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汽轮机原理（高起专）-学习指南

一、 单项选择题（每题４分）
1．目前，我国火力发电厂先进机组的绝对电效率可达（ ）左右。
A. 50% B. 40%
C. 60% D. 70%
2．在多级汽轮机中，全机理想比焓降为1200kJ/kg，各级的理想比焓降之和为1242kJ/kg，则重热系数为（ ）。
A. 1.5% B. 2.5%
C. 3.5% D. 0.5%
3．现代汽轮机相对内效率大约为（ ）左右。
A. 90% B. 50%
C. 40% D. 60%
4．（ ）用来评价不同类型汽轮发电机组的经济性？
A. 汽耗率 B. 热耗率
C. 机械效率 D. 发电机效率
5．增加轴封齿数可以（ ）轴封漏汽。
A. 增加 B. 不确定
C. 减少 D. 以上都不对
6. 背压式汽轮机非调节级，流量增大，级的理想比焓降（ ）。
A. 减少 B. 不变
C. 不确定 D. 增大
7. 节流配汽凝汽式汽轮机，全机轴向推力与流量成（ ）。
A. 正比 B. 反比
C. 抛物线 D. 不确定
8. 凝汽式汽轮机中间级，流量变化时级的理想比焓降（ ）。
A. 增大 B. 减少
C. 不变 D. 指数
9. 在凝汽器的两管板之间设中间隔板，是为了保证冷却水管有足够的（ ）。
A. 强度 B. 挠度
C. 热膨胀 D. 刚度
10. 1千克蒸汽所具有的理想比焓降中最终被转化成电能的效率称为汽轮发电机组的（ ）。
A. 机械效率 B. 相对电效率
C. 绝对电效率 D. 以上都不是
11. 1千克蒸汽理想比焓降中转换成电能的部分与整个热力循环中加给1千克蒸汽的热量之比，称为（ ）。
A. 绝对电效率 B. 热效率
C. 相对电效率 D. 以上都不是
12. 汽轮机的级中做功能力最大的级为（ ）。
A. 纯冲动级 B. 带反动度的冲动级
C. 反动级 D. 复速级
13. 在反动式汽轮机级中，如果不考虑损失，则蒸汽在动叶通道中的绝对速度（ ）。
A. 提高 B. 降低
C. 不变 D.不确定
14. 在其它条件不变的情况下，进入凝汽器的蒸汽量减少，则凝汽器的真空度（ ）。
A．不变 B. 降低
C．提高 D. 不确定
15. 电液转换器的作用是将发电机（ ）信号转换为液压信号。
A．电压 B.电功率
C. 转速 D.电
16. 液压调节系统中油质发生变化时，下列（ ）不会受到影响？
A．汽门动作可靠性 B. 速度变动率
C．错油门动作可靠性 D. 迟缓率
17. 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（ ）。
A．减少 B. 增大
C．不变 D. 不确定
18. 下列（ ）属于汽轮机调节系统的组成部分？。
A．超速保险 B. 自动主汽门
C. 危急遮断油门 D. 油动机
19. 并列运行的机组，同步器的作用是（ ）。
A．改变汽轮机功率 B. 改变调节系统油压
C．改变机组的转速 D. 减小机组振动
20. 已知蒸汽在汽轮机某级的滞止理想焓降为40 kJ/kg，该级的反动度为0.187，则喷嘴出口的理想汽流速度为（ ）。
A．128 m/s B. 220 m/s
C．161 m/s D. 255 m/s
21. 多级汽轮机相对内效率降低的不可能原因是（ ）。
A．进排汽损失增大 B. 余速利用系数降低
C. 级内损失增大 D. 重热系数降低
22. 叶轮上开平衡孔可以起到（ ）轴向推力的作用。
A．增加 B. 不确定
C. 减少 D. 以上都不是
23. 在多级汽轮机中，全机理想比焓降为1200 kJ/kg，各级的理想焓降之和为1230 kJ/kg ，则重热系数为（ ）。
A．3.5% B. 2.5%
C. 4% D. 1.5%
24. 火力发电厂汽轮机的主要任务是将热能转换成（ ）。
A．电能 B. 机械能
C．热能 D. 化学能
25. 蒸汽流动过程中，能够推动叶轮旋转对外做功的有效力是（ ）。
A．周向力 B. 轴向力 C. 径向力 D. 蒸汽压差

