汽轮机设备课程教案.docx

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汽轮机设备课程教案

汽轮机设备课程教案

授课时间

第周

节次

课题

绪论

课型

理论课（√）、实践课（）、习题题（）、其它（）

教学

时数

2

教学

目的

1.了解汽轮机的用途。

基本原理

2.能识读汽轮机的型号

3.掌握不同汽轮机的工作特点

教学

方法

讲授、启发、做练习

教学

重点

难点：

汽轮机的原理

审批

教学内容

课堂组织（10min）

1.检查到课人数

2.说明本课程的重要性

新课内容（80min）

绪  论

一、汽轮机的用途：

汽轮机是将蒸汽的能量转换成为机械功的旋转式动力机械。

二、汽轮机发展概述：

  自1883年第一台轴流式汽轮机诞生至今，汽轮机发展经历了两个阶段，第一阶段是各类型汽轮机全面问世阶段（1883~1925），第二阶段是向高参数、高效率、大容量方向发展阶段。

  1883年拉伐尔创造第一台轴流式汽轮机；

  1884～1894年巴森斯（英）轴流式多级反动式汽轮机、辐流式汽轮机、背压式汽轮机；

  1900年寇蒂斯造复速级汽轮机；造多级冲动式汽轮机；

  1920年造给水回热式汽轮机；

  1925年造出中间再热式汽轮机。

三：

汽轮机级的工作原理

（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

四、汽轮机分类和型号：

1.按工作原理：

冲动式、反动式；

2.按热力特性：

凝汽式、背压式、调整抽汽式、抽汽背压式、中间再热式、混压式；

3.按汽流方向；轴流式、辐流式；

4.按用途：

电站、工业汽轮机、船用、凝汽供暖式；

 5、按进汽参数：

低压、中压、高压、超高压、亚临界、超

临界；

  6、按容量：

大功率、小功率；

型号：

Δ**—**/**/**—*

Δ—汽轮机类型，用汉语拼音表示。

N—凝汽式汽轮机B—背压式汽轮机

C—一次调节抽汽式汽轮机CC—二次调节抽汽式汽轮机

CB—调节抽汽背压式汽轮机H—船用汽轮机Y—移动式汽轮机

**—额定功率**/**/**—蒸汽参数*—变型序号

内容小结（5min）汽轮机是将工质（蒸汽）的能量转变为汽轮机机械能的一个能量转换过程。

工质的热能在喷嘴栅中（也可以有部分在动叶栅中）首先转变为工质的动能，然后在动叶栅中再使这部分动能转变为机械能。

作业布置（5min）

第8页1.2.4.5.7

教学

后记

汽轮机设备课程教案

授课时间

第周

节次

课题

单元一：

汽轮机工作原理

课题一：

蒸汽在喷嘴中的流动

课型

理论课（√）、实践课（）、习题题（）、其它（）

教学

时数

2

教学

目的

1.掌握蒸汽在喷嘴里的能量转换过程

2.学会能量转换的计算方法

教学

方法

讲授、启发、做练习

教学

重点

难点

难点：

能量转换的计算方法

重点：

能量转换过程

审批

教学内容

课堂组织（10min）

1.检查到课人数

2.总结上课引出新课

新课内容（80min）

课题一：

蒸汽在喷嘴中的流动

级的简化一元流动模型和基本方程：

1.模型

（1）稳定的；

（2）、绝热的；（3）、一元的；（4）、工质是理想气体；

1.基本方程式：

  蒸汽在喷嘴里的热力过程

（一）蒸汽在喷嘴里的热力过程

（二）滞止参数

当用下角0与1分别表示喷嘴进出口处的状态时，上式表明，蒸汽在喷嘴出口处的动能是由喷嘴进口和出口的蒸汽参数决定的，并和喷嘴进口蒸汽的动能有关。

当喷嘴进口蒸汽动能很小，并可忽略不计时，喷嘴出口的蒸汽流速仅是热力学参数的函数。

