第三章汽轮机原理
第一节汽轮机级的工作原理
一、概述
(一）汽轮机设备的组成和作用
汽轮机是将蒸汽的热力势能转换成机械能，借以拖动其他机械旋转的原动机。
为保证汽轮机安全经济地进行能量转换，除汽轮机本体外，尚需配置若干附属设备。汽轮 机及其附属设备通过管道和阀门等附件连成系统，再由各种功能的系统组成一整体，称汽轮机 设备或汽轮机装置。
图3-1是汽轮机设备的组合示意图。
主蒸汽
图3-1汽轮机设备组合示意图
1—主汽门2—调节阀3—汽轮机4一凝汽器5—抽气器6—循环水泵
7—凝结水泵8—低压加热器9一除氧器10—给水泵11—高压加热器
具有较高压力和温度的蒸汽经主汽门、调节阀进人汽轮机。由于汽轮机排汽口处的压力低 于进汽压力，在这个压力差的作用下蒸汽向排汽口流动，其压力和温度逐渐降低，将一部分热 力势能转换为机械能，最后从排汽口排出。汽轮机的排汽仍具有一定的压力和温度，因此仍具 有一定的热力势能，这一部分能量没有转换成机械能，称为冷源损失。排汽的压力和温度越 高，它所具有的能量就越大，冷源损失所占比例也就越大。为了减少冷源损失，提高蒸汽热力 循环的效率，常采用凝汽设备来降低排汽的压力和温度，此时汽轮机的排汽排人凝汽器，在较
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低的温度下凝结成水，由凝结水泵抽出供锅炉继续使用。为了吸收排汽在凝汽器内凝结时所放 出的热量，保持较低的凝结温度，必须用循环水泵不断地向凝汽器供应低温冷却水。由于汽轮 机的尾部及凝汽器其内部压力低于外界大气压力，故周围的空气会漏入，必须用抽气器将其抽 出，否则会使凝汽器内的压力升高，从而导致冷源损失增大。凝汽设备由凝汽器、凝结水泵、 循环水泵和抽气器组成。除特殊用途的背压式汽轮机外，所有的汽轮机都配有凝汽设备。
(二）汽轮机的基本工作原理
汽轮机以蒸汽为工质，并将蒸汽的热能转换为机械功。蒸汽在汽轮机中将热力势能转换成 机械功的全过程是需要在喷嘴叶栅和动叶栅内共同完成的，一列喷嘴叶栅和相应的一列动叶栅 便组成了汽轮机中能量转换的基本单元，称为‘级’。一台汽轮机可由一级或若干级串联组合 而成为单级汽轮机或多级汽轮机。
蒸汽在汽轮机中的能量转换包括两个过程。首先，当一定温度和压力的蒸汽经过喷嘴叶栅 时，将热能转换成蒸汽高速流动的动能；然后，当高速汽流
经过动叶栅时，将动能转换成转子旋转的机械能，从而完成
利用蒸汽热能驱动各类机械做功的任务。
图3-2是汽轮机的结构示意图。蒸汽在固定不动的喷嘴
中流动，其压力降低，流速增加，将蒸汽的热力势能转换成
动能。从喷嘴出口喷出的高速汽流，进入动叶流道，在流动
过程中对动叶产生作用力，推动其作圆周运动，带动叶轮和
轴旋转，对外做机械功。
二、蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程
(一）蒸汽在喷嘴通道中的流动过程蒸汽在喷嘴中进行能量转换要具备两个必要条件，即蒸汽的能量条件和喷嘴的结构条件。所谓能量条件就是蒸汽必 须具有一定的热力势能，且喷嘴进口处的压力要高于出口处的压力。蒸汽在这个压力差的作用 下流过喷嘴，压力和温度逐渐降低、体积膨胀，比体积增加，焓值也随之降低，而其流速则相 应增大，这样就将热能转换为高速流动的动能。由于这个能量转换过程的时间很短，所以蒸汽 向其外部的传热量在整个能量转换中所占比例极小，因此，这个过程可认为是等熵（绝热〉 过程。
蒸汽在喷嘴流道中流动时，由于汽流和喷嘴流道之间、汽流各部分之间存在摩擦，使喷嘴 出口蒸汽的实际平均速度小于理想速度，实际平均速度与理想速度的比值称为喷嘴速度系数， 其大小应通过实验求取，一般情况下喷嘴速度系数为0丨95 ~0丨97。
为了将热力势能最大限度地转换为高速流动的动能，喷嘴流道应符合以下要求：喷嘴流道 各截面的面积变化必须满足连续流动的要求，应与蒸汽压力和比体积的变化相适应；为使喷嘴 出口的高速汽流能顺利进入动叶流道继续进行能量转换，喷嘴流道应像动叶一样布置成环形， 且使喷嘴出口的汽流方向与动叶运动平面之间有一个较小的夹角；喷嘴片横截面的形状应设计 成流线形，外表要有较低的表面粗糖度，以减少喷嘴损失。
(二）蒸汽在动叶通道中的流动过程
动叶是蒸汽由热力势能转换为机械功的主要环节，动叶栅镶装在叶轮上，叶轮装在轴上， 共同组成汽轮机的转子，完成能量由热力势能转换为机械功。
在叶轮的外缘均布着许多叶片，组成一个环形叶栅，其平均直径和高度与对应的喷嘴叶栅
图3-2汽轮机结构示意图 1 一轴2—叶轮
3—动叶4 一轴承5—喷嘴
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近似相等，在能量转换过程中它绕轴作圆周运动，故称动叶栅。组成动叶栅的叶片称动叶片。
由于固定在转子上的动叶在作圆周运动，所以，从喷嘴喷出的高速蒸汽流入动叶栅和从动 叶栅流出时，与动叶栅间都存在着相对运动。其相对速度V、绝对速度0和叶栅圆周速度“之 间的矢量关系，可用速度三角形来表示。图3-3表示了动叶栅的进口出口速度三角形。
与喷嘴叶栅类同，蒸汽在动叶栅内的流动过程中
也因摩擦等原因产生能量损失，称为动叶损失；也需
要有较好的形线、排列和较低的表面粗糙度以减少能
量损失。
轮周功率：是指单位时间内蒸汽冲击叶栅使其做
出的机械功，是汽轮机级的基本功率。
轮周效率：是评价蒸汽在叶栅中能量转换的有效
程度，级的最佳能量转换能力就是指在最高轮周效率
下的级所转换的理想能量。影响轮周效率的因素有喷
嘴速度系数、动叶系数、喷嘴出汽角和速度比等，其图~动叶栅进出口速度三角形
中速度比对轮周效率的影响最大。一旦确定了动叶栅的尺寸和转子转速，也就确定了动叶栅的 圆周速度，此时要想保证级在最佳速度比下工作，就需确定相应的蒸汽在该级的焓降〔即相应 的蒸汽速度若速度比偏离最佳值，轮周效率就会降低。
三、冲动式与反动式汽轮机
(一）级的分类
从喷嘴喷出的高速汽流进入动叶栅，对动叶栅产生一个冲击力；如果蒸汽在动叶栅内仍继 续膨胀，并以较高的速度排出动叶栅，此时还对动叶栅产生一个与汽流方向相反的反击力。这 就产生了“冲动”与“反动”的概念。
根据蒸汽在级内能量转换过程的差异，级可分为冲动级和反动级两大类，也可细分为纯冲 动级、冲动级、反动级和速度级。其中前三种级统称为单列压力级，以与速度级相区别。这几 类级的能量转换过程的主要区别在于蒸汽在动叶栅内的膨胀程度不同，此膨胀程度通称为 “反动度”。
为了说明汽轮机某一级中蒸汽在动叶道内的膨胀程度，常用级的反动度广来表示。级的平 均反动度是指蒸汽在动叶道内膨胀时所产生的理想焓降和整个级的理想焓降之比：
式中口^平均反动度；
I―蒸汽在级内总的理想焓降〈；
^―蒸汽在动叶栅中的理想焓降〈。
图3-4表7？：了蒸汽在级中的热力过程，图3-5表所了级的结构水意图。
纯冲动级：反动度在其动叶栅中仅利用蒸汽射流的冲击力做功，蒸汽在动叶栅中 不再膨胀。
冲动级：反动度^在0.05 ~0^ 35之间，主要利用蒸汽冲击力做功，但在动叶栅中还有一 定程度的膨胀。
反动级：反动度9=0.5，蒸汽在固定叶栅（导向叶栅）中膨胀一半，另一半在动叶栅中 进行。
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^1
匕）
图3-4蒸汽在级内的热力过程
0纯冲动级4冲动级幻反动级
图3-5级的结构示意图
冲动级卜）双列速度级幻反动级
1一轴2—隔板3—喷嘴叶栅4一汽缸5—动叶栅
6—叶轮7—喷嘴室8—导向叶栅9 一转鼓
双列速度级：它由喷嘴叶栅、导向叶栅和两列动叶栅组成。速度级因直接利用蒸汽的速度 动能获得较大机械功而得名。它用一列导向叶栅来控制汽流方向，在其后加装第二列动叶栅，利用余速推动其做功。双列速度级由于增加了导叶损失和第二列动叶损失，故其最高轮周效率 比单列冲动级低。但在现代汽轮机中，为了减少级数，简化结构，汽轮机通常都采用双列速度 级作第一级。
(二）反动式汽轮机
多级反动式汽轮机断面示意见图3-6。
反动式汽轮机一般都设计成多级的，但各反动级的工作原理完全相同，新蒸汽由蒸汽室进 入汽轮机，在第一级静叶栅中膨胀，压力下降（温度也下降〉，速度增加，然后进入第一列动
叶栅，并依靠冲动作用推动叶轮转动。另
外，在动叶栅里蒸汽继续发生膨胀，压力
继续下降，并借助对动叶栅的反冲作用进
一步推动叶轮旋转。蒸汽就这样依次流经
每一级，其间参数不断发生变化，直至流
出末级动叶栅，离开汽轮机而由排汽管排
出。在整个汽轮机内，蒸汽的容积随着压
力的降低而增大，因此叶片高度也必须相
应增加。
在近代喷嘴调节的反动式汽轮机中，
所有叶片也不全是反动级，其第一级往往
采用双列复速级或单列冲动级，用以适当
减少级数和适应喷嘴调节的要求。
(三）冲动式汽轮机
最简单的单级冲动式汽轮机的结构见
图 3-7。
新蒸汽进入喷嘴，在喷嘴内膨胀，压
力降低，速度升高，然后流入动叶栅，在
动叶栅里汽流只改变流动方向而不继续膨胀，依靠冲力的作用将一部分动能转变成回转机械 能，而汽流的速度也下降并通过排汽管排离汽轮机。单级汽轮机由于功率小、效率低，所以仅 用来驱动小型的回转机械。
(四）级内损失
蒸汽在流动过程中除喷嘴损失、导叶损失、动叶损失外，对于不同结构形式的级，在不同 的工作条件下，还将产生叶轮摩擦损失，泄漏损失、部分进汽损失、撞击损失以及湿汽损失 等。下面分别介绍这些损失。
1.叶轮摩擦损失汽轮机的工作叶轮高速旋转，使其轮面与两侧蒸汽产生摩擦，克服它 所消耗的机械功称为叶轮摩擦损失。实验研究的结果，叶轮摩擦损耗的功率与轮缘外径成5次 方的关系，而与转子转速成2次方关系，与蒸汽比体积成反比关系，与蒸汽的粘度、叶轮表面 粗糙度以及叶轮两侧空间尺寸等也有一定关系。
2^动叶栅的损失动叶栅损失是由各种原因引起的，如喷嘴的尾缘损失。蒸汽从喷嘴出 来，进人喷嘴与动叶栅之间的环形空间，刚从喷嘴中出来时，蒸汽是相互独立的射流，但离开 喷嘴后就相互混合，形成均匀汽流，最后形成旋涡，造成湍流损失，叫做脱离喷嘴损失，从而 影响其速度，使速度系数值降低，使进入动叶栅的汽流紊乱而导致动叶栅中的损失。
3^部分进汽损失若配汽方式采用部分进汽，则上述脱离喷嘴损失更显严重，在未布置 喷嘴的弧段上，不但没有汽流推动动叶栅，而且它还要带动蒸汽旋转，使汽流混乱而消耗动 能。当进人布置有喷嘴的弧段时，汽流还要冲开停滞在动叶栅中蒸汽，又要消耗动能，这些损 失统称为部分进汽损失。
4丨撞击损失蒸汽在进入动叶栅通道前，碰到动叶片的前缘，引起汽流紊乱而造成能量 损失，此项损失与动叶片的人口叶形有关。
5^蒸汽泄漏损失在级内固定的喷嘴叶栅（或导向叶片〉与动叶栅之间必须留出间隙，以83
I I .1 I ^ 丨丫丨丫吖丨飞
。1丨丨丨丨丨丨!乂蒸汽蒸汽的比烚 绝对速度 蒸汽压力流向凝汽器图3-6多级反动式汽轮机断面示意图 1一鼓筒式转子2―动叶挪3—静叶栅4一气缸 5—连接管6—平衡活塞7—蒸汽室
