热力叶轮机械原理第五章 多级汽轮机1

汽轮机工作原理及构造汽轮机是一种常用于发电厂和船舶动力系统中的热力机械设备。

它通过燃烧燃料产生高温高压的蒸汽，然后利用蒸汽的能量驱动涡轮机进行旋转，最终将旋转的动能转化为电能或机械动力。

本文将介绍汽轮机的工作原理及构造。

一、汽轮机的工作原理汽轮机的工作原理基于热力学循环和流体力学原理。

一般而言，汽轮机采用的热力学循环是朗肯循环，其主要由以下四个过程组成：压缩、加热、膨胀和冷却。

1. 压缩过程：冷凝器中的凝汽泵将凝结的蒸汽吸入压缩机中，通过压缩使其压力和温度升高。

2. 加热过程：高温高压的蒸汽进入到汽轮机的燃烧室中，其中的燃料燃烧产生高温高压的气体，使蒸汽进一步增加温度和压力。

3. 膨胀过程：高温高压的气体通过喷嘴喷射到涡轮机中，推动涡轮机旋转，由于涡轮机叶片的设计，气体内部的压力和温度降低。

同时，涡轮机的转动也将转动轴上的发电机或其他机械装置带动。

4. 冷却过程：膨胀后的蒸汽进入冷凝器，通过冷凝器中的冷却水吸热，使蒸汽冷凝成水，并回路循环。

二、汽轮机的构造汽轮机的主要构造包括压缩机、燃烧室、涡轮机和冷凝器等组成部分。

下面将对这些部分进行简要介绍。

1. 压缩机：压缩机通常是由多个级数的离心式或轴流式压缩机组成。

其主要作用是将低温低压的蒸汽压缩成高温高压的蒸汽，为燃烧室提供所需的工作介质。

2. 燃烧室：燃烧室是燃烧燃料的地方，其设计可以使燃料尽量充分燃烧，并产生高温高压的气体。

不同类型的汽轮机有不同的燃烧室结构，常见的有环形燃烧室和燃气轮机中的燃烧室。

3. 涡轮机：涡轮机是汽轮机中最核心的部分，它是通过高温高压气体的推动而旋转，将热能转化为机械能。

涡轮机一般包括高压涡轮和低压涡轮。

高压涡轮接受来自燃烧室的高温高压气体推动，低压涡轮接受来自高压涡轮排出的低温低压气体推动。

4. 冷凝器：冷凝器是一个换热器，用于将膨胀后的蒸汽冷凝成水。

冷凝器通常通过冷却水来吸热，使蒸汽冷凝成水，并将冷凝后的水再次引入蒸汽循环中。

多级汽轮机♦多极汽轮机概述♦蒸汽在多级汽轮机内的能量转换♦多级汽轮机的结构♦汽轮机的轴封系统多级汽轮机的必要性♦F u=D(c1cosα1+c2cosα2)♦P u= u F u= Du(c1cosα1+c2cosα2)♦随D增大,要求叶片加长,离心力大,叶片根部拉断。

♦随压差增大，c1cos α1增大，F u增大，叶片折弯。

东方汽轮机厂生产的双缸双排汽300 MW汽轮机纵剖面东汽超超临界1000MW汽轮机蒸汽在多级汽轮机内的能量转换♦一、能量转换过程1p2p3p4p5phsΔhmactΔh t’1Δh t’2Δh t’3Δh t’4Δh t，2Δh t，3Δh t，4Δh i，1Δh i，2Δh i，3Δh i，4Δhmac i二. 多级汽轮机的特点（一）多级汽轮机的效率大大提高z在设计工况下每一级都在最佳工况附近工作z余速动能可以全部或部分的被下一级利用z在容积流量相同的条件下由于直径较小因而叶高损失减小，喷嘴流动效率较高z蒸汽初参数可大大提高，排汽压力降低，采用回热循环和中间再热循环，所以多级汽轮机的循环热效率高（二）多级汽轮机单位功率的投资大大减小z单机功率大。