二、 分析计算题
1．（25分）已知汽轮机某级的理想焓降为84.3 kJ/kg，初始动能1.8 kJ/kg，反动度0.04，喷嘴速度系数= 0.96，动叶速度系数= 0.96，圆周速度为171.8 m/s，喷嘴出口角1 = 15°，动叶出口角2 =1－3°，蒸汽流量G = 4.8 kg/s。求：
（1）喷嘴出口相对速度？
（2）动叶出口相对速度？
（3）轮周功率？
2．（20分）汽轮机的级可分为哪几类？各有何特点？
3．（15分）凝汽式汽轮机的蒸汽初参数为： 蒸汽初压MPa，初温，汽轮机排汽压力MPa，进汽节流损失，试问进汽节流损失使理想焓降减少多少？
4．（15分）何谓功频电液调节系统的反调现象，是怎样产生的？可采用什么措施消除？
5．（25分）已知某级G=30Kg/s，c0=0.0，w1=158m/s，c1=293m/s，w2=157m/s，c2=62.5m/s，轴向排汽(α2=900),喷嘴和动叶速度系数分别为=0.95，=0.88，汽轮机转速为3000转/分。
（1）计算该级的平均反动度；
（2）计算轮周损失、轮周力、轮周功率和轮周效率（μ0=0，μ1=0.9）；
（3）作出该级的热力过程线并标出各量。
6．（20分）汽轮机运行中，其汽缸受哪些作用力？这些作用力在汽缸内产生什么样的应力状态？这些作用力在什么条件下最大？它们对汽缸安全工作有何影响？在运行中如何保证汽缸安全工作？
7．（15分）一反动式汽轮机，蒸汽流量T/h , 蒸汽初压MPa，初温，排汽压力MPa，排汽恰好是饱和蒸汽。全机共有14级，每级效率相同，焓降相同，重热系数。试计算各级效率、汽轮机内功率。
8．（15分）汽轮机运行对其调节系统的基本要求有哪些？
9．（25分）某级蒸汽的理想焓降为Δht = 76 kJ/kg，蒸汽进入喷嘴的初速度为 c0 = 70 m/s，喷嘴出口方向角α1 =18°，反动度为Ωm = 0.2，动叶出汽角β2 = β1－6°，动叶的平均直径为dm = 1080 mm，转速n = 3000 r/min，喷嘴的速度系数 = 0.95，动叶的速度系数 = 0.94，求：
（1）动叶出口汽流的绝对速度c2；
（2）动叶出口汽流的方向角α2；
（3）绘出动叶进出口蒸汽的速度三角形。
10．（20分）采用喷嘴调节的汽轮机进汽量减小时，各类级的理想焓降如何变化？反动度、速度比、级效率如何变化？
11．（15分）某机组在最大工况下通过的蒸汽流量T/h，此时计算得到作用在动叶上的轴向推力N，作用在叶轮上的轴向推力N, 作用在各凸肩上的轴向推力N，机组轴向推力轴承共装有10个瓦块，每块面积，轴承工作面能承受的最大压力为，要求的安全系数为1.5~1.7。
12．（15分）分别指出凝汽式汽轮机和背压式汽轮机的轴向推力随负荷的变化规律。
13．（25分）已知某级级前蒸汽入口速度C0=0.0m/s，级的理想焓降△h t=78.0kJ/kg，级的反动度Ω=0.3，1=12°，2=18°，圆周速度u=178m/s, 喷嘴速度系数=0.97，动叶速度系数=0.9，余速利用系数0=1.0。
（1）计算动叶进出口汽流绝对速度及相对速度；
（2）画出动叶进出口速度三角形；
（3）画出该级热力过程线并标注各符号。
14．（20分）主蒸汽压力变化，对机组安全经济运行有何影响？
15．（15分）某冲动级级前压力p0=0.35MPa，级前温度t0=169°C, 喷嘴后压力p1=0.25MPa, 级后压力p2=0.56MPa, 喷嘴理想焓降Δh n =47.4kJ/kg, 喷嘴损失Δh n t=3.21kJ/kg, 动叶理想焓降Δh b =13.4kJ/kg, 动叶损失Δh b t =1.34kJ/kg, 级的理想焓降Δh t=60.8kJ/kg，初始动能Δhc0=0，余速动能Δh c 2=2.09kJ/kg, 其他各种损失ΣΔh=2.05 kJ/kg。计算：
（1）计算级的反动度Ωm
（2）若本级余速动能被下一级利用的系数1=0.97，计算级的相对内效率ηr i。
16．（15分）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。
17．（25分）已知汽轮机某纯冲动级喷嘴进口蒸汽的焓值为3369.3 kJ/kg，初速度c0 = 50 m/s，喷嘴出口蒸汽的实际速度为c1 = 470.21 m/s，速度系数= 0.97，本级的余速未被下一级利用，该级内功率为Pi = 1227.2 kW，流量D1 = 47 T/h，求：
（1）喷嘴损失为多少?
（2）喷嘴出口蒸汽的实际焓？
（3）该级的相对内效率？
18．（15分）大功率汽轮机为什么都设计成多级汽轮机？在h-s图上说明什么是多级汽轮机的重热现象？
19．（20分）某反动级理想焓降Δht=62.1kJ/kg，初始动能Δhc0=1.8 kJ/kg, 蒸汽流量G=4.8kg/s，若喷嘴损失Δhnζ=5.6kJ/kg, 动叶损失Δhbζ=3.4kJ/kg，余速损失Δhc2=3.5kJ/kg，余速利用系数μ1=0.5，计算该级的轮周功率和轮周效率。
20．（15分）渐缩喷嘴和缩放喷嘴的变工况特性有何差别？

