汽轮机基础原理及理论

第一章概述
第一节汽轮机的用途
汽轮机是以水蒸气为工质，将蒸汽热能转换成转子旋转的机械能的动力机械，它具有单机功率大、效率高、转速高、运转平稳、单位功率制造成本低和使用寿命长等优点，在现代工业中得到广泛的应用。

汽轮机的主要用途是在热力发电厂中作原动机。

在以煤、石油和天然气为燃料的火力发电厂、核电站和地热电厂中，都采用以汽轮机为原动机的汽轮发电机组，其发电量约占总发电量的80%左右。

另外，汽轮机的排汽或中间抽汽还可以用来满足生产和生活的供热需要，这种既供热、又供电的汽轮机称为热电合供汽轮机，这种汽轮机在热能的综合利用方面具有较高的经济性。

由于汽轮机能够变速运行，故还可以用它直接驱动各种泵、风机、压缩机和船舶螺旋桨等。

在生产过程中有余能、余热的各种工厂企业中，可以利用各种类型的工业汽轮机，使不同品位的热能得到合理有效的利用，从而提高企业的节能和经济效益。

生产电能的工厂称为发电厂(如火力发电厂、水电厂、核电站等)。

火力发电厂简称为火电厂，它是利用化石燃料(煤、石油、天然气)中蕴藏的化学能，在锅炉内通过燃烧转换为蒸汽的热能，然后在汽轮机内将蒸汽的热能转换成机械能带动发电机发电的工厂。

在世界范围内火电厂中，燃煤电厂所占比例最大，如英国和德国高达70%，美国和前苏联几乎占50%，我国超过70%。

第二节汽轮机发展史概述
一、汽轮机的发展特点
自1883年瑞典工程师拉瓦尔首先发明、制造了世界上第一台单级冲动式汽轮机，1884
年英国工程师帕森斯发明了第一台多级反动式汽轮机以来，汽轮机已有一百余年的历史。

近几十年汽轮机的发展尤为迅速，其发展的主要特点是:
1、单机功率增大。

世界工业发达国家的汽轮机生产在60年代已达到500～600MW机组等级水平。

1972年瑞士BBC公司制造的1300MW双轴全速汽轮机(24MPa/538℃/538℃，n=3600r/min)在美国投入运行，1976年西德KWU公司制造的单轴半速(n=1500r/mn)1300MW饱和蒸汽参数汽轮机投入运行，1982年世界最大1200MW单轴全速汽轮机(24hEPa/540℃/540℃)在前苏联投入运行。

增大单机功率不仅能迅速发展电力生产，而且具有下列优点: １）单位功率投资成本低。

如前苏联800MW机组的单位功率成本比500MW机组降低17%，
而1200MW机组的单位功率成本又比800MW机组降低15%～20%。

２）单机功率越大，机组的热经济性越好。

如法国的600MW机组的热耗率比125MW机组的热耗率降低了276.3U/kwh，即每年可节约标准煤4万吨。

３）加快电站建设速度，降低电站建设投资和运行费用。

２、蒸汽初参数提高。

增大单机功率后适宜采用较高的蒸汽参数，当今世界上300MW及以上容量的机组均采用亚临界(16～18MPa)或超临界压力(23～26hOa)的机组，甚至采用超超临界压力(3mfPa)的机组。

蒸汽初温度多采用535～565℃，即尽量控制在珠光体钢所允许的565℃以下，力求不用或少用奥氏体钢。

３、普遍采用一次中间再热。

采用中间再热后可降低低压缸末级排汽湿度，减轻末级叶片水蚀程度，为提高蒸汽初压创造了条件，从而提高机组内效率、热效率和运行可靠性。

４、采用燃气一蒸汽联合循环，以提高电厂效率。

５、机组的运行水平提高。

为了提高机组的运行、维护和检修水平，现代大机组增设和改善了保护、报警和状态监测系统，有的还配置了智能化故障诊断系统。

６、发展核电站用的汽轮机。

发展核电，是解决能源不足问题的主要途径。

二、我国汽轮机的发展
新中国建立时，我国没有汽轮机制造业。

建国后相继建成了上海、哈尔滨和东方三大汽轮机厂，它们主要生产大功率的电站汽轮机，并于1955年由上海汽轮机厂制造了国产第一台中压6000KW冲动式汽轮机。

此后，我国汽轮机制造工业得到迅速发展，已经陆续生产中压12MW、25MW，高压50MW、100MW，超高压中间再热125MW、200MW，以及亚临界参数300MW、600MW 的汽轮机。