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防动静部分之间产生摩擦，如隔板内孔与主轴之间、动叶栅顶
端与汽缸之间、喷嘴叶栅与转鼓之间都留有间隙，蒸汽在间隙
两侧压差作用下泄漏造成损失，也叫级间泄漏损失。为减小泄
漏损失，常在间隙处加装汽封。
6^湿汽损失蒸汽含水多发生在汽轮机膨胀已进入饱和蒸
汽区及湿蒸汽区，由于水分子的质量远大于蒸汽，因此当蒸汽
膨胀加速时，水分子所获得的速度远比蒸汽速度小，两者之间
发生摩擦和撞击消耗部分动能。在进人动叶栅时，水分子的相
对速度方向角与蒸汽的方向角相差很大，因而蒸汽可顺利地进
入叶片的腹部，推动叶片做功，而水分子却撞击在叶片的背弧
上，起制动作用，而且撞击后发生的水滴散射，又加剧了与蒸
汽之间的摩擦，造成动能消耗，所有这些消耗统称为湿汽损失，
或叫蒸汽含水损失。这类损失在湿度大的低压缸比较显著。
水滴撞击叶栅而造成叶片人口边缘损伤，称为冲蚀，冲蚀
的后果使叶片表面变粗糙，长期冲蚀会造成叶片损伤而引起事
故。对含湿量大的汽轮机〈如核电厂以饱和蒸汽作工质的汽轮
机)此问题更为突出。
防护措施是：一方面限制蒸汽湿度在14^范围内（通
常典型运行规程规定蒸汽含湿量不得超过13^〉，还可在结构
上采用去湿设施，如去湿槽、吸湿缝等；另一方面可增强叶片
的表面硬度，常用的方法有表面镀铬、淬硬、电火花强化、氮
化、镶焊“司特利”合金片等。1.扇形损失由于环形喷嘴叶栅与动叶栅都有一定的高度，而组成叶栅的叶片又是等截面直线形的，从理论上讲，在叶栅
上只有某一高度截面上由喷嘴出来的方向角与动叶栅入口方向
角是与设计一致的。而在其他各点上，由于蒸汽质点作圆周运动时产生的离心作用，使叶片高 度方向上压力分布不一致（叶顶处压力大于叶根处〕，每个截面的焓降不一致，相应的喷嘴出 口速度也不一致；从而引起各截面上的速度三角形变化，这就难免引起蒸汽撞击损失，这些现 象造成的损失，其原因在于叶栅结构为环形〈其局部为扇形〉，因此把这类损失统称为“扇形 损失”。扇形损失与叶片高度有关，叶片越高则此项损失越大。一般地说，当叶轮直径X 叶片 高度〉10时（如高压缸的叶片〉，扇形损失较小；当叶轮直径叶片高度〈8时〔如中大型机组 的末级组叶片〉，扇形损失明显增大。此时需采用扭转叶片（把叶片沿高度方向分成若干截面 分别进行计算来确定其型线，因此整个叶片呈扭转状）以减少损失。
需要强调的是，上述各项损失并不都同时发生在每一个级上，各项损失的影响程度也因所 处部位不同而不同，例如，处于过热状态的高压段叶片，就不会有湿汽损失，其扇形损失也很 小，需要具体分析具体对待。
(五）级的内功率和效率
1.级的内功率根据能量守恒定律，1化蒸汽在级内所转换的理想焓降及,减去级内可能 产生的各项损失2^匕便是级内转换的净功丨I ，见式
蒸汽压力蒸汽绝对速度图3-7单级冲动式
汽轮机的断面示意图
1 一轴2—叶轮3—叶片
4 一喷嘴5—汽缸6—排汽管
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式中^^级内转换的净功（口/#);
^51^蒸汽在级内所转换的理想能量〔；
I：八/1—级内可能产生的各项损失（口/竑）。
单位时间内通过级的全部蒸汽所转换的净功为级的内功率，以户3；表示，见式口-^)
4=0凡’0-3 ^式中4^级的内功率〔1^0；
1蒸汽的质量流量；
^^蒸汽在级内的有效焓降〈。
1级的内效率蒸汽在级内所转换的净功与所消耗的理想能量之比为级的内效率，以7？5；表兩,见式〈3-4〉
0-4^因此，级的内功率还可表示为
尸3！^卩凡V。
上述级的内功率和内效率的概念如用在动叶栅上，即称为轮周功率和轮周效率。但由于既 包含静叶（喷嘴〕又包含动叶的‘级’能比较完整地表达能量转换过程，所以用级的内功率和 内效率比用轮周功率和轮周效率更能体现汽轮机一个基本单元‘级’的能量转换的完善程度。
思考题
1.汽轮机‘级’的构成及在能量转换过程中所起的作用是什么？
1汽轮机‘级’是如何分类的？什么是冲动级、反动级和双列速度级？
3^‘级’的损失有哪几种？各自的物理含义是什么？
4^级的内功率和内效率的定义是什么？如何计算？
第二节多级汽轮机
一、多级汽轮机的技术特点~
单级汽轮机更多的是作为理论分析的单元，实际应用的绝大多数是多级汽轮机。
(一）多级汽轮机的优越性
1.提高单机功率为了增大汽轮机的容量，即提高汽轮机的单机功率，除应增大进入汽 轮机的蒸汽量之外，还必须让蒸汽在汽轮机中具有较大的质量焓降。如果仍然制成单级汽轮 机，质量焓降增大后，喷嘴出口气流速度必将增大。为使汽轮机级在最佳速度比附近工作以获 得较高的级效率，圆周速度和级的直径也必须相应增大，但它受到叶轮和叶片材料强度的限 制。因此，为保证汽轮机的高效率和增大汽轮机的单机功率，就必须把汽轮机设计成多级，使 很大的蒸汽质量焓降分别由汽轮机的各级逐级利用而每级的焓降并不大，这样可使各个级都在 最佳速度比附近工作，而它的直径和圆周速度都较小，使叶轮和叶片能在其离心力小于材料强 度所允许的情况下工作。
2^提高循环热效率多级汽轮机的质量焓降可以比单级汽轮机增大很多，因而多级汽轮 机的蒸汽初参数可大大提高，排汽压力可以降得很低，还可采用多级回热系统和中间再热，所 以多级汽轮机的循环热效率大大高于单级汽轮机。
3^提高汽轮机的相对内效率
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0多级汽轮机在设计工况下每一级都在最佳速度比附近工作，这就使它比单级汽轮机的 相对内效率高。
2〉单级汽轮机的余速不能被下一级利用，而多级汽轮机，除调节级及本汽缸的最末级 外，多级汽轮机其他各级的余速动能一般都可被下一级利用，因此提高了整个汽轮机的内 效率。
3〕多级汽轮机各级的质量焓降较小，在速比一定时，级的圆周速度和平均直径也都较 小，在容积流量相同的条件下，叶高损失减小，喷嘴流动效率提高。
4〉多级汽轮机上面级由于损失所转化成的热量可以部分地被下面的级所利用（这种现象 称为重热现象〉，使全机相对内效率提高。
4^降低汽轮机单位功率的投资虽然由于级数多，结构复杂，使整台机组的制造总成本 提高，但多级汽轮机的单机功率远远大于单级汽轮机，所以多级汽轮机组单位功率的造价、材 料消耗和占地面积都比单级汽轮机减小，容量越大减小得越多，这就使多级汽轮机单位功率的 投资大大减小。
由于多级汽轮机的效率比单级汽轮机高得多，所以多级汽轮机单位功率的能耗也低于单级 汽轮机。
总之，多级汽轮机远优于单级汽轮机，由于它具有效率高、功率大、单位功率投资小等突 出优点使得它在工业上得到广泛应用。
(二）多级汽轮机的结构
图3-8为汽轮机的总体布置图。
多级汽轮机的结构较复杂，不同汽轮机制造厂也各有其结构特点，下面仅就一些典型结构 作介绍。
1.通流部分多级汽轮机由若干级组成，从总体上可分为汽缸、转子、轴承座和盘车装 置等几部分。
转子由叶轮和主轴组成，汽轮机的各级叶轮沿轴向依次装在轴上，一般是将叶轮加热到一 定温度后套装到轴上，由于冷缩而紧固在轴上，称为热套；对直径小的叶轮可与轴锻成一体,组成转子。
转子由支持轴承和推力轴承支撑定位，轴承置于轴承座内。
汽缸是汽轮机的外壳，近似为圆锥体，由进汽部分、汽缸体和排汽室组成，形成能量转换 的空间，各级隔板和叶轮都置于汽缸体内。进汽部分装有喷嘴室，第一级的喷嘴叶栅固定在喷 嘴室的出口。转子穿出汽缸的部分装有轴封体，与转子对应段构成轴封。汽缸底部开有若干个 抽汽口，从级间抽出部分蒸汽，供内部热力系统和外部用户使用。为了将转子方便地放入汽缸 和轴承中，汽缸、隔板套、隔板、轴封体、轴承和轴承座等均沿轴线水平剖分成上、下两部 分。除隔板和轴瓦外，它们的上、下两部分都通过水平法兰用螺栓紧固，以保证接合面的严密 性和承载能力。高参数大功率凝汽式汽轮机内蒸汽的焓降很大，级数较多，为了增加汽缸和转 子的刚度，需采用多缸结构，备转子分别由轴承支撑，用联轴器连成一个整体。
1轴承汽轮机的轴承通常采用落地式，放置在基础台板上。有些机组低压排汽端或 低压转子的轴承座与排汽室焊成一体。调节保护系统的一些部件和主油泵等布置在前轴承箱内。
3^盘车装置在起动前或停机后用于缓慢转动转子，防止转子因受热不均匀而产生热弯 曲。盘车装置通常固定在低压转子轴承座的上盖处，盘车齿轮固定在相应的联轴节上。
半
10
0方0 7往
低
报
加
热
器:往低也加热器 往^职加热器^段)
往低压加热器〈4段
)往除铽器〔3段) 往高压加热器〔2段〕找^^加热
器
〔
丨段)图3-8
0 5 2 3
11^
线器
~2300^5350~汽轮机总体布置图
往
低
压
加
热
器
6
、
7
段
)
00
88
4调节装置调节装置的任务是：在发电系统中使汽轮发电机组保持稳定的转速；在工 艺系统中满足压缩机等工作机械经常改变转速的需要；对抽汽式汽轮机，还要满足外界对抽汽 压力的要求。
调节装置主要由传感机构、传动放大机构、执行机构组成。传感机构感受机组的转速X压 力变化并转变为其他物理量（油压或电信号）？传动放大机构把从传感机构接受到的信号进行 放大并传送给执行机构，同时发出反馈信号；执行机构按接受到的经放大的信号而动作，来改 变需调节机构的开度，达到设定的调节目的。
5^保护装置为确保汽轮机的安全运行，防止设备损坏，除调节系统需可靠工作外，汽 轮机还需配置各种保护装置，以便在机组遇到事故或出现异常时能及时动作，避免造成设备损 坏或事故扩大。每台汽轮机所配置的保护装置的类型和数量，因机组类型、容量、运行条件等 不同而有所差异，其主要保护装置计有：
〈0超速保护装置。超速保护常称危急保安器7危急遮断器，当转速增大时，汽机转子所 承受的应力将迅速增加，如转速升高到不能允许的数值，将导致汽机设备的严重损坏。当汽机 转速超过一定限度〈一般规定是额定工作转速的112^0时，保护装置动作，迅速切断向 汽轮机的供汽。
^轴向位移保护装置。在汽机运行中，若转子轴向推力过大或供油中断，有可能造成 推力轴承巴氏合金熔化，进而使转子产生较大的轴向位移，导致动静部分摩擦，造成严重事 故。因此，在汽轮机上装有轴向位移保护装置，它可以在转子轴向位移达到一定数值时首先发 出报警信号，当轴向位移再增大到某一危险值时保护装置动作，自动停机。
低油压保护装置。润滑油压过低将会使汽轮机轴承不能正常工作，严重时不但会损 坏轴瓦，而且可能造成动静部分摩擦等重大事故。因此，在汽轮机润滑油系统中须装设低油压 保护装置。
(三）提高单机最大功率的途径
1.关于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 功率称为该汽轮机的极限功率。单排汽口凝汽式汽轮机的功率主要受最末一级动叶叶片材料强 度的限制。
2^提高单机最大功率的途径