参考答案

一、选择题
1—5 BCABC 6—10 DACDB 11—15 ADBCD 16—20 BBDDC 21—25 ADBBA
二、分析计算题
1．解：(1) kJ/kg， kJ/kg，，u = 171.8 m/s
kJ/kg
m/s
喷嘴出口相对速度: m/s

(2) 动叶出口相对速度: m/s
(3)
轮周功率:

2．解：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。

3．解： 由和在h-s图上可查得,
蒸汽初始焓kJ/kg，理想排汽焓kJ/kg
则汽轮机理想焓降：（kJ/kg）
因节流损失，所以节流后的初压：
图 进汽节流过程示意图 MPa，又由于节流过程焓值不变，所以节流后的焓值kJ/kg，
对应的理想排汽焓： kJ/kg

4．解：在动态过程中，当发电机功率因电力系统的变化而突然改变，如发电机输出功率突然变大，而转子的转速变化较小，转速信号也变化较小时，功频电液调节系统不但不会开大调节汽门来增加负荷，相反却因当时发电机的功率大于给定值而欲关小调节汽门，这就是反调现象。
反调现象的产生是因为功率信号的变化快于转速信号的变化。
消除措施：加一个延迟器，使功率信号延迟；可加入一个叫速度信号回路，加快转速信号；在功率信号中加上负的功率微分信号；增加逻辑判断回路，切除功率信号。
5．解：47.56 KJ/Kg
KJ/Kg
（1）
（2）=144 m/s
=160

喷嘴损失为：=4.64 KJ/Kg
动叶损失为： KJ/Kg
余速损失为：1.95 KJ/Kg
轮周损失为：4.64+3.59+1.95=10.18 KJ/Kg
轮周力为：
Fu==851N
（3）热力过程线为：
s