若喷嘴进口蒸汽的动能不能忽略不计，那么我们可以假定这一动能是由于蒸汽从某一假想状态0*等比熵膨胀到喷嘴进口状态0时所产生的，在这一假想状态下，蒸汽的初速为零。

换言之，参数p0*、v0*是以初速c0从p0、v0等比熵滞止到速度为零时的状态，我们称p0*、v0*、h0*等为滞止参数。

滞止参数在h-s图上的表示如图所示。

二、蒸汽在喷嘴中的流动速度

（一）蒸汽在喷嘴出口的理想速度

或

（二）蒸汽在喷嘴出口的实际速度

（1）喷嘴的速度系数

实际流动是有损失的，汽流实际速度小于汽流理想速度。

通常用喷嘴速度系数ϕ来考查两者之间的差别（通常取ϕ=0.97）。

这样，喷嘴出口的汽流实际速度为：

（2）喷嘴出口实际速度

（3）喷嘴损失

实际流动过程中的喷嘴动能损失，即喷嘴损失

三、蒸汽在斜切喷嘴里的膨胀过程

（一）蒸汽在斜切喷嘴里的膨胀特点

（1）渐缩喷斜切嘴

（2）缩放喷嘴，其现象也相似。

当喷嘴背压低于出口截面AB的设计压力

时，蒸汽在斜切部分ABC内就要发生膨胀和偏转。

（二）气流偏转角的计算

由上式可见，若已知喷嘴压比

蒸汽定摘指数

及喷嘴出口角

就可算出偏转角

。

（三）喷嘴斜切部分的膨胀极限内容小结（5min）

具有一定压力、温度的蒸汽通过汽轮机的级时，首先在静叶栅通道中得到膨胀加速，在此过程中流量和速度都有损失，其实际流量和速度的计算都是建立在理想基础之上的。

作业布置（5min）

第37页4

教学

后记

汽轮机设备课程教案

授课时间

第周

节次

课题

单元一：

汽轮机工作原理

课题二：

蒸汽在动叶中的流动

课型

理论课（√）、实践课（）、习题题（）、其它（）

教学

时数

2

教学

目的

1.掌握蒸汽在动叶里的能量转换过程

2.学会能量转换的计算方法

教学

方法

讲授、启发、做练习

教学

重点

难点

难点：

能量转换的计算方法

重点：

能量转换过程

审批

教学内容

课堂组织（10min）

1.检查到课人数

2.总结上课引出新课

新课内容（80min）

课题二：

蒸汽在动叶中的流动

一、蒸汽在动叶里的热力过程

动叶片实际是“旋转的喷嘴”将C转换成W，则一切运算规律与蒸汽在喷嘴中的情况一样。

二、动叶的速度三角形

（一）  动叶栅进出口速度三角形

（二） 动叶栅进出口速度三角形

1.动叶出口蒸汽的相对速度

（1）理想相对速度

（2）动叶速度系数

动叶速度系数ψ：

动叶出口实际相对速度与动叶出口理想相对速度之比。

（3）实际相对速度

（4）动叶损失：

动叶能量损失系数：

Ψ的大小与叶型、叶高、反动度、表面光洁度等有关，通常取Ψ＝0.85~0.95

2.动叶出口蒸汽的绝对速度

3.余速损失：

中间级：

余速可被下一级利用；

孤立级：

余速不被下一级利用。

用μ＝０～１来表示余速利用的程度。

三、蒸汽对动叶的轮周功率

（一）蒸汽对动叶的作用力

作用在动叶上的汽流力可归结为产生旋转机械功的切向力（又称轮周力）和不产生机械功的轴向力。

由动量定律求得。

利用速度三角形关系进行计算。

1.轮周力Fu：

是对动叶做功的力

2.轴向力：

产生轴向推力不做功

式中：

全周进汽：

Az=πdmlb

部分进汽：

Az=πdmlbe

蒸汽对动叶总作用力Fb

（二）轮周功率和轮周功

1.轮周功率

概念：

单位时间内蒸汽推动叶轮旋转所作出的机械功称为轮周功率。

计算式；

2.轮周功

1kg蒸汽产生的轮周功Wu等于级的轮周有效比焓降Δhu。

内容小结（5min）

动叶栅可以看作旋转的喷嘴，引入相对速度的概念和冬夜速度三角形后，喷嘴的计算方法同样适用于动叶，蒸汽在动叶中膨胀做功，冲动力和反动力共同作用，将蒸汽的动能进一步转换为机械能，其转换过程有轮周功率和轮周功公式定量计算而得。