(”提髙新汽参数。使全机理想质量焓降增大，以及降低凝汽器真空使末级排汽比体积 减小，都可使极限功率增大。汽轮机的初终参数涉及材料、投资等因数，需根据整个机组的技 术经济比较来确定。
〔2〕采用高强度、低密度材料。例如，钛基合金的密度只有不镑钢材的577。；超硬铅合 金材料1^4，其密度仅为一般不锈钢材料密度的359^，而其屈服极限仏2 450似？3。使用这 些材料均可使末级叶片高度增加，从而增大极限功率。
采用低转速。转速如降低一半，固然可使极限功率增大4倍，但也会派生出其他问 题，如：汽轮机级的直径和速比不变时，每级质量焓降将减为1/4级的理想质量焓降与转速 的平方成正比〉，全机级数和钢材耗量增加；或者各级质量焓降不变，则级的直径将增大一 倍，使汽轮机尺寸和钢材耗量增加。
(⑴增加汽轮机的排汽口。增加单机功率的最有效措施是增加汽轮机的排汽口，采用双 排汽口就可使单机功率比单排汽口增大一倍左右，还可采用四排汽口。这是目前国内外大型机 组普遍采用的办法。
89
(四）关于临界转速
当汽轮机转子（实际是轴系〕的转速升高到某转速时，转子会发生强烈振动，.轴承座的振 幅明显增加；当转速继续升高时，振幅反而减小；转速再继续升高，振幅又增加，转速再高,振幅又减小；在工程中，把出现振幅峰值的转速称为转子临界转速，依次称为第一、第二、…临界转速。
当汽轮机工作转速与临界转速重合时，将产生共振，所以应当使汽轮机的工作转速离开临 界转速一定范围，并使汽轮机的工作转速不要频繁穿越临界转速。汽轮机转子以工作转速是高 于还是低于第一临界转速可分为挠性转子和刚性转子两大类，工作转速高于第一临界转速的转 子称为挠性转子，工作转速低于第一临界转速的转子称为刚性转子。
发电用的汽轮机，属于定速汽轮机，由于汽轮发电机轴系长、支点多，其第一临界转速值 多半低于工作转速，属于挠性转子。汽轮机在达到额定转速前将穿越临界转速，所以汽轮机在 起动升速过程中，必须快速通过临界转速，以免产生共振。这种现象只在机组起停时才发生。
对于非定速汽轮机，如驱动压气机、水泵、风机等用的汽轮机，其工作转速并非固定不 变，而是在一个较宽的区间内摆动，如果是挠性转子，在运行过程中将频繁穿越临界转速，容 易产生共振，对机组运行安全极为不利。所以对这类工业用汽轮机应该注意尽量选用刚性转 子。此类汽轮机功率较小，级数少，轴系短，本身的临界转速值较高，一般都可在70001/11^ 以上，比较容易成为刚性转子。
对挠性转子的工作转速介于第一临界转速与第二临界转速之间，则临界转速宜 满足下列要求
1.4…彡卩0彡0‘7/^2 ^
对刚性转子，第一临界转速一般应为
?〔1^25 ~ 1‘8〉几。
二、汽轮机及其装置的评价指标
热力发电厂的生产过程实际上是一系列的能量转换过程。在汽轮发电机组中，通常用各种 指标来评价整个能量转换过程中不同阶段的完善程度。效率通常分为相对内效率和绝对内效率 两大类：以全机理想质量焓降尺为基准来衡量设备完善程度的效率称为相对内效率；以整个 循环中加给蒸汽的热量为基准来衡量热能有效利用程度的，称为绝对内效率。下面介绍一 些常用的指标。
^一〉相对内效率
相对内效率^是指I#蒸汽在该工作单元中所转换成的有效功取与所消耗的理想能量只之比，见式(^-斗）
V；蘭(^)
式中仏^相对内效率；
^蒸汽所转换成的有效功〔4；
只―所消耗的理想焓降〔。
如该工作过程中的各项损失是2相对内效率也可表述为式0-6〕
根据不同工作单元得出其相应的相对内效率，如：相对级效率、相对高压缸效率、相对低 压缸效率、机组相对内效率等。
(二）绝对内效率
90
实际上，在汽轮机装置的整个循环中，为了使I#蒸汽具有做功所具有焓降，需要加给1畦 汽的热量远比其做功的焓降大得多，这主要是因为整个热力循环中存在着很大的冷源损失，即被 燃料加热的蒸汽，它的很大一部分热量在凝汽器中被循环水带出热力循环之外而未被利用。
如1知蒸汽在该工作单元中所转换成的有效功为取，而所消耗的热量为I则绝对内效率 可表不为式〔3-7〉
請0-1^式中V！^绝对内效率；
^^蒸汽所转换成的有效功（酊）；
尺^所消耗的热量〈4〉。
绝对内效率，对汽轮发电机组也称绝对电效率，在实际中的应用并不多，用得较多的是热 耗率。
(三）热耗率
每生产化见^ 11电能所消耗的热量称为热耗率，以9来表示，见式
9=4(60-0
式中9―热耗率馨10〕；
4^汽轮机组的汽耗率[&^/([见^ 11)1；
、一一进入汽轮机的新蒸汽质量焓(口/化）；
^―离开汽轮机的主给水质量焓(卜】/#)。
绝对内效率和热耗率的物理含义是一样的，只是前者用效率形式表示，后者是用热量形式 表亦。
^所以，相对内效率侧重评判的是设备的设计和制造水平，绝对内效率侧重评判的是燃料热 量的有效利用程度，电站设计工作者应该根据情况灵活运用。例如，我们可以用相对内效率来 评估不同厂家的同型机组，不同厂家机组的同型部套，一台机组的各部件等的优劣。又如，一 台大容量高参数的凝汽式汽轮发电机，它的相对内效率肯定高于容量小、参数低的背压式汽轮 机，但由于背压式汽轮机没有冷源损失，它的热耗率（燃料利用率〉有可能会优于大容量高参 数的凝汽式汽轮发电机组；而一台小型中压参数的抽汽凝汽式机组，虽然有供热抽汽减少了部 分冷源损失，但蒸汽参数低，相对内效率低，而使它的热耗率也可能比不上亚临界参数大容量 的凝汽式汽轮发电机，所以要具体情况具体分析。
(四）汽耗率
每生产“V ^ 11电能所消耗的蒸汽量称为汽耗率，见式
式中在^汽耗率[[…挪^卜）];
0^汽轮机进汽量08/4；
^汽轮机发出的功率(卜见）。
对于初终参数不同的汽轮机，即使功率相同，但它们消耗的蒸汽量却不同；对于不同类型 的供热式汽轮机它们消耗的蒸汽量更是不同。所以，汽耗率不适宜用来比较不同类型机组的经 济性，但可用它对同类型同参数汽轮机的运行管理水平作评价。
上面所介绍的热耗率和绝对内效率概念，都是衡量汽轮发电机组经济性的主要指标，但它 们均未考虑锅炉效率、管道效率以及厂用电等因数。因此，整个发电厂的绝对电效率要比汽轮 发电机组的绝对电效率低；或者说，整个发电厂的热耗率则比汽轮发电机组的热耗率高。
91
为了提高汽轮机装置的热经济性，一般从两个方面着手：一是提高循环效率，如提高蒸汽 初参数，设置回热加热并增加其级数，采用一次再热甚至二次再热等；二是提高机内效率，如 合理减小动静间隙，精心设计叶片型线，提高加工精度，降低表面粗糙度等。虽然不同的厂商 其研发的侧重点不相同，但其综合效果都将反映在热耗率上。
目前世界各国汽轮发电机组的平均绝对电效率为309^35^，而先进的大功率机组的绝对 电效率可达407。以上。汽轮发电机组的各种效率及经济指标的大致范围见表3-1。
表3-1汽轮发电机组（凝汽式）的效率及热经济性指标
额定功率/妨双内效率机械效率发电机效率绝对电效率汽耗率“
‘匕)]
热耗率払
[^/(^ ^ 101
0^ 75 ?60丨76?0丨820‘965 ~0丨9850‘930 960〈0‘28^49^12980
12-250丨82?化850丨985 ?0’9750^ 965 ~0丨9750‘30~0丨33 4.7 ?4 112140 ~10890 50 ~ 1000丨85 ~0丨87巧0^990‘98 49850^37 ~0^ 39 3.7 ~3‘59630 -9210〉125〉0丨8799〉0‘985〉0‘41〈3.2〈8790
图3-9是某汽轮机装置的拥流和能流图。
畑流能流
^有效部分
厂用设备々
凝汽器冷汽轮机设备0^ (估计〕
流动损失
(估计^
排气
传热
空气预热器损失
276.3
损失
276.3
有效部分
燃烧
未燃烧
空气
1147.1
12賣0
图3-9汽轮机装置的佣流和能流图
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三、汽轮机的分类及选用
(一）汽轮机的分类
表3-2列出了汽轮机不同的分类方法。
表3-2汽轮机的分类
分 类类 型简要说明
按工作原理冲动式汽轮机由冲动级组成，蒸汽主要在喷嘴中膨胀，在动叶栅中只有少量膨胀
反动式汽轮机由反动级组成，蒸汽在喷嘴和动叶中膨胀程度相同。由于反动级不能做
成部分进汽，故调节级采用单列冲动级或复速级
按热力特性凝汽式汽轮机排汽在高度真空状态下进人凝汽器凝结成水。有些小汽轮机没有回热系
统，称为纯凝汽式汽轮机
背压式汽轮机排汽直接用于供热，没有凝汽器。当排汽作为其他中低压汽轮机的工作
蒸汽时，称为前置式汽轮机
调节抽汽式汽轮机从汽轮机某级后抽出一定压力的部分蒸汽对外供热，其余排汽进人凝汽
器。由于热用户对供热蒸汽压力有一定要求，需要对抽汽供热压力进行自
动调节，故称为调节抽汽。根据供热需要，有一次调节抽汽和两次调节
抽汽
抽汽背压式汽轮机具有调节抽汽的背压式汽轮机
中间再热式汽轮机进人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做功
混压式汽轮机利用其他来源的蒸汽引人汽轮机相应的中间级，与原来的蒸汽一起工作。
通常用于工业生产的流程中，作为蒸汽热能的综合利用
按汽流方向轴流式汽轮机组成汽轮机的各级叶栅沿轴向依次排列，汽流方向的总趋势是轴向的，
绝大多数汽轮机都是轴流式汽轮机
辐流式汽轮机组成汽轮机的各级叶栅沿半径方向依次排列，汽流方向的总趋势是沿半
径方向的
按用途分类电站汽轮机用于拖动发电机，汽轮发电机组需按电网频率定速运行，故也称为定速
汽轮机，主要采用凝汽式汽轮机。也采用同时供热供电的〈抽汽式、背压式）
汽轮机，通常称它们为热电汽轮机或供热式汽轮机
工业汽轮机用于拖动风机、水泵等转动机械，其运行转速经常是变动的，也称为变
速汽轮机
船用汽轮机用于船舶推进动力装置，驱动螺旋桨。为适应倒车的需要，其转动方向
是可变的
凝汽式供暖汽轮机在中低压缸连通管上加装蝶阀来调节供暖抽汽置，抽汽压力不像调节抽
汽式汽轮机那样维持规定的数值，而是随流量大小基本上按一定斜率的直
线规律变化
按进汽参数低压汽轮机新蒸汽压力小于、
中压汽轮机新蒸汽压力为2 ~4兄?^
以下称次中压〉高压汽轮机新蒸汽压力为6?10腿\
9~5^ 881\1？3称次高压）超高压汽轮机新蒸汽压力为12?14姑?往
亚临界汽轮机新蒸汽压力为16~18財？3
超临界汽轮机新蒸汽压力超过212沾？3
按功率大功率汽轮机按我国目前状况，大功率汽轮机常指2001\1双以上的汽轮机
小功率汽轮机
按我国目前状况，为251\1双以下的汽轮机此外，汽轮机还可以按汽缸数目（单缸、双缸、多缸〉、按排列方式(单轴、双轴〉等来分类。
93
(二）汽轮机类型的标识
国产汽轮机的型号表示方法是：
八八88—⑶一0
八八代表汽轮机类型
88 代表额定功率（城取）
00 代表蒸汽参数
0代表变型设计次序
我国目前制造的汽轮机类型采用汉语拼音来表示，见表3-3，蒸汽参数用数字来表示，见表3-4。
表3-3国产汽轮机类型的代号
代号类型代号类型
凝汽式08抽汽背压式8背压式船用
0一次调节抽汽式V移动式
00两次调节抽汽式