单位功率汽轮机组的造价、材料消耗和占地面积减小。

（三）多级汽轮机存在的问题z增加了一些附加损失，如隔板漏汽损失；z增加了机组的长度和质量；z对零件的金属材料要求提高；z级数增加，结构更加复杂。

¾总体上讲：多级汽轮机远优于单级汽轮机。

多级汽轮机由于具有效率高、功率大、投资小等突出优点而得到广泛应用。

三、多级汽轮机内的损失♦进汽节流损失–由于节流作用引起的焓降损失–与管道长短、阀门型线、蒸汽室形状及气流速度等有关–包括两个汽缸之间♦排汽节流损失–由于排气管压力损失引起的焓降损失–取决于排气管中气流速度大小、排气管结构型式和它的型线三、多级汽轮机内的损失♦轴封漏汽损失–间隙、压差、漏出（入）、降低效率–正压轴封与负压轴封♦机械损失–克服支持轴承和推力轴承的摩擦阻力等–与转速有关四、汽轮机的功率和效率♦1 汽轮机的内功率–多级汽轮机内功率P i等于各级内功率之和♦2汽轮机的轴端功率–汽轮机的输出静功称为轴端功率P a=P i-ΔP m♦3 机械效率–轴端功率与内功率的比值η= P a/ P im四、汽轮机的功率和效率♦4 汽轮机的内效率–汽轮机的内功率与单位时间汽轮机中消耗的理想能量之比–反映蒸汽热能转换为机械功的相应关系–不直接反映汽轮机性能的优劣四、汽轮机的功率和效率♦5 汽轮机的相对内效率–汽轮机的有效焓降与理想焓降的比–反映汽轮机通流部分的完善程度，取决于汽轮机内各项节流损失和级内损失的大小，与轴封漏汽无关（78～90％）–若无回热抽汽，相对内效率＝内效率汽轮机的相对内效率五余速利用和重热现象♦余速利用–上一级的余速可部分被本级利用–两级间轴向间隙小–平均直径相近–全周进汽♦重热现象♦级内的各项损失最终因摩擦转变为热量，被蒸汽吸收，提高蒸汽的做功能力，这种现象称为重热现象21P0P1p2Δhstδhnh2tΔhs Δhδhbδhc六．多级汽轮机的轴向推力及其平衡1. 轴向推力♦汽轮机在运行时，转子需要承受很大的轴向推力。