作业布置（5min）

第37页5

教学

后记

汽轮机设备课程教案

授课时间

第周

节次

课题

单元一：

汽轮机工作原理

课题三：

级内损失级效率

课题四：

级的速比与级效率之间的关系

课型

理论课（√）、实践课（）、习题题（）、其它（）

教学

时数

2

教学

目的

1.了解级内损失有哪些

2.能分析级内损失产生的原因

教学

方法

讲授、启发、做练习

教学

重点

难点：

分析级内损失产生的原因

分析轮周功率与最佳速比之间的关系

审批

教学内容

课堂组织（10min）

1.检查到课人数

2.总结上课引出新课

新课内容（80min）

第三节：

级内损失与级效率

一：

级内损失

（一）  叶高损失

δhl叶栅损失：

叶型损失（包括喷嘴损失、动叶损失，由附面层中摩擦损失、附面层脱离引起的涡流损失、尾迹损失、冲波损失组成）

（二）  扇形损失δhθ

θ＞12时，采用直叶片

θ＜8时，采用扭叶片（变截面叶片）

（三）  叶轮摩擦损失δhf

蒸汽之间，蒸汽与叶轮之间都存在摩擦。

高压部分v2t小，δhf则增加；

低压部分v2t大，δhf则减少；

小汽轮机，D较小，δhf则增加；

（四）  部分进汽损失δhe（e＜1＝

1、鼓风损失δhw

2、斥汽损失δhs

（五）  漏汽损失δhleak

1、隔板漏汽损失δhp

2、叶顶漏汽损失δht

（六）  湿汽损失δhx

二、汽轮机级的相对内效率和内功率

（1）  级的相对内效率（级效率）

定义：

级的有效焓降与级的理想能量之比

级的相对内效率是衡量级内能量转换完善程度的最终指标，与所选用的叶型、速比、反动度、叶栅的高度等有密切关系，也与蒸汽的性质、级的结构有关。

（2）  级的内功率（有效功率）

第四节：

级的轮周功率与最佳速比

一、轮周效率与速比的关系

令

，

称为速比。

（一）纯冲动级

若级的理想滞止比焓降不变，对于纯冲动级来说也就是喷嘴滞止理想比焓降和

均不变，以改变圆周速度

达到改变速比

（二）反动级

为了得到轮周效率的最大值，必须使x1（2cosα1-x1）之值为最大

（三）.冲动级

冲动级的反动度一般在0.05~0.30之间，对于余速可被利用的冲动级，根据速度三角形和这种级的特点，由式（1．3．20）可推导出它的轮周效率的表达式：

其中

（四）速度级

1.速度级的特点

其构造特点是在一个级的叶轮上安装有两列动叶栅，在两列动叶栅之间再加装一列转向导叶，以改变第一列动叶出口的汽流方向与喷嘴出口汽流的方向一致，如图1-16所示。

因此，应用速度级可在叶轮直径较小的条件下，利用较大的蒸汽比焓降，而仍能保持有较高的效率。

速度级一般是用于汽轮机的调节级，或制成单级汽轮机。

2.速度级的速度三角形

因为复速级常单独做成单级汽轮机或做成多级汽轮机的调节级，故余速利用系数

＝0。

速度三角形可以画成下图

3.速度级的轮周功率和轮周功

（1）轮周功率（

（2）轮周功

（3）速度级的损失及轮周功率

4.速度级的最佳速比

5.速度级与单列级的比较

（1）比焓降

（2）轮周功率

在最佳速比时上述级的最高轮周效率，反动级的最高，复速级的最低。

只有在中、小型机组上才采用复速级；

在x1=０～0.28之间，复速级的才高于单列级，因此在x1＜0.28时复速级才有被采用的价值。

内容小结（5min）级的相对内效率考虑了几内各项损失，减小级内损失，可提高相对内效率。

轮周效率与喷嘴能量损失、动叶能量损失和余速损失有关。

速比是确定轮周效率的重要参数，也是影响级的作功能力的因素，随转速或级焓降的变化，而在较大范围内变化。