此外还建立了北京重型电机厂、武汉汽轮机厂和青岛汽轮机厂，以及生产工业汽轮机和燃气轮机为主的杭州汽轮机厂和南京汽轮发电机厂。

从而使我国的汽轮机制造业形成了独具特色的一套完整的生产体系。

第三节汽轮发电机组的容量
一、国际电工委员会（IEC）1985年版对汽轮发电机组功率（或出力）等术语的一般定义。

1、发电机功率。

发电机接线端（输出端）处的功率。

若采用非同轴励磁时，还需扣掉外部励磁的功率。

2、净电功率。

发电机功率减去厂用电功率。

3、经济功率（ECR）。

机组在此功率下，汽轮机热耗率或汽耗率为最小值。

4、保证最大连续功率（T-MCR）。

在规定的端部条件（合同中规定的各端部条件下，典型包括有主蒸汽和热再热蒸汽参数、冷再热蒸汽压力、最终给水温度、排汽压力、转速、抽汽要求等）及运行寿命期内，机组在发电机输出端连续输出的功率。

通常在该功率下考核机组所保证的热耗率。

在此功率下，调节汽阀不一定要全开。

5、调节汽阀全开工况的功率（VWO工况的功率）。

在规定的主蒸汽参数条件下，汽轮机调节汽阀全开，机组所能输出的功率。

6、最大过负荷能力。

在规定的过负荷条件下，如末级给水加热器停运或提高主蒸汽压力，汽轮机调节汽阀全开时，机组所能输出的最大功率。

二、国际上对大容量汽轮发电机组功率等术语的一般定义。

1、额定功率（铭牌功率，铭牌出力）。

通常是指汽轮机在额定主蒸汽和再热蒸汽参数工况下，额定排汽压力、额定补水率时，能在发电机接线端输出的保证功率。

汽轮机的保证进汽量与额定工况相对应。

2、机组的保证最大连续功率（T-MCR）。

是指汽轮机在通过铭牌功率所保证的进汽量、额定主蒸汽和再热蒸汽参数工况下，排汽压力为４.９Kpa（a）、补水率为０％，机组能保证达到的功率。

它一般比额定功率大３％～６％。

3、汽轮机的设计流量（计算最大进汽量）。

在所保证的进汽量基础上增加一定的裕量，即（1.03～1.05）×保证进汽量，且调节汽阀全开。

近代由于制造水平的提高，裕量取前者，即3%。

4、调节汽阀全开（VWO）时计算功率。

机组在调节汽阀全开时，通过计算最大进汽量和额定主蒸汽、再热蒸汽参数下，并在额定排汽压力为4.9 Kpa、补水率为0%条件下计算所能达到的功率。

三、美国设计的大容量汽轮发电机组各项功率的术语和定义。

1、汽轮发电机组额定功率。

即在额定的主蒸汽和再热蒸汽参数工况下、额定排汽压力、额定补水率时汽轮发电机组的保证功率（出力）。

2、进汽量。

在额定工况下汽轮发电机组发出保证功率所需的主蒸汽量。

3、保证最大功率。

即汽轮机在额定主蒸汽和再热蒸汽参数工况以及额定的排汽压力与补水条件下，通过对应于额定功率时进汽量的机组功率。

4、最大计算功率（或VWO功率）。

即汽轮发电机组在额定的进汽参数和额定背压与补水率条件下，调节汽阀全开时，通过最大计算进汽量时的计算功率（非保证值）。

一般比最大
保证功率高出4.5%，等于1.045×最大保证功率。

5、超出5%的连续运行功率。

除核电机组外，汽轮发电机组能安全地在调节汽阀全开和所有回热加热器投运下，超压5%连续运行的功率。

这种运行方式下汽轮机通流能力比额定主蒸汽压力下的通流能力增加5%。

美国设计的机组以VWO工况为运行基础推荐可超压5%连续运行，采用VWO+5%OP工况的计算功率或最末级高压加热器停运时以适应日间峰值负荷之需要。

日本或其他欧洲国家所设计的大容量机组以VWO工况下的功率为汽轮机最大功率，而以超压5%为最大负荷能力，即每天可超压5%运行的时间需加以规定，也就是超压5%仅作为机组短时间过负荷的能力。