P1
P2
h

6．解：汽轮机运行中，其汽缸承受的作用力有：蒸汽与大气压力差产生的作用力；隔板或隔板套作用在汽缸上的力；汽缸内、外壁温差产生的热应力；连接管道作用在汽缸上的力。
蒸汽与大气压力差产生的作用力，在汽缸壁内部产生切向、轴向和径向应力；在高、中压汽缸的法兰内还产生弯曲应力；在其螺栓内产生拉应力。隔板或隔板套作用在汽缸上的力，在其与汽缸的接触面产生挤压应力；蒸汽喷射对隔板产生的反作用力，通过隔板的挂耳传递给汽缸，在汽缸内产生剪切应力；汽缸内、外壁温差产生切向、轴向和径向热应力。连接管道作用在汽缸上的力，在汽缸壁内产生局部的拉、压应力或剪切应力。
除凝汽式汽轮机的最末几级和低压排汽室外，其内部蒸汽压力大于大气压力，承受蒸汽表压力在其内壁产生的作用力，其中以进汽部分蒸汽压力最高，特别是在其进汽超压的最大流量工况，汽缸、法兰和螺栓承受的蒸汽作用力最大。对于其低压最末几级和低压排汽室，内部压力低于大气压力，主要承受大气的作用力，它随凝汽器真空升高而增大。隔板或隔板套作用在汽缸上的力，以最大流量工况时最大。汽缸内的热应力，与汽缸内、外壁温差成比例，温差愈大，热应力愈大。连接管道作用在汽缸上的力，与管道连接的状态有关。
对于汽缸的高、中压部分，若运行中其内、外压力差过大而超过最大许用值，其最大应力可能超过材料的许用应力；螺栓因变形而使预紧力消失，法兰结合面出现张口，产生漏汽，冲刷法兰结合面，破坏结合面的严密性。对于汽缸的低压部分，其内部压力低于大气压力，主要解决刚度问题，同时防止排汽压力高于大气压力。因为排汽压力升高，排汽温度随之升高，排汽缸的垂直膨胀量增大，破坏转子或汽缸中心线的自然垂弧，可能引起机组振动，造成动、静部分摩擦；而且可能造成凝汽器铜管泄漏，影响凝结水的质量。在汽轮机启停和变负荷过程中热应力为交变应力，热应力过大将使材料提前出现疲劳裂纹，还可能使合成应力超过许用应力。连接管道作用在汽缸上的力过大将阻碍汽轮机自由膨胀，严重时会引起汽缸中心线偏斜，或与台板脱离，造成推力轴承烧毁，或激起机组强烈振动。
只要在安装时注意控制连接管道作用在汽缸上的力；在运行中控制主蒸汽和调节级后蒸汽的参数不超过最大许用值；汽缸内、外壁温差和法兰内、外壁温差不超过最大允许值，可以保证汽缸的安全。

7．解：由和在h-s图上可查得：
蒸汽初始焓：kJ/kg，
理想出口焓：kJ/kg
由此可得汽轮机理想焓降：
(kJ/kg) 图1 汽轮机热力过程线
根据题意知排汽为干饱和蒸汽，则由MPa的等压线与饱和线相交点得实际排汽状态点C，该点的焓kJ/kg
故汽轮机有效焓降：(kJ/kg)
汽轮机相对内效率：
由于各级焓降相同、效率相同，所以各级效率与整机相对内效率存在如下关系：

则各级效率：
汽轮机内功率：

8．解：汽轮机运行对其调节系统有如下基本要求：
（1）能控制汽转机转速，按要求从零逐步升高到额定转速；并入电网后，能使机组功率在零和额定值之间任一负荷下稳定运行；外负荷不变时，能保持机组功率和转速不变。
（2）在外负荷变化时，能迅速改变机组输出功率与外负荷相适应，从原稳定工况过渡到新的稳定工况，保证机组转速的变化在允许范围内。
（3）在机组甩负荷（主汽门全开，突然与电网解列，负荷降至零）时，能维持机组转速在3000r/min左右空负荷运行。
（4）能按要求控制机组正常停机；当出现危及机组安全的情况时，能迅速切断汽源，实行事故停机。