作业布置（5min）

第37页6、7

教学

后记

汽轮机设备课程教案

授课时间

第周

节次

课题

单元一：

汽轮机工作原理

课题五：

多级汽轮机

课题六：

汽轮发电机组的效率和经济指标

课型

理论课（√）、实践课（）、习题题（）、其它（）

教学

时数

2

教学

目的

1.掌握多级汽轮机各种损失产生的原因及效率的计算

2.里了解汽轮发电机组的经济指标

教学

方法

讲授、启发、做练习

教学

重点

难点：

多级汽轮机的损失产生的原因

审批

教学内容

课堂组织（10min）

3.检查到课人数

总结上课引出新课

新课内容（80min）

一、多级汽轮机的损失

外部损失：

不直接影响蒸汽状态的损失；

内部损失：

直接影响蒸汽状态的损失；

1. 多级汽轮机的外部损失

（1）外部漏汽损失

轴封系统：

正压轴封负压轴封

1）齿形汽封的工作原理：

漏汽量：

要减少漏汽量，则应减小漏汽面积、降低流速、但不能随意改变。

只有一个办法降低C：

将漏汽间隙用齿片分成间隙，即加装汽封，所以应减小齿隙两侧的压差。

蒸汽通过汽封是一个节流过程，压力不断降低，将总压差分成份，分配在每一片汽封齿上，使每一汽封片两侧的压差很小，减少了漏汽量。

2）芬诺曲线：

漏汽在汽封齿中流动时遵循的cρ=常数的曲线，反映蒸汽通过汽封齿的热力过程。

2.多级汽轮机的内部损失

1）汽轮机进汽机构的节流损失：

与管道的长短、阀门的型线、蒸汽的流速等因素有关。

Δp0=（0.03~0.05）p0

2）汽轮机的级内损失

3）汽缸导汽管之间的阻力损失：

Δps=（0.02~0.03）Δps

4）排气阻力损失：

（由于损失的存在，有时会使末级后压力高于凝汽器内的压力）

Δpc=（0.02~0.06）pc

5）中间再热管道的损失：

Δpr=（8%~12%）pr

二、多级汽轮机的热力过程：

多级冲动式汽轮机热力过程线：

如图

三、多级汽轮机的重热现象和重热系数

（一）重热现象

在水蒸气的h-s图上等压线是沿着比熵增大的方向逐渐扩张的，也就是说，等压线之间的理想比焓降随着比熵的增大而增大。

这样上一级的损失（客观存在）造成比熵的增大将使后面级的理想比焓降增大，即上一级损失中的一小部分可以在以后各级中得到利用，这种现象称为多级汽轮机的重热现象。

（二）重热现象对相对内效率的影响

此时全机的相对内效率为

（三）重热系数的影响因素

（1）多级汽轮机各级的效率。

（2）多级汽轮机的级数。

当级数越多，则上一级的损失被后面级利用的可能性越大，利用的份额也越大,α值将增大。

　　四．多级汽轮机的余速利用

1.余速利用对多级汽轮机热力过程的影响

余速利用后，整机热力过程线左移，整个过程的熵增减小，汽轮机的效率提高。

2．余速利用对级效率的影响

3．实现余速利用的条件

五、多级汽轮机的轴向推力

（一）多级汽轮机的轴向推力

1、作用在动叶上的FZ1

2、作用在叶轮面上的FZ2

3、作用在轮毂上或转子凸肩上的FZ3

4、作用在轴封凸肩上的FZ4

单级所受的轴向推力：

Fi=FZ1+FZ2FZ3+FZ4

汽轮机所受的总轴向推力FZ=ΣFZi

（二）多级汽轮机的轴向推力的平衡方法

1、加装平衡活塞（常用于反动时汽轮机）；

2、叶轮上开平衡孔；

3、汽缸的反向布置和汽缸内的分流；

4、加装推力轴承。

课题六：

汽轮发电机组的效率和经济指标

一、汽轮发电机组的效率

绝对效率：

将发电厂热力系统作为研究对象，输入能量为每千克蒸汽在锅炉中的吸热量。

相对效率：

将汽轮机组为研究对象，输入能量为汽轮机的理想焓降。

