应力 ④热应力（温度）

2.3 汽轮机的零件结构与强度振动概述2.3.2 强度与振动（3）叶片的振动 ①叶片所受的汽流激振力分析 • 高频激振力 • 低频激振力 ②叶片固有振动分析 • 振型分析 • 频率分析（4）叶片强度与振动的校核 ①静强度 ②振动 • 调频叶片、不调频叶片 • 频率分散度 • 频率避开率 • 安全倍率

2.4 汽轮机的调节、监测、保护概述2.4.1 汽轮机调节 1、汽轮机调节系统的基本构成与原理（1）调节系统的基本功能 • 自动调整机组功率与外界负荷相适应，保持供电品质 • 核心参数：汽轮发电机组的转速 • 转速控制 • 负荷控制（2）机械液压式调节系统的基本构成 • 转速感受机构 • 传动放大机构 • 配汽机构 • 控制对象：汽轮发电机组 • 反馈 • 同步器

2.4 汽轮机的调节、监测、保护概述2.4.1 汽轮机调节

2.4 汽轮机的调节、监测、保护概述2.4.1 汽轮机调节 2、汽轮机调节系统的静态特性（1）调节系统静态特性曲线 • 表示机组的功率与转速之间的一一对应关系 • 转速变动率 • 一次调频（2）调节系统迟缓现象 • 迟缓率（3）同步器 • 二次调频

2.4 汽轮机的调节、监测、保护概述2.4.1 汽轮机调节 3、汽轮机调节系统的动态特性（1）调节系统的稳定型（2）系统动作的过渡过程（3）主要控制对象： • 汽轮发电机组的转速（4）主要影响因素 • 转子飞升时间常数 • 中间容积时间常数 • 油动机时间常数 • 转速不等率 • 迟缓率

2.4 汽轮机的调节、监测、保护概述2.4.2 汽轮机数字电液调节控制系统

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