9．解：=76 + 0.5×702/1000 = 76 + 2.45 = 78.45 kJ/kg
336.57 m/s
169.56 m/s
182.97 m/s

=28.64o
0.2×78.45=15.69 kJ/kg
=239.39 m/s
121.69 m/s
w1
w2
c2
c1
u
u
b2
b1
a2
a1
70.54°
动叶进出口蒸汽的速度三角形

10．解：当汽轮机的工况变化时，按各级在工况变化时的特点通常级分为调节级、中间级和末级组三类。
（1）中间级：在工况变化时，压力比不变是中间级的特点。汽轮机级的理想焓降是级前温度和级的压力比的函数，在工况变化范围不大时，中间级的级前蒸汽温度基本不变。此时级内蒸汽的理想焓降不变，级的速度比和反动度也不变，故级效率不变。随着工况变化范围增大，压力最低的中间级前蒸汽温度开始变化，并逐渐向前推移。当流量减小，级前蒸汽温度降低，中间级的理想焓降减小，其速度比和反动度相应增大。由于设计工况级的速度比为最佳值，级内效率最高，当速度比偏离最佳值时，级内效率降低。而且速度比偏离最佳值愈远，级内效率愈低。
（2）末级组：其特点是级前蒸汽压力与其流量的关系不能简化为正比关系，且级组内级数较少。由于在工况变化流量下降时，汽轮机的排汽压力变化不大，级前压力减小较多。且变工况前级组前后的压力差越大，级前压力降低的多，级后压力降低的少。此时级的压力比增大，级内理想焓降减小，而且末级的压力比和理想焓降变化最大。级的速度比和反动度随理想焓降的减小而增大，速度比偏离最佳值，级效率相应降低。
（3）调节级：调节级前后压力比随流量的改变而改变，其理想焓降亦随之变化。当汽轮机流量减小时，调节级的压力比逐渐减小，调节级焓降逐渐增大。在第一调节阀全开而第二调节阀刚要开启时，级的压力比最小，故此时调节级理想焓降达到最大值。级的理想焓降增大，其速度比和反动度随之减小，速度比偏离最佳值，级效率相应降低。

11．解：机组总的轴向推力：
（N）
推力轴承瓦块上所承受的压力为：

由已知得，轴承工作面最大能承受的压力。
所以其轴承安全系数为：>1.5, 故此推力瓦工作是安全的。

12．解：对于凝汽式汽轮机，负荷即流量变化时，各中间级焓降基本不变，因而反动度不变，各级前后压差与流量程正比，即汽轮机轴向推力与流量成正比；同时，末级不遵循此规律，调节级的轴向推力也是随部分进汽度而改变的，且最大负荷时，轴向推力最大，但调节级和末级其轴向推力在总推力中所占比例较小，一般忽略，认为凝汽式汽轮机总轴向推力与流量成正比，且最大负荷时轴向推力最大。
13．解：(1) =（1-0.3）×78=54.6 kJ/kg
m/s
m/s
=149.4m/s
=194.7 m/s
=55.1m/s
(2) 动叶进出口速度三角形：
W2
C1
u
u
C2
W1