ηg=Pel/Pe

ηel=Pel/Pt=（Pel/Pe）（Pe/Pi）（Pi/Pt）=ηgηmηi

ηg=97%~99%

Pel=GΔHtηgηmηi

=DΔHtηgηmηi/3600

有回热抽汽时用折合焓降计算

绝对效率

循环效率：

任一绝对效率等于同一相对效率与循环效率的乘积。

ηai=ηiηt

ηae=ηeηt=ηiηmηt

ηael=ηelηt=ηiηmηgηt

内容小结（5min）

增加汽轮机单机功率的途径，为采用多级汽轮机。

上一级损失中的一小部分可以在以后各级中得到利用，这种现象称为多级汽轮机的重热现象。

重热现象可以提高汽轮机的相对内效率。

由于重热现象还存在余速利用的问题

作业布置（5min）

第37页8、10、11

教学

后记

汽轮机设备及运行课程教案

授课时间

第周

节次

课题

单元二：

汽轮机设备结构

课题一：

动叶片

课题二：

叶片的振动

课型

理论课（√）、实践课（）、习题题（）、其它（）

教学

时数

2

教学

目的

1.掌握叶片的作用、结构和形式

2.了解叶片的受力情况

教学

方法

讲授、启发

教学

重点

难点

难点：

叶片受力分析

重点：

叶片的作用、结构和形式

审批

教学内容

课堂组织（10min）

1、检查到课人数

2、总结上课引出新课

新课内容（80min）

单元二：

汽轮机设备结构

课题一：

动叶片

一、叶片的结构和类型

叶片的结构一般由叶型、叶根和叶顶三部分组成。

1.叶根

2.叶型

3.叶顶

拉筋为6—12mm的实心或空心金属圆杆，穿在叶型部分的拉筋孔中。

拉筋与叶片间可以采用焊接结构（焊接拉筋），也可以采用松装结构（松装拉筋或阻尼拉筋）。

通常每级叶片上穿1—2圈拉筋，最多不超过3圈。

二、叶片的受力

（一）叶片的拉应力

（二）叶片的弯应力

课题二：

叶片的振动

动叶片的振动

基本型式叶片在不均匀汽流力的作用下，可以产生弯曲振动和扭转振动两种型式。

弯曲振动又可分为切（即轮周向）向振动和轴向振动，扭转振动主要发生于长扭叶片。

单叶片振型分类

弯曲振动挠最大、最小主惯性轴的振动。

切向振动由于叶片的最大主惯性轴与轮周方向的夹角较小，故将绕截面最小主惯性轴的振动称为切向振动。

一、引起叶片振动的激振力

二、叶片的振型

工程上根据激励力的谐波特征和叶片自振频率的分布，将实际中对叶片运行安全影响较大的振型称之为主振型。

主振型有三个，即切向A0型振动的动频率与低频激振kn；切向B0型振动的动频率与高频激振znn；切向A0型振动的动频率与高频激振znn

三、叶片的自振频率

自振频率的大小，与叶片的截面形状I、材料机械特性E、密度等有关。

要改变自频率，应着重于改变叶片的抗弯刚度和材料的线密度。

四、叶片的振动安全准则

五、叶片的调频

叶片调频和减小叶片动应力的方法

内容小结（5min）

动叶片安装在转子叶轮（冲动式汽轮机）或转鼓上，把蒸汽的动能转换成机械能，使转子旋转。

动叶片由于受到周期性变化的气流力的影响，将产生振动，他们必须满足各自的强度安全准则

作业布置（5min）

第85页1、2、3、4、5、6

教学

后记

汽轮机设备及运行课程教案

授课时间

第周

节次

课题

单元二：

汽轮机设备结构

课题三：

转子

课题四：

联轴器和盘车装置

课型

理论课（√）、实践课（）、习题题（）、其它（）

教学

时数

2

教学

目的

1.掌握转子的结构、形式和特点

2.理解临界转速的概念

3.理解联轴器和盘车装置的工作原理

教学

方法

讲授、启发

教学

重点

