[科普中国]-冲击式汽轮机

汽轮机简史

早在公元前120年亚历山大的希罗记述了古埃及利用空心球中蒸汽喷出的反作用力而使其旋转的装置，可称为反动式汽轮机的雏型。公元1629年意大利科学家G.de布兰卡(Giovanni de Branca)首先利用从加热盛水容器中喷出的汽流推动一个轮盘旋转，这便是冲动式汽轮机的原形，但这些只是玩物。直到1883年，瑞典工程师C.G.P.de拉伐尔(CarlGustaf Patrik de Laval)建造了第一台有实用价值、功率为3.67kW的汽轮机。这是一台单级冲动式汽轮机，转速高达26000r/min。他解决了由于高转速引起的机械强度和振动问题以及喷嘴设计问题。1884年英国的C.A.帕森斯(Charles Algernon Parsons)制成7.46kW的多级反动式汽轮机。这台汽轮机具有两个叶轮组，每组共有15个叶轮，叶轮直径仅有75mm，转速为17000r/min。1900年美国的C.G.柯蒂斯(Charles Gordon Curtis)制成单压力级多调节级的冲动式汽轮机。进入20世纪，法国A.拉托(Auguste Rateau)、瑞士H.佐莱制成了多级冲动式汽轮机；1910年容克斯脱莱姆(Ljungstrom)兄弟建议制成辐流式汽轮机，上述多级反动式和冲动式汽轮机便是现代大容量汽轮机的基形2。

19世纪后期，随着电动机和电灯的出现，电力负荷迅速增长，促使电力工业的发展。进入20世纪，电力工业的发展更加突飞猛进，原来作为发电厂原动机的往复式蒸汽机，因其固有的缺点——单机容量小、效率低、转速低、运行不平稳，而让位于汽轮机。

汽轮机的发展往往是伴随着增大单机容量和提高蒸汽参数，但发展过程有反复。1960年美国投入一台单机容量为325 MW的两次中间再热汽轮机，蒸汽参数为34.5MPa，649/566/566℃。但这台汽轮机的运行情况不理想，后降低参数为31MPa，610/566/566℃运行。目前世界上大机组的单机容量约为500～800MW，最大单轴汽轮机为1200MW，双轴为1300MW，蒸汽压力一般为16.5～18 MPa的亚临界或24 MPa左右的超临界，随着超临界压力机组的更广泛地被采用及超超临界压力机组的发展，新蒸汽温度则从538℃提高到566℃，并有向更高温度600～700℃发展的趋势，中间再热蒸汽温度则从566℃向更高温度发展。

中国第一台用于发电的汽轮机于1907年在上海投运，是英国帕森斯(Parsons)公司制造的800kW机组。1949年前容量最大的机组是1941年在抚顺发电厂投产的53 MW中压机组，蒸汽参数最高的是1947年在上海杨树浦电厂投运的15MW前置式汽轮机，汽压为8.4MPa，汽温为496℃。50年代初期引进捷克和苏联技术，中国制造的第一台汽轮机，容量为6MW，1956年首先在淮南电厂投运。以后陆续制造出12、25、50MW中压和高压机组，1959年投运了100MW汽轮机。再后中国自行设计制造了125、200、300MW汽轮机，分别在1969年、1972年和1974年投入运行。以后1982年和1985年分别投运了日本三菱(Mitsubishi) 公司 350 MW 和法国阿尔斯通(Alsthom) 公司 600MW机组。引进美国西屋(Westinghouse，WH)公司技术自行制造的亚临界压力300MW和600MW机组分别于1987年和1989年投运。90年代初又相继引进了ABB (Asea Brown Boveri)超临界压力600MW汽轮机及苏制300、500和800MW超临界压力汽轮机和西门子(Siemens)公司超临界压力900MW汽轮机2。

工作原理蒸汽在汽轮机级内的能量转换过程，是先将蒸汽的热能在其喷嘴叶栅中转换为蒸汽所具有的动能，然后再将蒸汽的动能在动叶栅中转换为轴所输出的机械功。具有一定温度和压力的蒸汽先在固定不动的喷嘴流道中进行膨胀加速，蒸汽的压力、温度降低，速度增加，将蒸汽所携带的部分热能转变为蒸汽的动能。从喷嘴叶栅喷出的高速汽流，以一定的方向进入装在叶轮上的动叶栅，在动叶流道中继续膨胀，改变汽流速度的方向和大小，对动叶栅产生作用力，推动叶轮旋转作功，通过汽轮机轴对外输出机械功，完成动能到机械功的转换。由上述可知，汽轮机中的能量转换经历了两个阶段：第一阶段是在喷嘴叶栅和动叶栅中将蒸汽所携带的热能转变为蒸汽所具有的动能，第二阶段是在动叶栅中将蒸汽的动能转变为推动叶轮旋转机械功，通过汽轮机轴对外输出。