四机、炉、电容量匹配
1、发电机容量：一般发电机的功率应与VWO工况的功率相匹配，即等于VWO工况功率/功率因数（MVA）。

若采用美国机组，则发电机的功率应与汽轮机VWO+5%OP工况的功率相匹配。

在我国，考虑汽轮机和发电机功率匹配时，除了功率因数外，还应合理确定发电机的效率。

2、锅炉最大连续蒸发量（B-MCR）：应与汽轮机的设计流量（即计算最大进汽量）相匹配，不必再加裕量。

若汽轮机按VWO工况计算最大功率，B-MCR蒸发量等于汽轮机VWO工况的最大进汽量；若采用美国设计的机组，则B-MCR蒸发量可等于汽轮机VWO+5%OP工况最大进汽量。

日本生产的机组通常在铭牌功率或T-MCR工况下运行，其锅炉最大连续蒸发量比汽轮机VWO工况时的进汽量约大0～3.3%。

第四节 N300－16.7－538／538型汽轮机组基本特点
1. 机组概述
本机组是根据中国机械对外经济技术合作总公司（CMIC），中国电工设备总公司（CNEEC）和美国西屋电气公司于1980年9月9日在北京签署的《大型汽轮机发电机组制造技术转让合同》引进技术制造的，在考核机组的基础上对通流部分作了第二次优化设计的新型机组。

是亚临界、一次中间再热、单轴、双缸双排汽反动式汽轮机。

采用积木块式的设计并能与600MW 机组通用组合。

保留了原西屋公司考核机组的技术特点：通流结构介于反动式与冲动式透平之间，级数少，效率高；整锻转子高压通流反向布置，中压通流正向布置，低压通流为对称布置，轴向推力自平衡；采用多层缸结构，通流部分轴向间隙大，径向间隙小，具有较好的热负荷适应性；采用数字电液调节（DEH）系统，自动化程度高。

引进后对该机组进行了完
善，采用控制涡流型设计；现在又采用全三维设计手段，进行了全面优化设计。

全部动叶自带围带成圈联接；高压缸压力级叶片为倒T型叶根，中、低压采用“P”型叶根。

经过两次改进，整机在可靠性及经济性方面均有进一步的提高。

2. 适用范围
本机组适用于中型电网承担基本负荷，更适用于大型电网中的调峰负荷及基本负荷。

本机组寿命在30年以上，该机组适用于北方及南方地区冷却水温的条件，在南方夏季的水温条件下照常满发300MW。

该机还有全钛热交换器的设计，不仅适用于有淡水水源的内陆地区，也适用于海水冷却的沿海地区。

本机组的年运行小时数可在7500小时以上。

1) 技术规范
汽轮机型式：亚临界、中间再热、双缸
双排汽、单轴、冷凝式
额定功率 MW 300
最大计算功率 MW 330
工作转速 r/min 3000
旋转方向（从汽轮机向发电机看）顺时针
调节控制系统型式 DEH
最大允许系统周波摆动 HZ 48.5～51.5
空负荷时额定转速波动 r/min ±1
噪音水平dB (A) ＜90
各轴承处最大垂直振动（双振幅）mm ＜0.025
通流级数 36
高压部分级数 1+12
中压部分级数 9
低压部分级数 2×7
末级动叶片长度 mm 900
盘车转速 r/min 3.6
汽轮机总长 mm（包括罩壳）～17422
汽轮机最大宽度 mm（包括罩壳） 10745
汽轮机本体重量 t ～750
汽轮机中心距运行层标高 mm 1067
2). 结构特点
新蒸汽从下部由主蒸汽管进入布置于高中压合缸两侧与基础固定联结的两个高压主汽调节联合阀，由6个调节阀（每边3个）经6根ф193.7×28.6高压饶性导汽管，按一定的顺序从高中压外缸的上半和下半通过钟形套筒分别进入高压缸的6个喷嘴室，通过各自的喷嘴组流向正向的冲动式调节级，然后返流经高压通流部分的12级反向的反动式压力级后，由高压缸下部两侧排出进入再热器。