表3-4汽轮机型号中蒸汽参数的表示方法
汽轮机类型蒸汽参数表示方法示例
凝汽式主蒸汽压力主蒸汽温度腳182/535
中间再热式主蒸汽压力主蒸汽温度X中间再热温度犯00：7/537/537
一次调节抽汽式主蒸汽压力^调节抽汽压力050482瓜 118
两次调节抽汽式主蒸汽压力7高压抽汽压力X低压抽汽压力00：25182瓜98瓜 118背压式主蒸汽压力7背压850-8，82川丨98
抽汽背压式主蒸汽压力7抽汽压力7背压0825~8^8270^ 9870^ 118
例如：奶0-8.82/535，表示是凝汽式汽轮机，额定功率为50！\1见，主蒸汽参数为各.82糾？3，5351。
82/(1 98/(1 118，表示是两次调节抽汽式汽轮机，额定功率为251\1\^，主蒸汽压力 为8.821^1？；！，第一级调节抽汽压力为0丨98妨？3，第二级调节抽汽压力为0丨118妨？3。
由于驱动用工业汽轮机目前尚无统一的编号标准，各生产厂家采用的型号编制方法各不相 同。应具体参阅各厂家的产品样本。
(三）汽轮机的选用
由于汽轮机在工业领域的应用十分广泛，也难以用较少的篇幅来概括其选用原则和要求,下面仅结合有关规程作一些概略的介绍。
1.关于工业用汽轮机相对发电用汽轮机而言，工业汽轮机有：转速要求随工艺过程而 变化、运行转速较高、有防爆防尘等特殊要求、可靠性及自动化程度要求高，特别是品种规格 繁多等特点。
由于工业汽轮机的应用范围十分广泛，其结构也多种多样，根据使用场合的不同，其工作 条件差异很大，所以其功率、进汽参数、排汽参数、抽汽参数、转速、调节性能和布置方式等 也千差万别。从而其品种规格繁多，如果像发电汽轮机那样，用品种规格较少的定型批量生产 的产品生产方式，难以满足用户的需要。
针对这种情况，国外知名的汽轮机制造厂常采用‘积木’式工业汽轮机系列。所谓‘积
94
木’式是指将汽轮机部套分成为许多可以互相装配的‘块’，厂家通过计算和组合不同的 4块’来拼成用户所需要的产品。这种生产方式能较好地在性能参数、经济指标、制造成本和 价格、安全性等方面综合地满足各类工业企业的不同需求。目前国内有些汽轮机制造厂也引进 了国外先进的“积木”式工业汽轮机系列，来满足各类工业企业的不同需求。
表3-5列出了工业汽轮机的典型应用和参数范围。
表3-5工业汽轮机的典型应用和参数范围
使
用部门装置
主要被驱
动的机械
用途
典型参数
进汽压力
/咖
进汽温度功率
八双
转速
/([/爪匕）
石油化工或煤化工
合成氨
合成气压缩机
等四大压缩机
驱动或驱
动加供汽
3.7-12.5320 -5352000 ~320005000 ?12500尿素002压缩机
驱动、供
汽加补汽
3‘7~5」320 -4305000 ?85006000 ~8000乙烯
裂解气压缩机
等三大压缩机
驱动 1.5-12280 -5351500 ~180001500 ~10000甲醇
合成气
压缩机
驱动10-14500 -53520000 ?4000010000 ~12000乙醇
循环乙烯
气压缩机
驱动7.5-12450 ~5351000 ~50008000 ?12000合成纤维
合成气
压缩机
驱动3‘6~10320 -500200 ?70005000 ?10000
油田液化天然
气装置
冷冻压缩机驱动 5.5 ?6.5435 ~50030000 ?500004000 -6000
炼油厂加氢裂化装置循环氢压缩机驱动3?5300 ~4501000 ~ 20002000-9000
催化装置瓦斯压缩机1?3250 -3501000 ?25008000 ?10000 ~
冶金高炉鼓风机驱动 3.4 06.5435 ?5005000 -350003500 ?6000电力大型火电站锅炉给水泵驱动0^ 4 ~ 17. 5250 ~53830000 ?500004000-6000
煤气煤气装置煤气压缩机驱动或驱
动加供汽
3.4-40420-5002000 ?150007000 ~9000
化工制碱螺杆压缩机
食品甘蔗制糖切碎机压缩机驱动 2.5350 -450500 ~70001000以下轻工造纸造纸机驱动3-4.5360 ~400350 ?20001000以下
石化冶金等
合成氨装置、
乙烯装置、钢
厂干熄焦装置、
造纸厂等
发电机
(自备发电）
发电或发
电，供热
8~13或
1.5-10
400?535或
220 ~500
5000 ~4000 或
500 ?25000
3000 或 1500
2丨凝汽式汽轮机蒸汽在凝汽式汽轮机中做功后，全部排人压力比大气低的凝汽器中，
小型工业汽轮机有的采用这种形式。但一般凝汽式汽轮机多带非调节抽汽，即有一部分蒸汽在 中间抽出去加热锅炉给水，以提高循环效率，其余大部分蒸汽做功后排入凝汽器中凝结。凝汽 式汽轮机在电力工业获得广泛应用。
3，抽汽凝汽式汽轮机将进入汽轮机已做过部分功的蒸汽从中间抽出一股或两股供工业 用汽或取暖用汽，其余的蒸汽仍排入凝汽器进行凝结。由于这种汽轮机的抽汽要保证一定的抽 出压力，汽轮机的调节系统必须保证转速和抽汽压力同时稳定，所以这种汽轮机的全称为调整
95
抽汽凝汽式汽轮机。
4背压式汽轮机蒸汽进入汽轮机膨胀做功后以高于大气压的压力排出。该排汽可供压 力较低的其他汽轮机用汽，也可供工业或生活用汽。
5^抽汽背压式汽轮机蒸汽在汽轮机内膨胀做功过程中，其中一部分蒸汽被抽出，抽汽 压力必须加以调整使其稳定，其余蒸汽也以高于大气压力的压力排出。其调整抽汽和背压排汽 均供工业用汽或生活用汽，这类汽轮机的全称为调整抽汽背压式汽轮机。抽汽凝汽式汽轮机、背压式汽轮机、抽汽背压式汽轮机广泛用于热电联产中。
思考题
1.多级汽轮机比单级汽轮机有哪些优越性？
1多级汽轮机的组成及功用是什么？主要保护装置有哪些？
3^汽轮机装置的主要评价指标有哪些？其物理意义是什么？如何计算？
4^汽轮机的分类方法有哪些？汽轮机的标识方法及各标识符号的含义是什么？
5^汽轮机组选择时，相应规程中有哪些规定？
6：某汽轮发电机组，在额定工况时，发出功率为12000^双，主蒸汽进汽量为37.21/1！，进人汽轮机的新蒸汽 质量洽&二34790/4，离开汽机高压加热器的主给水质量焓\^11800/匕，求该机组的热耗率9。
第三节汽轮机的变工况特性
一、汽轮机的负荷特性
任何汽轮机都是按确定的进汽参数和排汽参数、一定的转速与功率设计的。如果汽轮机在 这些设计条件下运行，就具有较佳的效率与经济性，因此，这种工况通常也叫做经济工况。汽 轮机的工况随负荷而变化，在变工况运行时，所有蒸汽参数都随汽轮机的输出功率的变化而变 化。例如：汽轮机的进汽量和其理想焓降将随之变化，各回热抽汽点上的抽汽量与参数也变 化，以至于汽轮机的相对内效率等都会变化。参数的变化还会使汽轮机各零部件的受力状态也 跟着变化。这些变化可称之为汽轮机的负荷特性。
汽轮机的负荷特性涉及面很广，可以从不同的角度来分析讨论变工况特性，下面仅就与电 站设计工作关系较密切的方面进行介绍。
(一）关于费留盖尔简化公式
费留盖尔简化公式表述的是‘级组’前后蒸汽参数与流量的关系。
理论研究与实验验证：当通流部分结构尺寸都不变时，级组前、后的蒸汽参数与其流量有 如式⑶川）的关系：
式中^、？。、凡、^0^原工况下通过每一级组的蒸汽流量、级组前蒸汽压力、级组后蒸汽
压力和级组前蒸汽热力学温度；
队。、凡一久。、^^新工况下通过该级的蒸汽流量、级组前蒸汽压力、级组后蒸汽压力
和级组前的蒸汽热力学温度。
此处所谓‘级组’，是指任意的若干蒸汽流量近似相等的串联级，例如：对不带回热抽汽的纯 凝汽机组，整个汽轮机可认为[个级组；对有抽汽的机组，两抽汽口间的若干级也构成一级组。
这里所谓“结构尺寸都不变”，是指该级组的级数与通流截面面积不变，若级组中包括调
96
节汽门，则其开度也不变。
费留盖尔公式在工程应用中有足够的精确度，级组中的级数越多，则公式的精确度越高。
式0-9〉是费留盖尔公式的通用形式，实际应用中仍可再作如下简化：
对仅带回热抽汽的凝汽式机组，虽然有了抽汽使级间流量有所改变，但由于抽汽量相对于
总进汽量所占份额很小，也可将整台汽机视为一个级组。
对滑压运行的机组，在功率变化时，保持进汽温度不变，故级组前蒸汽温度也可视为不 变；对定压运行机组，当工况变化范围不大时，前后两工况中的温度可视为近似不变。
对于凝汽式机组，若级组中包括末级在内，因排汽压力很低〔51^2左右），乂远小于义，
故其影响可忽略不计。
这样，就进一步演化成更为简便实用的弗留盖尔简化公式〔3-11〉
级组前、后蒸汽参数与流量的关系式是分析机组变工况特性的基础，非常实用，例如：根据汽轮机进汽量的变化，可以测算各抽汽点的压力变化。
可利用调节级后蒸汽压力作为测量蒸汽流量的信号或机组功率的信号。300 ~600^
等级的机组，都可不再在主蒸汽管道上装设流量测量装置，而用测取调节级后蒸汽压力来推算
主蒸汽流量，作为锅炉出力。其精度可满足正常运行的需要。
可利用抽汽点压力变化监视通流部分损坏或结垢程度。在运行过程中，当蒸汽流量
没有改变，而抽汽点压力与以往的数据有异常时，可帮助判断通流部分是否损坏或结垢严重。
(二）参数对运行安全的影响
在汽轮机设计时，已经考虑了它对锅炉出口蒸汽参数在一定范围的微量变化的适应能力。
运行中汽轮发电机组所承担的负荷会有各种变化，特别是锅炉调节系统发生失灵或其他故障等
都会引起蒸汽初参数的大幅度变化。因季节性气候变化，凝汽器故障等也会引起汽轮机终参数 (排汽压力）变化。这些变化，轻者会影响机组的效率，重者则会危及机组的安全运行。
1.主蒸汽“超压”如主蒸汽压力超过额定值，将会产生以下不利情况：初压升高过多，
会使主蒸汽管道、主汽门、调节汽门、导管及汽缸等承压部件内部应力增大；若调节汽门开度
不变，压力增大导致蒸汽比体积减小，使主蒸汽质量流量增大；由于叶片的压力比与蒸汽流量
成正比，压力比增大就是叶片前后压差增大，使叶片受力增大，这对末级组叶片的危害最大；
流量增大时还使末级质量焓降增大得最多，而叶片的受力正比于流量和质量焓降之积，故对应
力水平原本已很高的末级叶片的运行安全性可能带来危险；由于各级叶片的压力比都增加，累
计起来将使轴向推力增大较多。
所以，在运行中主蒸汽压力不应超过制造厂所提供的上限值〈一般应不大于105少0额
定值
1“超温”和“骤冷”这里“超温”是指主蒸汽温度（也包括再热蒸汽温度）超过额定 值，如超过额定值将使承压部件〈如锅炉过热器和再热器管壁，主汽和再热蒸汽管道，高中压主
汽门和调节汽门，导管及高中压缸部件等）的实际应力增加，许用应力水平降低；高温管道还
有蠕变问题；长期汽温过高将使钢材塑性变形过大，从而发生螺栓变长、法兰内开口、预紧力
变小等问题，既影响安全，又缩短机组寿命。故不允许蒸汽温度过高。
由于温度对金属寿命的影响是渐进的，所以超温的规定需考虑时间因素，一般规定：主蒸
汽温度的变化值在-10 ~十151范围内可以带额定负荷长期运行。但出自对机组运行寿命承诺