P0
(3) 该级热力过程线：
h
s

P1
P2

14．解：在初压变化时，若保持调节阀开度不变，此时除少数低压级之外，绝大多数级内蒸汽的理想焓降不变，故汽轮机的效率基本保持不变，但其进汽量将随之改变。对于凝汽式机组或某一级叶栅为临界状态的机组，其进汽量与初压的变化成正比，由于此时汽轮机内蒸汽的理想焓降随初压升高而增大，机组功率的相对变化大于机组进汽量的相对变化。对于不同背压的级组，背压越高，初压改变对功率的影响越大。
当主蒸汽温度不变，主蒸汽压力升高时，蒸汽的初焓减小；此时进汽流量增加，回热抽汽压力升高，给水温度随之升高，给水在锅炉中的焓升减小，一公斤蒸汽在锅炉内的吸热量减少。此时进汽量虽增大，但由于进汽量的相对变化小于机组功率的相对变化，故热耗率相应减小，经济性提高，反之亦然。
采用喷嘴调节的机组，初压改变时保持功率不变。当初压增加时，一个调节阀关小，其节流损失增大，故汽轮机的内效率略有降低。虽然初压升高使循环效率增高，但经济性不如调节阀开度不变的工况。
采用节流调节的机组，若保持功率不变，初压升高时，所有调节阀的开度相应减小，在相同条件下，进汽节流损失大于喷嘴调节。初压升高使循环效率增大的经济效益，几乎全部被进汽节流损失相抵消。
初压升高时，所有承压部件受力增大，尤其是主蒸汽管道、主汽门、调节阀、喷嘴室、汽缸等承压部件，其内部应力将增大。初压升高时若初温保持不变，使在湿蒸汽区工作的级湿度增大，末级叶片的工作条件恶化，加剧其叶片的侵蚀，并使汽轮机的相对内效率降低。若初压升高过多，而保持调节阀开度不变，由于此时流量增加，轴向推力增大，并使末级组蒸汽的理想焓降增大，会导致叶片过负荷。此时调节级汽室压力升高，使汽缸、法兰和螺栓受力过大，高压级隔板前后压差增大。因此对机组初压和调节级汽室压力的允许上限值有严格的限制。
当初压降低时，要保持汽轮机的功率不变，则要开大调节阀，增加进汽量。此时各压力级蒸汽的流量和理想焓降都相应增大，则蒸汽对动叶片的作用力增加，会导致叶片过负荷，并使机组的轴向推力相应增大。现代汽轮机在设计工况下，进汽调节阀的富余开度不大，保证在其全开时，动叶片的弯曲应力和轴向推力不超限。

15．解：级的反动度Ωm=Δhb/Δht=13.4/60.8=0.22
级的相对内效率ηri=(Δht-Δhnζ-Δhbζ-Δhc2-ΣΔh)/(Δht-μ1×Δhc2)=0.92

16．解：由于蒸汽在汽轮机进汽机构中节流从而造成蒸汽在汽轮机中的理想焓降减小，称为进汽机构的节流损失。
汽轮机的乏汽从最后一级动叶排出后，由于排汽要在引至凝汽器的过程中克服摩擦、涡流等阻力造成的压力降低，该压力损失使汽轮机的理想焓降减少，该焓降损失称为排汽通道的阻力损失。
h
s
节流损失
t 0
P’0
P’c
Pc
P0
排汽阻力损失

17．解：(1)
喷嘴损失：
(2)

喷嘴出口蒸汽的实际焓：
(3)

级的相对内效率：

18．解：（1）大功率汽轮机多采用多级的原因为：多级汽轮机的循环热效率大大高于单机汽轮机；多级汽轮机的相对内效率相对较高；多级汽轮机单位功率的投资大大减小。
（2）如下图：
3
2
1
5
4
P3
T2
T1
P2
P1

19．解：级的轮周有效焓降
Δhu=Δht*-δhn-δhb-δhc2
=62.1+1.8－5.6－3.4－3.5
=51.4kJ/kg
轮周功率
Pu=G×Δhu=4.8×51.4=246.7kW
轮周效率
ηu=Δhu/E 0=Δhu/(Δh t*－μ1×δh c2)=51.4/（62.1+1.8－0.5×0.35）= 82.7%

20．解：缩放喷嘴与渐缩喷嘴的本质区别，是它的临界截面与出口截面不同，且缩放喷嘴设计工况下背压低于临界压力、出口汽流速度大于音速，而在最小截面处理想速度等于音速。缩放喷嘴的变工况与渐缩喷嘴的差别是：当出口压力大于设计工况下背压时，在喷嘴出口截面或喷嘴渐扩部分将产生冲波，速度系数大大降低。另外，对应临界流量的压力比小于临界压力比。