多级汽轮机的工作原理解析多级汽轮机通常由高压汽缸、中压汽缸和低压汽缸组成，每个汽缸又包括一个转子和一个定子。

转子是旋转部件，由叶片组成；而定子则是固定部件，也由叶片构成。

这些转子和定子通过轴连接在一起，形成一个整体。

蒸汽则通过多级汽缸进行流动，每个级别都从前一个级别的出口进入，从后一个级别的进口流出。

首先，从锅炉中产生的高温高压蒸汽通过汽轮机的进口进入第一级高压汽缸。

在这个过程中，需要控制蒸汽流量和背压，以保证蒸汽的流量和质量在一定范围内。

接下来，高温高压蒸汽进入高压汽缸，与高压汽轮机转子上的高压叶片接触，通过热交换的方式，将蒸汽的高温高压能量转移到高压叶片上。

在这个过程中，蒸汽的能量被转化为旋转转子的动能，并带动转子旋转。

而后，蒸汽从高压汽缸的出口流出，进入中压汽缸。

在中压汽缸中，蒸汽再次与中压叶片接触，继续将其能量传递给中压叶片。

最后，蒸汽从中压汽缸出口进入低压汽缸。

在低压汽缸中，蒸汽再次与低压叶片接触，将其剩余能量转移到低压叶片上。

随着蒸汽从高压汽缸到低压汽缸的流动，蒸汽的压力和温度逐级降低，同时叶片的尺寸也逐级增大。

这是为了充分利用蒸汽的能量，提高汽轮机的能量转换效率。

整个过程中，每个级别的转子都被蒸汽的动能推动旋转。

同时，由于转子与定子之间存在差速，叶片上的蒸汽将承受一个向前方推动的力，这使得转子能够对流体进行机械能转换。

最后，经过多级汽缸的作用，蒸汽从低压汽缸出口排出，进入冷凝器进行冷凝，然后重新回到锅炉中进行循环。

多级汽轮机相对于单级汽轮机具有一些优点。

首先，多级汽轮机可以提高汽轮机的能量转换效率，减少能源的浪费。

其次，多级汽轮机可以更好地适应不同条件下的工作需求，提高汽轮机的运行稳定性和可靠性。

此外，多级汽轮机还可以降低风险，当一个级别发生故障时，其他级别仍然可以正常工作。

总结多级汽轮机是一种利用高温高压蒸汽驱动的动力装置，它通过多个级别的转子和定子进行工作。

蒸汽从高压汽缸到低压汽缸的过程中，逐级降低压力和温度，同时通过热交换和机械能转换，将蒸汽的能量转化为旋转转子的动能。

汽轮机是将蒸汽的热能转换成机械能的蜗轮式机械。

在汽轮机中，蒸汽在喷嘴中发生膨胀，压力降低，速度增加，热能转变为动能。

如图 1 所示。

高速汽流流经动叶片 3 时，由于汽流方向改变，产生了对叶片的冲动力，推动叶轮 2 旋转做功，将蒸汽的动能变成轴旋转的机械能。

图 1 冲动式汽轮机工作原理图1-轴； 2-叶轮； 3-动叶片； 4-喷嘴汽轮机主要由转动部份(转子)和固定部份(静体或者静子)组成。

转动部份包括叶栅、叶轮或者转子、主轴和联轴器及紧固件等旋转部件。

固定部件包括气缸、蒸汽室、喷嘴室、隔板、隔板套(或者静叶持环)、汽封、轴承、轴承座、机座、滑销系统以及有关紧固零件等。

套装转子的结构如图 2 所示。

套装转子的叶轮、轴封套、联轴器等部件和主轴是分别创造的，然后将它们热套(过盈配合)在主轴上，并用键传递力矩。

图 2 套装转子结构1-油封环 2-油封套 3-轴 4-动叶槽 5-叶轮 6-平衡槽汽轮机主要用途是在热力发电厂中做带动发机电的原动机。

为了保证汽轮机正常工作，需配置必要的附属设备，如管道、阀门、凝汽器等，汽轮机及其附属设备的组合称为汽轮机设备。

图 3 为汽轮机设备组成图。

来自蒸汽发生器的高温高压蒸汽经主汽阀、调节阀进入汽轮机。

由于汽轮机排汽口的压力大大低于进汽压力，蒸汽在这个压差作用下向排汽口流动，其压力和温度逐渐降低，部份热能转换为汽轮机转子旋转的机械能。

做完功的蒸汽称为乏汽，从排汽口排入凝汽器，在较低的温度下凝结成水，此凝结水由凝结水泵抽出送经蒸汽发生器构成封闭的热力循环。

为了吸收乏汽在凝汽器放出的凝结热，并保护较低的凝结温度，必须用循环水泵不断地向凝汽器供应冷却水。

由于汽轮机的尾部和凝汽器不能绝对密封，其内部压力又低于外界大气压，于是会有空气漏入，最终进入凝汽器的壳侧。

若任空气在凝汽器内积累，凝汽器内压力必然会升高，导致乏汽压力升高，减少蒸汽对汽轮机做的实用功，同时积累的空气还会带来乏汽凝结放热的恶化，这两者都会导致热循环效率的下降，于是必须将凝汽器壳侧的空气抽出。

汽轮机级工作原理汽轮机级的工作原理一、汽轮机的结构简介级：由一列静叶栅和一列动叶栅组成，完成蒸汽的热能转换成转子的机械能的最基本单元。

汽轮机1)单级：喷嘴,动叶。

2)多级：静子，由汽缸、隔板、静叶、轴承等组成。

转子：由主轴、叶轮、叶片、联轴器、盘车等组成。

二、蒸汽的冲动作用原理和反动作用原理（一）冲动作用原理。

冲动力：改变其速度的大小和方向则产生一冲动力或汽流改变流动方向对汽道产生一离心力，此力为冲动力。

此力的大小取决于单位时间内通过动叶通道的蒸汽质量及其速度的变化。

（二）反动作用原理。

反动力：因汽流膨胀产生一相反力（汽体压力变化），如火箭。

此力的大小取决于汽体压力的变化。

作用在动叶片上的里有：冲动力，反动力三、汽轮机级的类型和特点（一）汽轮机级的反动度1、定义：蒸汽在动叶栅中膨胀时的理想焓降Δh b和整个级的理想滞止焓降Δh*t 之比。

平均反动度：动叶平均直径截面上的理想焓降。

2、意义：衡量在动叶中膨胀的程度。

（二）汽轮机级的类型。

轴流式有以下几种：1、冲动级和发动机和反动级1）冲动级。

特点：蒸汽只在喷嘴叶栅中膨胀，在动叶栅中不膨胀而只改变其流动方向。

结构：动叶叶型对称弯曲。

做功能力大、效率低、不采用。

带反动度的冲动级：Ω=0.05~0.2。

特点：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，作功能力比反动级大，效率比纯冲动级高。

2）反动级Ω=0.5特点：蒸汽在喷嘴和动叶中的膨胀程度相同。

结构：喷嘴和动叶采用的叶型相同。

2、压力级和速度级1）压力级：蒸汽的动能转换为转子的机械能的过程在级内只进行一次的级。

2）速度级：蒸汽的动能转换为转子的机械能的过程在级内进行一次以上的级。

如双列速度级。

3、调节级和非调节级1）调节级：通流面积能随负荷改变的级，如喷嘴调节的第一级。

2）非调节级：通流面积能不随负荷改变的级，可以全周进汽，也可以部分进汽。

蒸汽在动叶中的流动(一)反动度蒸汽在静止的喷嘴中从压力p0(当喷嘴进口蒸汽速度不为0时，则应为p0*)膨胀到出口压力p1,速度c1流向旋转的动叶栅。

多级汽轮机的工作过程及特点一、多级汽轮机的热力过程多级汽轮机由依次若干个级串联组成。

蒸汽首先在第一级喷嘴内膨胀加速，然后进入动叶栅作功。

经第一级膨胀后蒸汽再进入下一级继续膨胀作功，直到蒸汽从最末级排出为止。

蒸汽在多级汽轮机中膨胀作功过程与在级中的膨胀作功过程一样，可以用i-s 图上的热力过程线表示，如图1－1所示。

0′点表示第一级喷嘴前的蒸汽状态，根据第一级的各项级内损失，可定出2点是第一级的蒸汽终态点，同时它也是第二级前的蒸汽初态点，0′点与2点之间用一条光滑曲线连接，则为第一级的工作过程曲线。