的考虑，制造厂商还会有附加要求，如要求全年平均运行汽温不得超过额定值；瞬间超温值为
97
十101时，连续运行时间不得超过30“！！；超温141的全年积累运行时间应少于40011；超温 281的全年积累运行时间应少于8011等等。
汽温下降速度小于11/1^11时，一般没有危险。“骤冷”是指主蒸汽温度和再热蒸汽温度 下降过快\这往往是锅炉满水等事故引起的，也称为汽轮机的水冲击。其症状之一是蒸汽管道 法兰、汽缸法兰和汽门门杆等处冒出白色的湿蒸汽或派出水滴。汽温迅速降低将使汽轮机中膨 胀做功的蒸汽湿度大增，蒸汽中夹带的水滴流速很慢，水珠轴向打击动叶进口边叶背，使轴向 推力增大，从而使推力瓦块温度升髙，轴向位移增大，甚至威胁机组安全。对凝汽式机组，迅 速降低负荷是降低轴向推力的有效措施。有的制造厂规定汽温突降501时，应紧急停机。
3^真空“恶化”真空“恶化”即排汽压力过高，当偏离设计值过大时，将产生以下 危害。
排汽压力过分升高，将使排汽温度大幅度升高，使排汽室的膨胀量过分增大，通常低压轴 承座与排汽缸为一体，这将使低压转子的中心线上翘，破坏转子中心线的自然垂弧，从而引起 机组强烈振动；对于凝汽器，由于铜管与钢制外壳的相对膨胀差增大，引起铜管胀口松动，造 成循环冷却水漏人凝结水侧，使凝结水的水质恶化；排汽压力过高还使末级叶片的容积流量减 少，如出现鼓风工况，将使排汽温度更加升高，容积流量很小时还可能诱发末级叶片颤振。
汽轮机真空（或排汽压力〉的变化，往往是由于循环水温度随季节的变化而引起的，夏季 外界气温高，排汽压力很难降低；凝汽器管子的堵塞和结垢也会使真空恶化。
由于上述原因，制造厂常规定排汽压力和排汽温度不能超过某一规定值，以确保机组安全 运行。在运行中必须控制排汽温度，一般限制其排汽温度不超过801，为了防止排汽温度超 过允许值，大中型汽轮机常在其排汽缸设置喷水减温装置。
4小容积流量工况小容积流量运行工况一般多发生在以下情况：汽轮机负荷大幅度下 降(包括只带厂用电工况及空载运行〉时，蒸汽流量大大下降；供热抽汽式汽轮机抽汽量很大 时，供热抽汽口后各级蒸汽量大大减少；为利用凝汽式汽轮机排汽供热而提高其背压运行时，由于比体积减小使容积流量减少。
当在小容积流量下运行时，汽轮机（特别是大中型汽轮机）的末级组叶片，尤其是末级叶 片，会出现叶片振动，应力升高；当级的有效功率为负值（成为鼓风工况）时，转子转动机械 功转变的热能不能被蒸汽有效地带走，反而使该转子与汽缸温度升高，这将影响汽轮机的 安全。
5^高压加热器停用工况目前，大中型汽轮机的主给水（高压给水）系统均采用大旁路系 统，当其中一台高压加热器因故停用时，给水将旁路掉全部高压加热器（一般为三个〉直接进 锅炉。此时，汽轮机的第一、二、三段抽汽也相应关闭，使得通过高压缸特别是第三段抽汽后 级组的蒸汽流量比有抽汽的设计工况增加很多。由费留盖尔公式可知，级的压力比随流量的增 大而增大，使得该级组叶片和隔板的前后压差增大，其部件的应力状况有可能超过预期值造成 安全隐患。所以应要求制造厂对此工况的应力情况，特别是隔板的强度和变形进行核算。
(三）变工况对经济性的影响
在变工况运行时，机组的各参数都会偏离设计值，因而影响各级组的内效率和热力循环效 率，使其总效率低于额定工况值。运行调节的目的就是使变工况后的效率尽量减少与额定工况 时的差异。对定速汽轮机，变工况时，所有影响级内蒸汽流速（总容积流量〕的参数，如流量、压力、温度、焓降等的变化，都会对经济性产生影响。对非定速的工业用汽轮机还有转速（影 响圆周速度）的影响。
第一章绪论 一、单项选择题 1．新蒸汽参数为13.5MPa的汽轮机为（ b ） A．高压汽轮机B．超高压汽轮机 C．亚临界汽轮机D．超临界汽轮机2．型号为N300-16.7/538/538的汽轮机是( B )。 A.一次调整抽汽式汽轮机 B.凝汽式汽轮机 C.背压式汽轮机 D.工业用汽轮机 第一章汽轮机级的工作原理 一、单项选择题 3．在反动级中，下列哪种说法正确?( C ) A.蒸汽在喷嘴中的理想焓降为零 B.蒸汽在动叶中的理想焓降为零 C.蒸汽在喷嘴与动叶中的理想焓降相等 D.蒸汽在喷嘴中的理想焓降小于动叶中的理想焓降 4．下列哪个措施可以减小叶高损失?( A ) A.加长叶片 B.缩短叶片 C.加厚叶片 D.减薄叶片 5．下列哪种措施可以减小级的扇形损失?( C )
A.采用部分进汽 B.采用去湿槽 C.采用扭叶片 D.采用复速级 6．纯冲动级动叶入口压力为P 1，出口压力为P 2 ，则P 1 和P 2 的关系为（ C ） A．P 1
P 2 C．P 1＝P 2 D．P 1 ≥P 2 7．当选定喷嘴和动叶叶型后，影响汽轮机级轮周效率的主要因素( A ) A.余速损失 B.喷嘴能量损失 C.动叶能量损失 D.部分进汽度损失 8．下列哪项损失不属于汽轮机级内损失( A ) A.机械损失 B.鼓风损失 C.叶高损失 D.扇形损失 9．反动级的结构特点是动叶叶型( B )。 A. 与静叶叶型相同 B. 完全对称弯曲 C. 近似对称弯曲 D. 横截面沿汽流方向不发生变化10．当汽轮机的级在( B )情况下工作时，能使余速损失为最小。 A. 最大流量 B. 最佳速度比 C. 部发进汽 D. 全周进汽 1.汽轮机的级是由______组成的。【 C 】
《汽轮机原理》 目录 第一章汽轮机级的工作原理 第二章多级汽轮机 第三章汽轮机在变动工况下的工作 第四章汽轮机的凝汽设备 第五章汽轮机零件强度与振动 第六章汽轮机调节 模拟试题一 模拟试题二 参考答案
第一章汽轮机级的工作原理 一、单项选择题 1.汽轮机的级是由______组成的。【 C 】 A. 隔板+喷嘴 B. 汽缸+转子 C. 喷嘴+动叶 D. 主轴+叶轮 2.当喷嘴的压力比εn大于临界压力比εcr时，则喷嘴的出口蒸汽流速C1 【 A 】 A. C 1
《汽轮机运行教学大纲》 一、课程的性质、任务 课程的性质：《汽轮机设备运行》是热能与动力工程专业（中专）的主要专业课之一。 课程的任务：学生通过对本门课的学习应牢固掌握蒸汽在汽轮机中的流动过程和能量转换过程，以及为实现能量有效转换而对结构的要求；掌握和了解汽轮机变工况的规律，凝汽设备的工作原理、调节系统的工作原理、汽轮机叶片及其它主要零件的强度和振动的概念，供热式汽轮机的特点及机组运行方面的基础知识。 二、 课程的基本要求 ⒈掌握蒸汽在汽轮机通流部分中的流动规律和能量转换过程及能量转换过程过程中各种损失的物理概念和提高效率的途径；明确速度比的物理意义；熟练的掌握级的轮周功率。 ⒉了解多级汽轮机及其装置的特点，了解如何合理地确定汽轮机的参数及如何选择汽轮机的结构形式，并了解多级汽轮机的热力计算方法。 ⒊掌握喷嘴、级和级组的变工况规律及特性；变工况对机组的安全性、经济性影响；了解流量网图。 ⒋了解汽轮机凝汽设备的组成、任务、工作原理、影响凝汽器真空的主要因素及凝汽设备的变工况特性。 ⒌掌握汽轮机主要零部件的结构。了解叶片的强度校核，了解等截面叶片的自振频率的计算和叶片调频方法，了解转子临界转速的概念；了解汽轮发电机组的振动。 ⒍掌握汽轮机自动调节和保护系统的基本原理；静态特性及中间再热机组调节特点，了解一次调节抽汽机组的调节原理及工况图。 7.了解汽轮机的热应力、热膨胀及热变形的概念；了解汽轮机的启动和停机的主要过程； 了解汽轮机常见事故的原因及处理方法。。 三、课程内容 绪论：1、 第一章综述： 汽轮机作用及分类和型号，发展概况。 汽轮机级的工作原理，级的概念及工作原理，蒸汽作用在动叶片上的力，轮周功率；速度比，纯冲动级、反动级、和速度级的最佳速比；部分进汽度的概念。级内的各项损失，级的热力过程线，级的内功率及内效率。多级汽轮机的结构及热力过程，多级汽轮机的优越性和特点。 第二章汽轮机辅助设备系统的启停及运行 凝汽设备；抽汽设备；给水回热设备；除氧器；冷却设备与系统；发电机的氢、油、水系统。 第三章汽轮机的启动 启动前的检查与试验；汽轮机的启动方式；冷态滑参数启动；热态启动；中压缸启动。 第四章汽轮机的运行调整
《汽轮机原理》思考题 杨建明康松编 东南大学动力工程系 2000年10月
第1章汽轮机级的工作原理 1．何谓滞止参数？喷嘴和动叶的滞止参数如何计算？ 2．叶栅通道的速度系数代表了什么意义？影响速度系数大小的主要因素有哪些？ 3．反动度的意义是什么？汽轮机的级按反动度的大小如何分类？在叶栅通道结构上又是如何实现反动度设计的？ 4．速度系数、能量损失系数和喷嘴及动叶损失系数三者间的关系如何？ 5．什么是级的热力过程线？它在分析级的能量转换、认识级工作过程中有何特别作用？ 6．什么是速度三角形，其意义是什么？ 7．何谓轮周功率？何谓轮周功？何谓理想能量？轮周功在级热力过程线上如何表示？ 8．什么是余速损失？什么是余速利用系数？影响余速利用的主要因素有哪些？ 9．何谓速比？何谓假想速比？ 10．轮周效率的意义是什么？影响轮周效率的因素有哪些？ 11．什么是最佳速比？为什么会存在最佳速比？当余速利用后，轮周效率与速比之间的关系发生了哪些主要变化？ 12．最佳速比与反动度的关系怎样？对相同容量的汽轮机，为什么冲动式的级数一般少于反动式？ 13．何谓单列级？何谓复速级？它们各自有何优缺点？ 14．何谓流量系数？流量系数的大小有何特点？ 15．对汽轮机弯曲形渐缩叶栅通道，最大出口汽流速度能否超过音速？为什么？ 16．何谓叶栅通道的临界压比？在叶栅通道汽流速度和通流量计算中，临界压比计算有何特别意义？ 17．叶栅通道的最大出口流速和通过的最大流量是否出现于同一前后压比？为什么？ 18．何谓叶栅出口汽流偏转角？在什么工况下发生？ 19．喷嘴调节汽轮机，为什么调节级总为冲动式？ 20．何谓盖度？其主要起什么作用？ 21．为什么冲动式汽轮机总会有一定的反动度？ 22．为什么要采用长扭叶片？ 23．长扭叶片有哪些主要特点？ 24．何谓轮周损失？何谓级内损失？两者间的关系怎样？ 25．什么是叶高损失？其物理意义是什么？采取何种措施减小叶高损失？26．决定叶片高度的主要因素有哪些？ 27．什么是二次流损失？如何减小二次流损失？ 28．何谓撞击损失？主要发生在何种情况？
