压力级一般是指调节级后各非调节级。当调节级选定之后,所有压力级前后的压力及理想比焓降也就确定了。由于凝汽式汽轮机进、排汽的热力参数点分别处于汽液两相区域,随着蒸汽的流动做功,蒸汽压力不断降低,其容积流量变得越来越大,且越靠近排汽侧变化越大。根据这一特点,一般把凝汽式汽轮机中的各个级按其蒸汽容积流量的大小和变化情况分成三个不同的级组,每个级组具有不同的特点。高压级组的蒸汽容积流量较小且变化缓慢;中压级组的容积流量已达一定数值但变化还不太急剧;低压级组容积流量最大,并且变化急剧。前面提及,蒸汽容积流量是影响汽轮机级内效率的主要因素之一。
需要指出,对不同类型的汽轮机,三个级组并不是都同时存在的。对于蒸汽初参数较低的凝汽式汽轮机,可以认为它的通流部分只由中压和低压级组组成,而背压式汽轮机则没有低压级组。
各级组之间应根据各自热力、气动损失特性进行有针对性的选择与设计。
1.高压级组
高压级组中蒸汽的容积流量很小,其变化也较小。级组通流部分的高度不大,几何尺寸变化平缓,其各级的能量损失中叶高损失和漏汽损失所占比例较大,如表3-18所示。
表3-18 高压级组内某级损失及相对比例
为增大叶片高度,减少叶高损失,从而提高级组各级的内效率,常采用较小的平均直径dm和较小的喷嘴出口角α1,通常α1=11°~14°(角度过小,喷嘴损失会明显增加)。为使叶片高度ln不小于12~20 mm,有时需要采用部分进汽。此时叶片高度和部分进汽度的选择原则是,叶高损失和部分进汽损失之和最小,对应的叶片高度称为最有利叶片高度。
对于大容量汽轮机,为保证必要的刚度和强度,高压隔板和喷嘴往往较厚,导致喷嘴相对高度较小,端部损失较大。为增加叶栅的相对高度,我国汽轮机制造厂广泛采用窄喷嘴结构,并配以加强筋来满足叶栅刚度与强度的要求。
2.低压级组
低压级组一般指包括最末级在内的末几个压力级。为适应蒸汽容积流量急剧增大的要求,可增大低压级组的叶片出汽角、叶高和平均直径,甚至采用多分流方式(多排汽)。该级组设计中应考虑的主要因素是,力求将叶片高度控制在合理范围,尽量使通道形状保持光滑变化。通常综合采取下列措施控制叶高,保证通道的光滑性及提高效率。
(1)加大喷嘴与动叶的出口角,但这会使级内效率降低,因此只在末级采用(末级喷嘴出口角可达18°~20°)。
(2)增大叶栅平均直径不仅可限制叶片高度过分增加,又可增大级的理想比焓降,这同时有利于级数的减少和加大级内的汽流速度,使级的通流能力增大。由于级的理想比焓降随速度比与平均直径的增大而增加,因此凝汽式汽轮机末级的理想比焓降可为高压级的3~4倍,末级的余速损失也相应增大。为了保证汽轮机具有一定的效率,目前要求基本负荷级组末级余速损失不超过全机总理想比焓降的1.5%~2.5%,一般控制在24~32 kJ/kg范围内;中间负荷级组的末级余速损失则应控制在40 kJ/kg左右。(www.daowen.com)
(3)选用较大的速度比。一般冲动式汽轮机速度比xa在0.48~0.52范围内选取,有时末级速度比可达0.6。
(4)当径高比d/l≤8~10时选用扭叶片级。
(5)为使通流部分平滑变化,并且避免采用缩放喷嘴,应逐级提高平均直径处的反动度。当根部反动度为0%~5%时,末级平均反动度可达30%~50%或更大。
(6)低压级组一般工作于湿蒸汽区,为减少湿汽损失及其给叶片带来的水蚀破坏,要求非中间再热式汽轮机最终的蒸汽湿度不超过12%。在设计时还需考虑设置去湿装置和采取相应的去湿措施。
3.中压级组
中压级组工作于过热蒸汽区,故不产生湿汽损失,同时蒸汽流过高压级组膨胀后容积流量较大,各级的叶高损失和漏汽损失相对较小,因此级组中各级的级内效率都较高,比较容易设计成有适中高度、变化光滑的通道形状。
同时,为保证级组有较高的效率,各级组都应重视以下几点:
(1)合理选择反动度。 实际运行证明,反动度(平均轮径处)Ωm选择得过大或过小,都会带来附加损失。根据试验资料,建议在设计工况下选择反动度Ωm的原则是:为保证设计工况下叶片根部不吸汽不漏汽,使叶片根部处的反动度在3%~5%之间。
(2)合理选取速度比xa。 速度比xa与反动度Ωm、部分进汽度e有密切的关系。一定的Ωm、e,有一xa与之对应。一般说来,最佳的xa值随反动度Ωm、部分进汽度e的增大而增大,随Ωm、e的减小而减小。
另外,喷嘴与叶片出口截面积之比f=Ab/An主要取决于反动度Ωm和速度比xa,Ωm越小,xa越小,f就越大。Ωm与f之间是相互对应的,选定其中一个参数,另一个参数也就确定了。
设计多级冲动式汽轮机时,通常选取高、中压非调节级的速度比xa=0.46~0.50。
(3)合理地选择通流部分的各项间隙,这些几何参数选择得合理与否,直接影响到机组运行的经济性与可靠性。
叶顶径向间隙δr=0.5~1.5 mm;围带厚度δs=2.0~4.0 mm;喷嘴闭式间隙δ2、动叶闭式间隙δ3、叶顶盖度Δt、叶根盖度Δr,可根据叶片高度及其他数据查表2-2。
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