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上海水泵集团技术之汽轮机的原理

汽轮机所做的机械功是由蒸汽膨胀产生的有效热能转换而来的。热能和机械能是两种不同形式的能量,两者可以互相转换。

热能的转换分为两个步骤:蒸汽在喷嘴里膨胀并高速喷出,将有效的热能转换成速度能(动能)。高速蒸汽冲击动叶片,将速度能转换为做功。由于蒸汽中所有的有效热能都将转变成速度能,所以蒸汽速度的大小取决于有效热能的大小。

汽轮机中高速蒸汽冲击动叶片所做的机械功,是叶片速度的函数,对于冲动级和复速冲动级来说,当动叶片的速度分别近似地等于蒸汽喷射速度的二分之一和四分之一时,它所作的功为最大。如果说有效热能限制了蒸汽的喷射速度,那么动叶片的速度也受到了汽轮机的转速和安装了动叶的转子直径的限制。所以对于给定的有效热能值来说,如果忽略了汽轮机的损耗,那么汽轮机所能发出的功及其效率将取决于汽轮机的尺寸和它的转速。

最常见的单级汽轮机是复速型汽轮机(柯蒂斯式)。在机内只经过一步就完成了从入口压力向排汽压力膨胀的整个过程。柯蒂斯级有两排动叶片和两个回流式复速级。

由于单级汽轮机可加工成9~28英寸各种不同的叶轮直径,因此它具有宽广的效率范围。

多级汽轮机的产品中叶轮直径的规格并不太多,它们的效率主要根据级数的不同而变化。如使用适当的转子,当蒸汽的总有效能量所产生的速度大于动叶速度的两倍时,则采用多级汽轮机更加有效。在多级汽轮机中,整个蒸汽的膨胀过程分配在各个冲动级内,以便每一排动叶都能产生需要的蒸汽速度。

通常使用耗汽率而不用效率来评价一台汽轮机。所谓耗汽率是指规定转速下,每小时发出规定功率所需要的蒸汽量。耗汽率与汽轮机的效率直接相关。

蒸汽的消耗量,既可以用耗汽率(每马力小时所需蒸汽的磅数)表示,也可以用蒸汽流量(每小时消耗蒸汽的磅数)来表示。效率越高,耗汽率或蒸汽流量就越低,反之亦然。

蒸汽有效的总能量来自等熵膨胀。当给定了蒸汽的初始压力和温度,以及排汽压力时,每磅蒸汽的有效热能(英热单位BTU),可以从某些表格或文献(4的给熵图中查得。

有效热能可以变换成马力或千瓦单位,或用理论的耗汽率来加以表示,即磅/马力小时或磅/千瓦小时。所谓理论耗汽率是指一台汽轮机的效率为百分之百时的耗汽率。所以在计算汽轮机的耗汽率时,使用理论耗汽率要比使用英热单位/磅来得方便。理论耗汽率可以直接地在理论耗汽率表上(ASME美国机械工程学会资料)或极坐标焓熵图上(埃利奥特公司)查得。

由于有效热能转换为机械功时,在汽轮机内存在着损失,另外也由于蒸汽速度和动叶速度之间也存在着某一个比值,所以汽轮机的实际耗汽率总是比理论耗汽率大。汽轮机排汽的剩余能量总比等熵膨胀后蒸汽所含的剩余能量来得大。

1.     初始压力和温度下的蒸汽能量

2.     排汽压力下等熵膨胀的蒸汽能量

3.     排汽压力下实际蒸汽的能量

汽轮机的效率为

h 1-h3

理论耗汽率

h 1-h2

实际耗汽率

调速汽阀和超速脱扣汽阀的压降损失是随着这两个汽阀的尺寸和蒸汽流量的变化而变化的。调速汽阀的压降变化比超速脱扣汽阀的压降变化还要大,这是因为调速汽阀的位置要随泵的功率要求,转速变化和进出口蒸汽状态的变化而变化。

喷嘴损失是因为蒸汽在喷嘴中膨胀时要克服摩擦。喷嘴效率是实际与理论蒸汽出口速度之比的平方的函数。此效率通常在95%到99%之间。

鼓风损失与轮盘摩擦损失是由于蒸汽与轮盘之间存在着摩擦,以及叶片对蒸汽的鼓风作用所致。损失与蒸汽的比容成反比,并随着排汽压力的增加及叶轮直径和叶片长度的增加而增加。

使用大直径的叶轮可以增加效率,但鼓风损失和轮盘摩擦损失的加大将会使效率得不偿失,甚至可能使总效率反而减低。

所谓排汽损失是指蒸汽在脱离动叶时它的残余速度所特有的那部分动能,以及当蒸汽流过排汽接管时所产生的压降。

能量转换损失是由于蒸汽的动能在叶片中转换为机械能是一种非理想的转换。这个损失与很多因素有关,诸如蒸汽的速度和动叶的速度,蒸汽系统中存在着摩擦,以及喷嘴的动叶片的安装角均非理想等。

确定了理论耗汽率之后,可以推算出单级柯蒂斯型汽轮机的实际性能情况

耗汽率=

基本耗汽率

×

功率+功率损失

过热校正系数

功率

 

计算实例:

蒸汽状态:250磅/英寸2(表压,进口)575℉(进口)50磅/英寸2(表压,排汽)。

设计工况:4000转/分下汽轮机发出500马力。

1. 理论耗汽率=26.07磅/千瓦小时。

2. 基本耗汽率(叶轮直径28英寸)=36磅/马力小时。

3. 功率损失(叶轮直径28英寸)=55。

4. 干蒸汽与饱和蒸汽的进口温度=406℉。

5. 过热度=575-406=169℉。

6. 过热校正系数=1.052。

7. 耗汽率=

36

×

500+55

=38.0磅/马力小时

1.052

500

 

特殊规格的汽轮机在发出实际上需要的功率时,它的性能主要取决于:

1.     查出进汽与排汽接管的蒸汽流通能力。在这里 蒸汽流量=马力×耗汽率。

2.     特殊规格汽轮机可选用的喷嘴流通能力。至于喷嘴的数量和尺寸,各制造厂的设计不尽相同。

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