同样可绘出第二级的热力过程线；依次类推，也可绘出以后各级的热力过程线，将各级的热力过程线依次连接起来就是整台汽 轮机的热力过程线。

图1－1 多级汽轮机的热力过程线图中p co 为汽轮机排汽压力，也称汽轮机的背压，H t 为考虑主汽阀，调节汽阀及排汽管的节流损失后汽轮机的理想焓降；h t1和h i1分别为第一级的理想焓降及内焓降；H i 为汽轮机的有效焓降，从图中可以看出，汽轮机的有效焓降H i 等于各级的有效焓降h i 之和，即H i ＝∑h i 。

整台汽轮机的内功率等于各级内功率之和。

二、多级工业汽轮机的特点1．由于级数多，使每级承担的焓降较小，相应的喷嘴出口速度较低，这样即使在动叶圆周速度不大的情况下，每个级都可以在最佳速度比下工作，因此保证每级有较高的效率，从而使汽轮机的效率得到提高。

2．由于各级焓降减小，在保持速度比一定时级的圆周速度和平均直径也较'0p p 0 i SH t h t1 0 '0 h i1H i'co p p co2小，这样可以相应提高动、静叶高度，减少了叶高损失。

对部分进汽的级而言，级的直径减小可提高部分进汽度，减少部分进汽损失，提高级的效率。

3．在多级汽轮机中除了调节级，在有抽汽口处和最后一级，它们的余速功能不能被利用外，其余各级由于汽道平坦、轴向距离较小、级与级之间布置得紧凑，所以上一级余速动能可全部或大部分被下一级所利用，提高了汽轮机的效率。

工程热力学多级燃气轮机循环的组成及其过程连接工程热力学中，多级燃气轮机循环是一种常见的能量转换系统，用于各种工业领域和能源生产。

本文将介绍多级燃气轮机循环的组成及其过程连接。

一、多级燃气轮机循环的基本组成多级燃气轮机循环的基本组成包括燃烧室、压气机、燃气轮和透平。

它们之间通过一系列管道和连接件连接起来，实现能量的传递和转换。

1. 燃烧室：燃烧室是燃气轮机循环的核心部件，用于燃烧燃料并产生高温高压燃气。

燃料通过喷油器进入燃烧室，并与空气充分混合燃烧，产生的高温高压燃气将进一步用于推动压气机和燃气轮。

2. 压气机：压气机用于将空气压缩，提供给燃烧室进行燃烧。

它由多个级别的叶轮组成，旋转时将空气加压，并将其送入燃烧室。

压气机的能效对整个循环的性能具有重要影响。

3. 燃气轮：燃气轮是多级燃气轮机循环中的核心部件之一，用于从燃烧室获得高温高压燃气的动能。

燃气轮由多个级别的叶轮组成，燃气经过叶轮冲击转动，将燃气的动能转换为轴功。

4. 透平：透平是多级燃气轮机循环中的另一个重要组件，用于从燃气轮获得的高温高压气体中提取能量。

透平与燃气轮类似，也由多个级别的叶轮构成。

高温高压气体通过叶轮冲击转动，推动轴功输出，并释放剩余热量。

二、多级燃气轮机循环的过程连接多级燃气轮机循环的过程连接是指各组件之间的能量传递和热力学循环过程。

多级燃气轮机循环通常包括压缩过程、燃烧过程、膨胀过程和排气过程。

下面将详细介绍各个过程的连接方式。

1. 压缩过程：在压缩过程中，压气机将空气压缩，提高其压力和温度。

压缩后的空气进入燃烧室，与燃料混合并燃烧。

通过管道和连接件，压缩机和燃烧室实现了能量传递和物质流动。

2. 燃烧过程：在燃烧室中，燃料和空气充分混合并燃烧，产生高温高压燃气。

燃烧室与压气机和燃气轮之间通过管道连接，将燃气引导到燃气轮的入口。

3. 膨胀过程：在膨胀过程中，燃气轮和透平将高温高压燃气的动能转化为轴功。

通过管道和连接件，燃气轮和透平将产生的功输出并传递给外部负载，如发电机等。