汽轮机的级一列喷嘴叶栅和其后面相邻的一列动叶栅构成的基本作功单元称为汽轮机的级，它是蒸汽进行能量转换的基本单元。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。

冲击式多级汽轮机如果将冲动式单级叶轮一个接一个连接起来，就组成冲动式多级汽轮机。

冲动式多级汽轮机通流部分示意图(如右图所示)。冲动式多级汽轮机由四级组成，第一级为调节级，其余三级为压力级。调节级一般为部分进汽，其喷嘴组装于蒸汽室中。从锅炉来的新蒸汽，经过自动主汽门流入依次开启的几个调节汽门，每个调节汽门控制一个喷嘴组。当新蒸汽从调节汽门流出来便进入与其对应的喷嘴中，通过调节汽门控制进汽量，以满足外界负荷的需求。（其中1—转子；2—隔板；3—喷嘴；4—动叶栅；5—汽缸；6—蒸汽室；7—排汽管；8—轴封；9—隔板汽封）3

汽轮机级内损失蒸汽在级内流动产生的能量损失，主要包括叶栅损失、余速损失、叶轮摩擦损失、鼓风损失、斥汽损失、漏气损失、湿气损失等项4。

叶栅损失：包括型面损失和端面损失，前者有叶型表面附面层的摩擦损失，附面层脱离引起的涡流损失，叶片出口边的尾迹损失以及汽流接近声速和超声速时产生的冲波损失。后者有叶栅汽道上下两个端面附面层中的摩擦损失和附面层内自凹面向背面横向流动产生的二次流损失。叶栅中的各项损失可由叶栅风洞试验确定，可用速度系数来表示损失大小，或用能量损失系数或叶栅中总压力损失系数表示。影响叶栅损失的重要因素是型线、型面光滑度、叶片高度、相对栅距、安装角、汽流角、冲角和马赫数。

速度系数是实际速度与理想速度之比。现代汽轮机的静叶栅速度系数ᵠ可达0.95～0.98。 ᵠ值随静叶高度增高而加大。动叶栅速度系数ψ为0.90～0.97。ψ值与级的反动度有一定关系。反动度越小，ψ值也越低。在冲动级中选用适当的反动度，可减少动叶栅中的损失。 当反动度等于50%时ψ=ᵠ。

余速损失：蒸汽从动叶出口流出时尚有一定的速度，其动能不能再利用时所造成的损失称为余速损失。在多级汽轮机中，前一级余速可被下一级全部或部分利用，以余速利用系数μ来表示。一般μ=0～1。级后有抽汽口的级，μ=0.5。若前后二级的平均直径无阶跃性变化，μ值可达0.8～1，调节级的直径通常大于其后的第一压力级直径，为充分利用其余速，可加装汽流导向板。末级的余速是无法再利用的。各级余速的利用提高了汽轮机的内效率。

叶轮摩擦损失：由于蒸汽的黏性在叶轮表面形成附面层，由叶轮带动旋转，与蒸汽黏附在隔板和汽缸壁上的附面层之间形成摩擦阻力；并由于叶轮离心力的带动，在汽室内形成涡流。克服摩擦阻力和涡流所形成的能量损失叫做摩擦损失。摩擦损失通常由实验确定，并可用斯托多拉 (Stodola) 经验公式估算：

式中u为圆周速度，m/s；d为级平均直径，m；v为汽室中蒸汽比容，m3/kg；K1为系数，一般为1.02～1.3。

因叶轮摩擦损失与蒸汽比容成反比，汽轮机高压各级比容小，该项损失较大，在低压各级，由于比容很大，该项损失有时可忽略不计4。

**鼓风损失和斥汽损失：**级的喷嘴组弧段占全圆周的比例，称部分进汽度。当级的部分进汽度小于1时，动叶栅只在进入装有喷嘴弧段时才有工作汽流通过。当动叶进入无喷嘴弧段时，动叶产生鼓风作用，消耗一部分有用功，形成鼓风损失。当动叶再度进入装有喷嘴的弧段时，工作汽流需首先排斥并加速停滞在动叶汽道中的蒸汽，因而消耗一部分能量，称为斥汽损失。

鼓风损失可由经验公式估算：

式中K2为系数，一般取0.4；e为部分进汽度；l为动叶高度。如果将不进汽弧段处的动叶片用护罩包住，使鼓风区域缩小，将可减少鼓风损失。

斥汽损失由下式估算：

式中B、l为动叶片宽度及高度，m；A为喷嘴出口面积，m2；m为喷嘴组数(当e=1时m=0)；Nu为轮周效率；△ht为级的理想焓降。

**漏汽损失：**冲动式汽轮机隔板两侧有较大压差，在隔板与转轴之间的间隙中，将有一部分蒸汽漏过，造成漏气损失；具有反动度的冲动级和反动级，动叶两侧存在压差，亦有一部分蒸汽由动叶顶端与汽缸之间的间隙漏过。

**湿汽损失：**凝汽式汽轮机的后几级常在湿蒸汽区工作，存在着湿汽损失：湿蒸汽在静叶栅中膨胀加速时，一部分蒸汽凝结成水滴，使做功蒸汽减少；水滴小于汽流流速，对高速汽流形成摩擦阻力；由于动叶片圆周速度较大，水滴集中撞击在叶片进口边背面上，对叶轮产生的制动作用；疏水排出级外所造成的流量损失等。这些损失不能准确直接计算。总的湿汽损失大小决定于蒸汽干度，可由下式估算：