汽轮机第七章习题 一：名词解释 1.叶片的静频率 2.叶片的动频率 3.调频叶片 4.不调频叶片 5.转子的临界转速 6.油膜振动 7.刚性转子 8.挠性转子 9.盘车装置 10.A型振动 11.B型振动 12.耐震强度 13.安全倍率 二、填空题 1．汽轮机滑销系统的________销引导气缸纵向膨胀保证气缸和转子中心一致。2．汽轮机轴承分为_________和____________两大类。 3．汽轮机纵销的中心线与横销的中心线的交点为_________________。 4．按制造工艺，汽轮机的转子有_________、__________、___________和____________等形式。 5．汽轮机的叶顶围带主要的三个作用是：增加_________、调整___________、防止_________。 6．气缸法兰螺栓加热装置是用来加热_________________和________________，以保证汽轮机安全启停。 7．汽轮机轴封的作用是防止高压蒸汽______________,防止真空区漏入___________。 8．汽轮机汽封根据所处的位置可分为_____________汽封、____________和_____________汽封。 9．汽轮机高压缸的支承方式有___________、___________、__________。 10 .当汽轮发电机组达到某些转速时，机组发生强烈震动，当转速离开这些值时震动迅速减弱以致恢复正常，这些使汽轮发电机组产生强烈震动的转速，称为汽轮机发电机转子的______。 11．根据盘车转速，盘车装置可分为_____________和______________盘车。12.当汽轮发电机转速达到两倍转子第一临界转速时发生的油膜自激振动，通常称为__________。 13．降低润滑油黏度最简单易行的方法是__________。 14．汽轮机滑销系统的作用是_____________，由_______________销________________、___________销和_______________销组成。 15．影响转子临界转速的因素有_____________、______________和_____________等。 16．汽轮机本体转动部分由______________、______________、_______________和__________等部件组成。静止部分由____________、_____________和
第七章习题 7-1 汽包锅炉给水调节系统中，被调对象为什么会出现“虚假水位”的现象？在设计调节系统时采用了什么对策？ 答：“虚假水位”现象主要是来自于蒸汽量的变化。蒸汽量Ｄ扰动时，汽包水位Ｈ的变化过程同样可以从两个角度加以分析。如果仅仅从物质平衡的角度来分析，当蒸汽量Ｄ产生一个阶跃扰动（增加），而给水量不变时，汽包水位是下降的。如果仅仅从热平衡的角度来分析，由于随着蒸汽量的增加汽包内部的压力将下降，汽水混合物中的汽泡容积迅速增加，使汽包水位上升，当汽泡容积的增加与负荷相适应达到新的热平衡状态后，水位不再上升而保证不变。综合上述两种角度分析的结果，对汽包而言，在其输出流量（蒸汽量）增加，输入流量（给水量）不变的情况下，汽包水位一开始不但不下降，反而上升，这种现象称为“虚假水位”，当“虚假水位”达到极值后，水位将反方向的突然快速变化，这一点在设计自动调节系统时要特别引起重视的。显然蒸汽量是一个不可调节的量（对调节系统而言），但它是一个可测量，所以在系统中引入这些扰动信息来改善调节品质是非常必要的。调节系统引入蒸汽流量信号D作为前馈信号，当蒸汽流量D改变时，调节作用使给水流量W同方向改变（D增加时W增加；D减少时W减少），所以这个前馈信号的引入可以有效地减少或消除“虚假水位”现象产生误动作带来的影响。 7-2 三冲量给水自动调节系统中三个“冲量”的引入，分别起到什么作用？ 答：调节器依据汽包水位H、给水流量W和蒸汽流量D三个信号进行调节，称为三冲量调节系统。其中，汽包水位信号H是调节系统的主信号，它和单冲量给水调节系统中的作用原理一样，汽包水位信号H上升时，调节作用使给水流量W减小，H下降时调节作用使W增加。蒸汽流量信号D是调节系统引入的前馈信号，当蒸汽流量D改变时，调节作用使给水流量W同方向改变（D增加时W 增加；D减少时W减少），所以这个前馈信号的引入可以有效地减少或消除“虚假水位”现象产生误动作带来的影响。给水流量信号W作为调节系统的反馈信号，当给水流量W发生自发性扰动时调节器立即动作，使给水流量在较短时间内恢复原有数值，汽包水位可基本不受其影响。由于在单冲量调节系统的基础上，增加了前馈信号D和反馈信号W，使系统更有效地控制汽包水位的变化，提高了系统的调节品质。 7-3 叙述单级三冲量给水调节系统的整定步骤以及每一步的整定目的。 答：见教材p135-138。 7-4 单级给水调节系统和串级给水调节系统在调节效果上有什么主要的区别？ 答：单级三冲量给水自动调节系统存在着一些不足之处：（1）分流系数αW的数值同时影响到内、外回路的稳定性，在整定参数时内、外回路相互之间并不是独立的，对整定工作带来不便。（2）前馈信号的引入能改善调节过程的调节品质，克服“虚假水位”带来不利的影响。但是为了实现无差调节，必须使αD等于αW，因此前馈信号的强弱程度受到了限制，不能更好地改善调节过程的调节品质。为了解决上述存在的问题，可采用串级三冲量给水调节系统，串级三冲量给水调节系统具有内、外两个闭合回路。内回路的作用也是迅速消除自发性的内部扰动，在外回路中作为一个快速随动的环节。串级系统实现自动调节比单级系统更加灵活，克服静态偏差完全由主调节器实现，分流系数αD取值不必考虑静态偏差的问题，αD值可取得大一些，以利于更好地改善调节过程的调节品质。分流系数αW 取值影响内回路的稳定性，在外回路中，可通过主调节器的δ和T i来整定，αW的影响并不大，从而使内、外回路互不影响。 7-5 全程给水控制系统对于常规的给水调节系统而言，有哪些问题必须得到解决？通常是如何解决的？ 答：从常规的调节过渡到全程调节会遇到许多新的技术问题，主要有： （1）测量信号的准确性。测量信号准确与否是自动调节的前提，当锅炉从启动到正常运行或者从正常
汽轮机原理 第一章汽轮机的热力特性思考题答案 1．什么是汽轮机的级？汽轮机的级可分为哪几类？各有何特点？ 解答：一列喷嘴叶栅和其后面相邻的一列动叶栅构成的基本作功单元称为汽轮机的级，它是蒸汽进行能量转换的基本单元。 根据蒸汽在汽轮机内能量转换的特点，可将汽轮机的级分为纯冲动级、反动级、带反动度的冲动级和复速级等几种。 各类级的特点： （1）纯冲动级：蒸汽只在喷嘴叶栅中进行膨胀，而在动叶栅中蒸汽不膨胀。它仅利用冲击力来作功。在这种级中：p1 = p2；Dhb =0；Ωm=0。 （2）反动级：蒸汽的膨胀一半在喷嘴中进行，一半在动叶中进行。它的动叶栅中不仅存在冲击力，蒸汽在动叶中进行膨胀还产生较大的反击力作功。反动级的流动效率高于纯冲动级，但作功能力较小。在这种级中：p1 > p2；Dhn≈Dhb≈0.5Dht；Ωm=0.5。 （3）带反动度的冲动级：蒸汽的膨胀大部分在喷嘴叶栅中进行，只有一小部分在动叶栅中进行。这种级兼有冲动级和反动级的特征，它的流动效率高于纯冲动级，作功能力高于反动级。在这种级中：p1 > p2；Dhn >Dhb >0；Ωm=0.05～0.35。 （4）复速级：复速级有两列动叶，现代的复速级都带有一定的反动度，即蒸汽除了在喷嘴中进行膨胀外，在两列动叶和导叶中也进行适当的膨胀。由于复速级采用了两列动叶栅，其作功能力要比单列冲动级大。 2．什么是冲击原理和反击原理？在什么情况下，动叶栅受反击力作用？ 解答：冲击原理：指当运动的流体受到物体阻碍时，对物体产生的冲击力，推动物体运动的作功原理。流体质量越大、受阻前后的速度矢量变化越大，则冲击力越大，所作的机械功愈大。反击原理：指当原来静止的或运动速度较小的气体，在膨胀加速时所产生的一个与流动方向相反的作用力，称为反击力，推动物体运动的作功原理。流道前后压差越大，膨胀加速越明显，则反击力越大，它所作的机械功愈大。 当动叶流道为渐缩形，且动叶流道前后存在一定的压差时，动叶栅受反击力作用。 3．说明冲击式汽轮机级的工作原理和级内能量转换过程及特点。 解答：蒸汽在汽轮机级内的能量转换过程，是先将蒸汽的热能在其喷嘴叶栅中转换为蒸汽所具有的动能，然后再将蒸汽的动能在动叶栅中转换为轴所输出的机械功。具有一定温度和压力的蒸汽先在固定
题目：600MW超临界汽轮机通流部分设计 （中压缸） 学生姓名：丁艳平 院（系）名称：能源与动力工程 班级: 热能与动力工程03-03班 指导教师：谭欣星 2006 年11 月
能源与动力工程学院 课程设计任务书 热能动力工程专业036503班 课程名称汽轮机原理 题目600MW超临界汽轮机通流部分设计（中压缸）任务起止日期：2006年11 月13 日~ 2006年12 月4 日 学生姓名丁艳平2006年12月4日指导教师谭欣星2006年11月5日教研室主任年月日院长年月日
能源与动力工程学院 2. 此任务书最迟必须在课程设计开始前三天下达给学生。
600MW超临界汽轮机通流部分设计（中压缸） 摘要 本文根是根据给定的设计条件,确定通流部分的几何尺寸,以求获得较高的相对内效率。 设计原则是保证运行时具有较高的经济性；在不同的工况下工作均有高的可靠性；同时在满足经济性和可靠性要求的同时，考虑了汽轮机的结构紧凑，系统简单，布置合理，成本低廉，安装与维修方便，心以及零件的通用化和系列化等因素。 主要设计过程是：分析与确定汽轮机热力设计的基本参数，选择汽轮机的型式，配汽机构形式，通流部分及有关参数；拟定汽轮机近似热力过程曲线，并进行热经济性的初步计算；根据通流部分形状和回热抽汽点的要求，确定中压级组的级数并进行各级比焓降的分配，对各级进行详细的热力计算，确定汽轮机实际热力过程曲线，根据热力计算结果，修正各回热汽点压力以符合热力过程曲线的要求，并修正回热系统的热平衡计算，汽轮机热力计算结果。
目录 摘要 (1) 第一章:汽轮机热力计算的基本参数 (2) 第二章:汽轮机蒸汽流量的初步计算 (3) 第三章:通流部分选型 (9) 第四章::压力级比焓降分配及级数确定 (10) 第五章:汽轮机级的热力计算 (14) 第六章;高中压缸结构概述 (17) 第七章:600MW汽轮机热力系统 (19) 第八章:总结 (20) 参考文献 (23)
第一章 级的工作原理 补1. 已知某喷嘴前的蒸汽参数为p 0=，t 0=500℃，c 0=80m/s ，求：初态滞止状态下的音速和其在喷嘴中达临界时的临界速度c cr 。 解: 由p 0=，t 0=500℃查得: h 0=; s 0= 0002 1 c h h h ?+ =*=+= 查得0*点参数为p 0*=；v 0*= ∴音速a 0*=*0*0 v kp = (或a 0*=*0kRT = ; 或a 0*=* 0)1(h k *-= c cr = * 0*1 2a K += 12题. 假定过热蒸汽作等熵流动,在喷嘴某一截面上汽流速度c=650m/s ，该截面上的音速a=500m/s ，求喷嘴中汽流的临界速度 c cr 为多少。 解: 2 222) 1(212112121cr cr cr cr cr cr c k k c v p k k c h c h -+=+-=+=+ Θ )2 1 1(1)1(222c k a k k c cr +-+-= ∴=522 23题. 汽轮机某级蒸汽压力p 0=，初温t 0=435℃，该级反动度Ωm =，级后压力p 2=，该级采用减缩喷嘴，出口截面积A n =52cm 2，计算： ⑴通过喷嘴的蒸汽流量 ⑵若级后蒸汽压力降为p 21=，反动度降为Ωm =，则通过喷嘴的流量又是多少 答:1): kg/s; 2):s 34题. 国产某机组在设计工况下其末级动叶（渐缩）前的蒸汽