难点

难点：

临界转速

重点：

转子的结构、盘车装置的工作原理

审批

教学内容

课堂组织（10min）

1、检查到课人数

2、总结上课引出新课

新课内容（80min）

课题三：

转子

一、转子的分类

汽轮机转子可分为轮式转子和鼓式转子两种基本类型。

1．套装转子

2．整锻转子

3．组合转子

4．焊接转子

二、叶轮的结构和分类

冲动式汽轮机的转子上都有叶轮，用来装置动叶片并将叶片上的转矩传递到主轴上。

叶轮由轮缘和轮面组成，安装式叶轮还有轮鼓。

轮缘是安装叶片的部位，其结构取决叶根型式，轮毂是为了减小内孔应力的加厚部分；轮面将轮缘与轮毂连成一体。

高、中压级叶轮上通常开有5—7个平衡孔，以疏通隔板漏汽和平衡轴向推力。

叶轮的结构形式

等厚度叶轮锥形叶轮双曲线叶轮等强度叶轮

三、转子的临界转速

汽轮机转子的临界转速的概念

汽轮机转子的转速升高到一定值时，转子会发生强烈振动，轴承座的振幅明显增加，转速高于这值后，振幅又减小，转速继续升高至另一值时，振幅又增加，在工程中，把出现振幅峰值的转速称为转子临界转速。

（一）等直径均布质量转轴的临界转速

（二）汽轮机转子的临界转速

（三）转子临界转速的校核标准

以汽轮机的工作转速高于还是低于第一临界转速分类，把转子分为挠性转子和刚性转子两大类，高于第一临界转速的转子称为挠性转子，低于第一临界转速的转子称为刚性转子。

转子转动过程中，随着转速的提高，转子的振幅逐渐减小，即振幅等于偏心距，但方向相反，意味着偏心离心力方向绕几何中心点转过180度，与弹性恢复力方向一致，并把转子质心拉向轴承连线的中点，于是质心点和轴承中心点重合，这种现象称为自动定心。

转子的横向转速与该临界转速相等，说明：

转子在临界转速条件下的运动与受力情况和转子在横向振动时不一致。

临界转速运动为转子绕轴线涡动，在旋转过程中应力的方向不改变，无疲劳问题，转子在作横向振动时，转子上各点在振动一次的过程中，应力方向在改变，存在疲劳问题。

临界转速或转子横向振动都是共振现象，在本质上是一样的，轴系的自振频率等于激振力频率或整数被，只是表现形式不同。

汽轮发电机组的轴系扭振原因是轴承中心，转子轴心，旋转中心三者不再同一直线上。

油膜振荡：

动膜作用能引起油膜自激振动，先由小扰动把轴心压下，使轴承下部油膜变薄，油量变化，使轴颈中心供轴瓦甩动，轴下面的油膜厚度变化，当油涡动角速度与临界速度合拍出现油膜共振，即油膜振荡或油击。

汽轮机启动或停机过程中，对其零件而言，是加热和冷却的过程，这些零件由于温度变化而产生的膨胀或收缩变形称为热变形；又温度变化引起的应力称为温度应力，又称热应力。

第七节：

盘车装置

课题四：

联轴器和盘车装置

一、联轴器

联轴器又叫靠背轮，用来连接汽轮机的各个转子以及发电机转子，并将汽轮机的扭矩传给发电机。

在多缸汽轮机中，如果几个转子合用一个推力轴承，则联轴器还将传递轴向推力；如果每个转子都有自己的推力轴承，则联轴器应保证各转子的轴向位移互不干扰，即不允许传递轴向推力。

联轴器通常有三种型式，即刚性联轴器、半挠性联轴器和挠性联轴器。

刚性连轴器

联轴器螺栓盘车齿轮

半挠性联轴器

联轴器波形套筒螺栓

二、盘车装置

1）提供一套盘车装置，在汽机转速降至零转速时，既能电动盘车，也能手动盘车。

2）采用低速盘车，盘车装置是自动啮合型的，能使汽轮发电机组转子从静止状态转动起来。

3）盘车装置的设计能做到在停机时自动投入，并能在汽轮机冲转达到一定转速后自动退出。

盘车装置与顶轴油系统间设联锁。

4）提供一套压力开关和压力联锁保护装置，防止在油压建立之前投入盘车，盘车装置正在运行而油压降低到不安全值时能发出报警，当