Δh2=(1-xm)△hu式中xm为级前后平均蒸汽干度，△hu为级的有效焓降。对于凝汽式汽轮机排汽湿度应加以限制，控制在12%～14%。xm>14%后湿汽损失将会急剧增加。

由于蒸汽湿度不仅造成能量损失，而且形成的水滴对动叶片材料有磨蚀作用。为了减轻对动叶片的水蚀作用，通常在汽轮机末两级采用去湿装置4。

冲动式汽轮机的技术派系20世纪前期，世界工业发达国家汽轮机制造业竞争激烈，许多派系已被淘汰，发电用汽轮机仅留下多级轴流的反动式和冲动式汽轮机。

**(1)通用电气公司汽轮机的特点：**采用冲动式。单机容量在600MW以下时，高、中压合缸，流向相反。600 MW以上高、中压分缸，高压第一级为分流，其余为单流;中压缸为分流。采用自由悬挂主汽门和调节汽门。外缸在中心线上支承。每个转子有两个轴承，采用普通椭圆瓦或可倾瓦。推力轴承为固定斜面瓦块。大型汽轮机采用整锻转子。调节级叶片为双层围带，第一层是整体围带，其上有铆钉头用以铆接第二层围带。中间级叶片均为铆接围带。用于50Hz的末级叶片顶部整体围带，连结成组。60Hz的末级叶片采用板形铆接围带。末级叶片均有拉筋 (金)。喷嘴室为锻造，配汽采用联合调节方式，装有进汽方式选择器，运行人员可选择喷嘴调节或节流调节方式2。

(2)西屋电气公司汽轮机特点： 容量大于150～200MW的汽轮机为反动式，中小容量机组为冲动式。小于550 MW的机组采用高中压合缸，流向相反。550以上至900MW的机组则为四缸四排汽口，高中压分缸，高压缸为单流或分流，中压缸均为分流。调节级为单列冲动式，其余叶片均为反动式。调节级动叶片每三片的叶根连成一组，由整块锻件制成。高压级为直叶片，中压级所有动叶片均为75mm宽，锻制锥形扭叶片，轴向插入枞树形叶根。用于60Hz的末级叶片为自由叶片。中间再热主汽门和调节汽门为联合体，在快关时，可承受冲击负荷。主蒸汽和再热蒸汽进口处具有防止高温蒸汽与转子表面接触的装置，可降低转子表面温度2。

制造冲动式汽轮机的除美国通用电气公司之外，还有日本的东芝(Toshiba)、日立(Hitachi)，法国的阿尔斯通，意大利的安莎多(Ansaldo)，英国的通用电气公司(GEC) 和前苏联的列宁格勒金属工厂(ЛМ3)和哈尔科夫透平发电机厂(ХТГЗ)等2。

汽轮机的应用多级汽轮机从原理上说是将若干个单级串联在一根机轴上。这样，虽然蒸汽在汽轮机中总的等熵焓降很大(有时达2000kJ/kg)，但在各级中顺序膨胀，每级的等熵焓降可减小到合理的程度，使各级都能在较理想的速度比下工作，获得较高的效率。多级汽轮机的轴向长度比多列速度级大。

多级汽轮机在船舶上多用作推进装置的主机，或用作经济性要求较高的大型辅机的原动机(如船舶电站汽轮机)。

多级汽轮机在船舶上有多种形式的组合。常见的有两大类：

(1)冲动式多级汽轮机：其中第一级常用复速级作为调节级(有的也用单级冲动级)，其后由若干个冲动级、纯冲动级或复速级组成非调节级级组。为了提高效率，各级常带有不大的反动度。

(2)混合式多级汽轮机：它有两种形式：一种是第一级为复速级或单级冲动级，其后由若干个反动级组成非调节级级组；另一种形式是第一级是复速级，而非调节级级组由若干个冲动级和若干个反动级组成。

作为船舶主机的多级汽轮机由于级数多，常分成高、低压缸汽轮机，平行配置，共同驱动减速器的第一级大齿轮。也有以高、中、低压三缸汽轮机组成的船舶主机。

多级汽轮机中，如级组的等熵焓降一定，则由反动级组成的级数，远较由冲动级组成的级数为多5。