压力p 1=，蒸汽焓值h 1=kg ，动叶出汽角β2=38°，动叶内的焓降为Δh b =kg 。问： ⑴汽流在动叶斜切部分是否膨胀、动叶出口汽流角是多少 ⑵动叶出口的理想相对速度w 2t 是多少 解: 确定初态:由h 1,p 1查图得s 1= 4.23162000 1 211* 1=+ =w h h 由h *1, s 1查图得p 1*=,x 1*= ∴k= ∴临界压力比:5797.0)1 2(1 =+=-k k cr k ε 极限压力比:347.05985.0*5797.0)(sin *1 221===+k k cr d βεε 流动状态判断:由s 1=,h 2t =h 1-Δh b = 查图得p 2= 动叶压力比εb =p 2/p *1= 显然εb ＜ε1d ，即蒸汽在动叶中达极限膨胀，极限背压为p 1d =ε 1d *p 1*= 查焓熵图得：h 2dt =,ρ2dt = 7.511)(22*12=-=∴dt t h h w 查临界压力比处的参数： p 2cr =;h 2cr =ρ2cr = ∴2.371)(22*12=-=cr cr h h w =??=+dt t cr cr w w 2222222sin )sin(ρρβδβ 7102.0)sin(22=+δβ
绪论 1.确定CB25-8.83/1.47/0.49型号的汽轮机属于下列哪种型式？【 D 】 A. 凝汽式 B. 调整抽汽式 C. 背压式 D. 抽气背压式 2.型号为N300-16.7/538/538的汽轮机是【B 】 A. 一次调整抽汽式汽轮机 B. 凝汽式汽轮机 C. 背压式汽轮机 D. 工业用汽轮机 3.新蒸汽压力为15.69MPa~17.65MPa的汽轮机属于【C 】 A. 高压汽轮机 B. 超高压汽轮机 C. 亚临界汽轮机 D. 超临界汽轮机 4.根据汽轮机的型号CB25-8.83/1.47/0.49可知，该汽轮机主汽压力为8.83 ，1.47表示汽轮机的抽汽压 力。 第一章 1.汽轮机的级是由______组成的。【C 】 A. 隔板+喷嘴 B. 汽缸+转子 C. 喷嘴+动叶 D. 主轴+叶轮 2.当喷嘴的压力比εn大于临界压力比εcr时，则喷嘴的出口蒸汽流速C1【A 】 A. C1
汽 轮 机 原 理 课程学习辅导材料 2009.2 目 录 第一篇 各章单元复习题 绪论及第一章 汽轮机级的工作原理 2 第二章 多级汽轮机 19 第五章 凝汽设备 26 第七章 汽轮机调节系统 35 第二篇 综合思考题 第一部分 汽轮机的热力特性 46 第二部分 汽轮机的负荷调节 47 第三部分 汽轮机的经济运行 49 第四部分 汽轮机的安全运行 50 第五部分 汽轮机的启动与运行 53 第三篇 各章练习题 第一章 汽轮机级的工作原理 55 第二章 多级汽轮机 58 第三章 汽轮机级在变工况下的工作 60 第五章 汽轮机的凝汽设备 61 第七章 汽轮机调节系统 61 练习题参考答案 62 第一篇 各章单元复习题 长沙理工大学 能源与动力工程学院
绪论及第一章级的工作原理 一、问答题: 1．按工作原理、热力过程特性、蒸汽流动方向、新蒸汽参数等对汽轮机进行分类，汽轮机可分为哪些类型？按新蒸汽参数分类时，相应类型汽轮机的新汽压力等级是什么？2．国产汽轮机型号的表示方法是什么？ 3．根据国产汽轮机型号的表示方法，说明下列汽轮机的型号提供了汽轮机设备的哪些基本特征？ （1）C B25-8.82/0.98/0.118 （2）C C25-8.82/0.98/0.118-1 （3）C B25-8.83/1.47/0.49 （4）N300-16.7/537/537 4．汽轮机中哪些部件是转动的？哪些部件是静止不动的？ 5．汽缸的作用是什么？ 6．简述蒸汽在汽轮机中的能量转换过程？ 7．试绘图说明最简单的发电厂生产过程示意图？ 8．蒸汽对动叶片冲动作用原理的特点是什么？ 9．蒸汽对动叶片反动作用原理的特点是什么？ 10．根据蒸汽在汽轮机内能量转换的特点，如何划分汽轮机级的类型？各种类型级的特点是什么？ 11．什么是动叶的速度三角形？ 12．如何根据喷嘴汽流出汽角计算速度级、纯冲动级与反动级的最佳速比？ 13．汽轮机的调节级为什么要采用部分进汽？如何选择合适的部分进汽度？ 14．试述汽轮机级内有哪些损失？造成这些损失的原因是什么？ 15．如何减小级内漏汽损失？ 16．简述轴向推力的平衡方法。 17．简述汽封的工作原理？ 18．何为汽轮机的进汽机构节流损失和排汽阻力损失？在热力过程线（焓-熵图）上表示出来。 二、名词解释 1．汽轮机的级 2．反动度。 3．滞止参数 4．临界压比 5．轮周效率。 6．级的余速损失 7．最佳速度比。 8．部分进汽度。 9．级的相对内效率 三、单项选择 1．电厂常用汽轮机属于下列那种类型？ A. 离心式 B. 轴流式 C. 辐流式 D. 周流式 2．保证转子相对于静子的正确轴向位臵的是： A. 支持轴承 B. 轴封
汽轮机复习思考题 一、填空题 1．通过比较可以发现，喷嘴配汽汽轮机调节级直径（）于非调节级第一级直径。 2．对于大容量喷嘴配汽汽轮机，一般只在（）级采用部分进汽。 3．凝汽式汽轮机的（）级在负荷最大、真空最高时最危险。 4．在各种滑压运行方式中，（）滑压运行是目前调峰机组最常用的一种运行方式。 5．当流量变化时，喷嘴配汽汽轮机相对内效率的变化只发生在调节级和（）级。 6．当凝汽器的真空高于（）真空时，机组热经济性降低。 7．在实用变工况范围内，当负荷变化时，喷嘴配汽凝汽式汽轮机的（）级的效率基本保持不变。 8．节流配汽汽轮机定压运行时的主要缺点是低负荷时调节汽门的（）损失较大。 9．凝汽式汽轮机当负荷（）时，其轴向推力增大。 10．汽轮发电机组的功率与（）间的关系曲线称为凝汽式汽轮发电机组的工况图。 11．在实用变工况范围内，当蒸汽流量变化时，喷嘴调节凝汽式汽轮机的（）级前后压比基本保持不变。 12．在各种配汽方式中，节流配汽汽轮机在部分负荷下的节流损失最（）。13．汽轮机每增加单位功率所增加的汽耗量，称为（）。 14．当凝汽器真空高于极限真空时，汽轮机的热经济性（）。 15．定压运行机组在部分负荷下运行时，采用（）配汽的热经济性低于喷嘴配汽。 16．在汽轮机的各种配汽方式中，只有（）方式最适宜于调峰运行机组。 17．凝汽式汽轮机，当负荷（）时，其轴向推力最大。 18．在各种配汽方式中，（）汽轮机在部分负荷下的节流损失最小。19．（）配汽汽轮机各调节汽门的开启顺序是依次开启。 20．凝汽式汽轮机的最末级，当流量增大时，其焓降（）。 21．对汽轮机压力级动叶强度进行校核时，应按流量（）工况来计算应力。22．喷嘴配汽汽轮机迅速改变负荷时，调节汽室温度变化较大，引起（）应力。 23．在汽轮机的各种配汽方式中，当负荷变化时，（）配汽汽轮机的调节级后温度变化最大。 24．喷嘴配汽凝汽式汽轮机，当流量增大时，（）级的反动度将保持不变。25．费留格尔公式是级组在（）工况下的级组流量与压力的近似关系
汽轮机原理沈士一 作者：沈士一等编 出版社：中国电力出版社 出版时间：1992-6-1 内容简介: 本书对“汽轮机原理”课程的三大部分内容，即汽轮机热力工作原理、汽轮机零件强度和汽轮机调节都作了介绍，主要内容有汽轮机级的工作原理、多级汽轮机、汽轮机变工况特性、凝汽设备、汽轮机零件强度及汽轮机调节。并结合大型汽轮机的运行特点，介绍了有关内容。本书为高等学校热能动力类专业本科“汽轮机原理”课程的基本教材，也可供有关专业的师生与工程技术人员参考。 目录: 前言 绪论 第一章汽轮机级的工作原理 第一节概述 第二节蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程。 第三节级的轮周功率和轮周效率 第四节叶栅的气动特性 第五节级内损失和级的相对内效率 第六节级的热力设计原理 第七节级的热力计算示例 第八节扭叶片级 第二章多级汽轮机 第一节多级汽轮机的优越性及其特点 第二节进汽阻力损失和排汽阻力损失 第三节汽轮机及其装置的评价指标 第四节轴封及其系统 第五节多级汽轮机的轴向推力及其平衡 第六节单排汽口凝汽式汽轮机的极限功率 第三章汽轮机的变工况特性 第一节喷嘴的变工况特性 第二节级与级组的变工况特性 第三节配汽方式及其对定压运行机组变工况的影响 第四节滑压运行的经济性与安全性 第五节小容积流量工况与叶片颤振 第六节变工况下汽轮机的热力核算 第七节初终参数变化对汽轮机工作的影响 第八节汽轮机的工况图与热电联产汽轮机 第四章汽轮机的凝汽设备 第一节凝汽设备的工作原理、任务和类型 第二节凝汽器的真空与传热 第三节凝汽器的管束布置与真空除氧 第四节抽气器 第五节凝汽器的变工况
第六节多压式凝汽器 第五章汽轮机零件的强度校核 第一节汽轮机零件强度校核概述 第二节汽轮机叶片静强度计算 第三节汽轮机叶轮静强度概念 第四节汽轮机转子零件材料及静强度条件 第五节汽轮机静子零件的静强度 第六节汽轮机叶片的动强度 第七节叶轮振动 第八节汽轮发电机组的振动 第九节汽轮机主要零件的热应力及汽轮机寿命管理第六章汽轮机调节系统 第一节汽轮机自动调节和保护的基本原理 第二节液压调节系统 第三节中间再热式汽轮机的调节 第四节调节系统的试验和调整 第五节汽轮机功频电液调节 第六节背压式和抽汽式汽轮机的调节 参考文献
第一章 习 题 一、填空题 1．将相同初参数下通过喷嘴的流量与临界流量之比，定义为（ ）。 2．动叶速度系数除与结构参数有关外，还与运行参数如相对速度和（ ）有关。 3．当余速利用系数μ1增大后，该级的相对内效率将（ ）。 4．纯冲动级的最佳速比为（ ）。 5．当喷嘴的（ ）确定后，通过喷嘴的临界流量只与喷嘴的滞止初参数有关。 6．当喷嘴前后压比（ ）于临界压比时，蒸汽在喷嘴斜切部分不发生膨胀。 7．为了实用上的方便，常用a a c u x = 来代替1 1c u x =，a x 称为（ ）。 8．在级的轮周速度一定的情况下，降低速比x a ，则级的作功能力（ ）。 9．级的轮周有效比焓降与（ ）之比称为级的轮周效率。 10．将蒸汽在动叶内的理想焓降与整个级的滞止理想焓降之比，称为级的（ ）。 11．设计时，为了减少喷嘴损失，应尽量使喷嘴高度大于（ ）。 12．（ ）是表示蒸汽在动叶内膨胀程度大小的指标。 13．喷嘴的临界压比只与蒸汽的（ ）有关，即取决于蒸汽的性质。 14．在汽轮机中，把喷嘴与其后相邻的一列动叶，称为汽轮机的（ ）。 15．（ ）速度系数与反动度m Ω及动叶出口理想速度t w 2有关。 16．当余速利用系数增大后，该级的有效比焓降（ ）。 17．所谓速比，是指（ ）速度与喷嘴出口绝对速度的比值。 18．当蒸汽在喷嘴内为亚临界流动时，其彭台门系数与喷嘴的（ ）及蒸汽的绝热指数有关。 19．反动级的最佳速比是（ ）。 20．当喷嘴出口面积一定时，通过喷嘴的临界流量只与（ ）有关。 21、在其它条件一定的情况下，喷嘴宽度越宽，喷嘴损失（ ）。 22、定转速汽轮机在级的直径一定的情况下，降低速比x a ，则级的作功能力（ ）。 二、选择题 1．当蒸汽在喷嘴斜切部分正好全部膨胀完了，此时对应的喷嘴后压力称为（ ）。
1：1施工准备 1：1：1技术资料准备 1：1：1：1设备供货清单和设备装箱清单； 1：1：1：2设备使用说明书和技术文件； 1：1：1：3设备产品合格证和随机图纸资料； 1：1：1：4有关规范和标准。 1：1：2工器具及消耗材料准备 1：1：2：1运输工具 工具现场施工实际情况可选用汽车、汽车吊、平板车、手拉葫芦、人力推车、卷扬机、滚杠、索具、麻绳、钢丝绳等。 1：1：2：2安装工具 钻床、电钻、砂轮机、切割机、电焊机、气割工具、刮刀、锉刀、铰刀、百分表架、电动试压泵、滤油机、空气压缩机、重型套筒扳手、内六角扳手、线锤、耳机、钢丝等。 1：1：2：3器具 经检验合格的水准仪、合像水平仪、0.02/1000mm框式水平仪、内径千分尺、外径千分尺、游标卡尺、塞尺、3500mm平尺（1级精度）、600*600平板（1级精度）、杠杆百分表、压力表等。 1：1：2：4主要施工材料 汽缸专用密封脂、黑铅粉、红丹粉、透平油、煤油、汽油、酒精等其它易耗材料。 1：1：3施工条件 1：1：3：1厂房内外符合“三通一平”条件 1：1：3：2行车轨道铺好，主辅设备基础浇筑完成，模板拆除，混凝土达到设计强度的70%以上，并经验收合格。 1：1：3：3外墙砌筑完成，门窗齐全，房顶不漏雨水，挡风玻璃措施齐全。 1：1：3：4各基础具有清晰准确的中心线，厂房零米层和运行层有准确标高线。 1：1：3：5楼梯具备使用条件，各孔、洞的部位有可靠的临时盖板和栏杆。 1：1：3：6机房内配有足够的消防器材，消防设施经验收合格。 1：1：3：7应有专门堆放精密零部件的货架。 1：2基础验收 1：2：1基础混凝土表面应平整，无裂纹、孔洞、蜂窝、麻面和露筋等缺陷。 1：2：2基础表面应标出清晰纵、横中心线和标高线。 1：2：3螺栓孔中心线对基础中心线偏差应不大于0.1D（D为预埋钢管内径）且小于10mm，螺栓孔壁的垂直度偏差不大于L/200（L为预埋钢管或地脚螺栓长度）且小于10mm， 1：2：4基础与主厂房及运转平台隔振缝隙中的模板和杂物应清理干净。 1：2：5基础承力面应按设备中心标高低60－80mm，以供设置垫铁和二次灌浆用。 1：2：6地脚螺栓预留孔下表面应平整，不得漏浆。 1：2：7发电机进出风道内壁应光滑，不得有脱壳、裂纹、掉灰等缺陷，必要时应刷油漆保护。 1：2：8发电机出线小室和风室铁门应安装齐全，并能上锁。 1：2：9基础周围应设置沉降观测点，并按规定观测，记录。 1：3设备开箱验收 1：3：1按开箱清单开列的数量、品种、规格进行清点检查，若有数量、品种、规格和质量
《汽轮机原理》 一、单项选择题 6.在其他条件不变的情况下，余速利用系数增加，级的轮周效率η u【 A 】 A. 增大 B. 降低 C. 不变 D. 无法确定 9.在多级汽轮机中重热系数越大，说明【 A 】 A. 各级的损失越大 B. 机械损失越大 C. 轴封漏汽损失越大 D. 排汽阻力损失越大 1.并列运行的机组，同步器的作用是【 C 】A. 改变机组的转速 B. 改变调节系统油压 C. 改变汽轮机功率 D. 减小机组振动 5．多级汽轮机相对内效率降低的不可能原因是（D）。 A. 余速利用系数降低 B. 级内损失增大 C. 进排汽损失增大 D. 重热系数降低 19. 关于喷嘴临界流量，在喷嘴出口面积一定的情况下，请判断下列说法哪个正确：【C】 A．喷嘴临界流量只与喷嘴初参数有关B．喷嘴临界流量只与喷嘴终参数有关 C．喷嘴临界流量与喷嘴压力比有关 D. 喷嘴临界流量既与喷嘴初参数有关，也与喷嘴终参数有关 13.冲动级动叶入口压力为 P1，出口压力为 P2，则 P1和 P2有______关系。【 B 】 A. P 1＜P2 B. P 1＞P2 C. P 1＝P2 D. P 1= 6.汽轮机的进汽节流损失使得蒸汽入口焓【 C 】A. 增大 B. 减小 C. 保持不变 D. 以上变化都有可能 14. 对于汽轮机的动态特性，下列哪些说法是正确的？【D】 A.转速调节过程中，动态最大转速可以大于危急保安器动作转速 B.调节系统迟缓的存在，使动态超调量减小 C. 速度变动率δ越小，过渡时间越短 D. 机组功率越大，甩负荷后超速的可能性越大 27.在反动级中，下列哪种说法正确【 C 】A. 蒸汽在喷嘴中理想焓降为零 B. 蒸汽在动叶中理想焓降为零 C. 蒸汽在喷嘴与动叶中的理想焓降相等 D. 蒸汽在喷嘴的理想焓降小于动叶的理想焓降 25.在各自最佳速比下，轮周效率最高的级是【 D 】A. 纯冲动级 B. 带反动度的冲动级 C. 复速级 D. 反动级 26.蒸汽在喷嘴斜切部分膨胀的条件是【 A 】A. 喷嘴后压力小于临界压力 B. 喷嘴后压力等于临界压力 C.喷嘴后压力大于临界压力 D. 喷嘴后压力大于喷嘴前压力 12. 下列哪个说法是正确的【C】A.喷嘴流量总是随喷嘴出口速度的增大而增大； B.喷嘴流量不随喷嘴出口速度的增大而增大； C.喷嘴流量可能随喷嘴出口速度的增大而增大，也可能保持不变； D. 以上说法都不对 8. 评价汽轮机热功转换效率的指标为【 C 】A.循环热效率 B. 汽耗率 C. 汽轮机相对内效率 D. 汽轮机绝对内效率 13.在其它条件不变的情况下，冷却水量越大，则【A 】A. 凝汽器的真空度越高 B. 凝汽器的真空度越低 C.机组的效率越高 D. 机组的发电量越多 4. 两台额定功率相同的并网运行机组A, B所带的负荷相同，机组 A 的速度变动率小于机组 B 的速度变动率，当电网周波下降时，两台机组一次调频后所带功率为P A和P B，则【C】
第五章 习 题1 1．凝汽式汽轮机调节汽室中的压力在主蒸汽流量 G 0=450t/h 时为a Mp p 41.4)(20=，问当蒸汽流量减少到G 1=300t/h 时，调节汽室压力201)(p 为多少？ 2．某喷嘴配汽凝汽式汽轮机，设计工况下新汽流量h t D /1000=，调节汽室压力a Mp p 8.2)(20=，第四级前压力a Mp p 2.1)(40=，第四级后压力a Mp p 0.1)(42=。现将第四级拆除，若新汽流量仍为h t D /10001=，试确定新工况下调节汽室压力。（该汽轮机无回热抽汽） 3．已知某喷嘴配汽凝汽式汽轮机，有一级回热抽汽，抽汽点位于第五级前，设计工况下新蒸汽流量h t D /1200=，调节汽室压力a Mp p 0.3)(20=，回热抽汽量h t D e /15=，抽汽压力a e Mp p 0.1=。新工况下回热加热器因故停运，若新汽流量与设计值相同，求新工况下的调节汽室压力201)(p 。 4．喷嘴调节凝汽式汽轮机，设计工况下流量h t D /1600=，调节汽室压力a Mp p 0.6)(20=，问（1）当流量减少到D=100t/h 时的调节汽室压力是多少？（2）若通流部分结垢使通流面积减少4%，则流量减少到D=100t/h 时的调节汽室压力是多少？ 5．已知一喷嘴调节凝汽式汽轮机，设计工况下新蒸汽流量h t D /1000=，调节汽室压力a Mp p 8.2)(20=，第四级后压力a Mp p 0.1)(42=。运行中汽轮机2～4级结垢使通流面积减少3%，若新蒸汽流量与设计值相同，试确定新工况下的调节汽室压力201)(p 。 6．某凝汽式汽轮机设计工况下的某一回热抽汽压力为2.4MPa ，问当机组带80%额定负荷时，该回热抽汽压力是多少？ 7．已知某高压汽轮机的设计流量G=165.75kg/s ，设计工况下调节级后蒸汽压力a Mp p 71.91=，第一段回热抽汽压力a Mp p 73.32=，若工况变动后，调节级后蒸汽压力变为a Mp p 69.1011=，第一段回热抽汽压力为a Mp p 12.421=。试计算新工况下，通过调节级后至第一段回热抽汽点的流量G 1是多少？ 8．汽轮机某级组设计工况下的流量D=938t/h ，级组前压力a Mp p 5.120=，级组后压力a Mp p 1.32=，变工况后级组前压力a Mp p 0.1401=，级组后压力a Mp p 48.321=，试求变工况后通过该级组的流量D 1。
第二章 1、为什么要采用多级汽轮机？ 为了提高汽轮机的功率，就必须增加汽轮机的进汽量G和蒸汽的理想焓降。从经济和安全两个方面来考虑，只有一个级的汽轮机要能有效地利用很大的理想焓是不可能的。为了有效地利用蒸汽的理想焓降，唯一的办法就是采用多级汽轮机。多级汽轮机的一级只利用总焓降中的一部分。使每一级都能在最佳速度比附近工作，就能有效地利用蒸汽的理想焓降，提高机组效率。 3、多级汽轮机有哪些损失？各是如何产生的？又如何减少？ 汽轮机除了各级级内损失之外，还有进、排汽管道的节流损失，前后端轴封的漏汽损失，机械损失。 漏汽损失：原因：由于结构的要求，主轴和汽缸之间留有一定的间隙；另一方面由于气缸内外存在压差，故而必定有气体流进或流出而造成损失。减少措施：在汽轮机的两端漏气（汽）处装设汽封，以减少漏气（汽）量。 进、排汽管道的节流损失：原因：蒸汽通过汽轮机进、排汽机构时，由于节流、摩擦和涡流的存在，会使压力降低，形成损失。减少措施：前者可以通过改进蒸汽在通过汽阀时的流动特性来减少，如使用带扩压管的单座阀。 4、叙述齿型轴封的工作原理。 蒸汽通过一环形齿隙时，由于通道面积减小，速度增加，压力从po降到p1。但是蒸汽进入两齿间的大空间时，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。即蒸汽通过轴封齿隙为一节流过程。其后，蒸汽每通过轴封一齿隙时，都重复这一过程，压力不断降低，直到降低轴封最后一齿后的压力为止。所以，轴封的作用是将一个较大的压差分割成若干个减小的压差，从而达到降低漏汽速度，减小漏汽量的作用。 6、多级汽轮机轴向推力的平衡办法。 （１）叶轮上开设平衡孔；（２）设置平衡活塞；（３）采用多缸反向布置；（4）采用推力轴承。 7、提高汽轮机单机容量的措施有哪些？ （1）提高新蒸汽的参数；（２）采用高强度低重度的合金材料；（3）采用多排汽口（４）采用给水会热加热系统（５）提高背压；（６）采用双层叶片；（７）采用低转速。 第三章 第四章 4、汽轮机运行对其调节系统的基本要求有哪些？ （1）调节系统应能保证机组启动时平稳升速至3000rpm，并能顺利并网；（2）机组并网后，蒸汽参数在允许范围内，调节系统应能使机组在零负荷至满负荷之间任意工况稳定运行；（3）在电网频率变化时，调节系统能自动改变机组功率，与外负荷的变化相适应；在电网频率不变时，能维持机组功率不变，具有抗内扰性能；（4）当负荷变化时，调节系统应能保证机组