再热后的蒸汽由再热主汽管进入置于汽轮机机头两侧浮动支撑的两个中压再热主汽调节联合阀，再经过两根ф508×26.2中压导汽管将蒸汽从下部导入高中压外缸的中压内缸，再经过中压通流部分9级正向布置的反动式压力级后，从中压缸上部排汽口经过1根ф1219联通管进入低压缸。

低压缸为双分流结构，蒸汽从中部流入，经过正反向各7级反动式压力级后，从两个排汽口向下排入凝汽器。

高中压转子是高中压部分合在一起的1根30Cr1 Mo1V耐热合金钢整锻结构，高压部分为鼓形结构，中压部分为半鼓形结构，总长6894，带叶片最大外缘直径为ф1532。

调节级叶轮根部有冷却蒸汽口，调节级后的蒸汽一股通过冷却蒸汽口反向流动，冷却高压转子及蒸汽室，另一股流向高压平衡环汽封。

高中压平衡环汽封漏汽一股流向高压外缸与高压内缸的夹层，冷却高压内缸外壁及高温进汽部分，经高中压外缸上下半各1根ф168×9的冷却蒸汽管引向2抽逆止门前的抽汽管路；另一股通过中压进汽平衡环汽封漏往中压进汽区，冷却中压转子进汽区。

在中压外缸与中压内缸的夹层中有来自中压5级后的冷却蒸汽冷却中压内缸外壁。

精心设计的冷却蒸汽系统可延长转子、汽缸的使用寿命。

在转子前端用螺栓刚性联结1根接长轴，推力盘、主油泵叶轮及危急遮断器均在这根短轴上。

推力轴承位于前轴承箱处，与推力盘形成轴系的膨胀死点。

高压动叶片叶根由纵树形改为T形，消除了纵树形叶根处的漏汽，提高高压缸效率。

调节级正向布置，高压叶片反向布置，中压叶片正向布置，同时还设计有3个平衡鼓，机组在额定负荷运行时保持不大的正推力。

在某一负荷出现负推力时，推力轴承非工作瓦承力，保持稳定运行。

低压转子为30Cr2Ni4MoV合金钢整锻结构，转子总长为7515。

低压转子双分流对称结构，1—5级为半鼓形结构，6—7级带有较大的整锻叶轮。

低压末级叶片，强度好，跨音速性能好。

低压转子通过中间轴与发电机转子刚性联接。

转子装好叶片后，要进行高速动平衡，达到一定平衡精度，减少运行时振动。

为此在每根转子的中部和前后各有一个动平衡面，沿每个平衡面圆周分布螺孔，可以实现制造厂高速动平衡和电厂不揭缸动平衡。

高中压汽缸由高中压外缸、高压内缸、中压内缸组成，形成双层缸结构，高温区设计有
回流冷却，从而使每个汽缸承受的压差及温差均有降低，内压应力和热应力水平均可降低。

内外缸壁的厚度都可以设计得比较薄。

外缸和内缸水平中分面螺栓靠近缸壁中心线，使缸壁与法兰厚度差别量减小，上下半缸结构基本对称，重量接近，热容量差别小，因而对热负荷变化的适应性增强。

采用高窄法兰结构，螺栓较长，螺纹外径采用3/1000倒锥形，运行时应力分布均匀，不咬扣。

内缸由外缸的水平中分面支承，顶部和底部由定位销导向，以保证内缸在外缸内横向定位并可使内缸随温度的变化在外缸内自由地膨胀和收缩，内缸的定位靠内缸凸台与外缸槽的配合来实现。

外缸下半有4个猫爪，支承在前轴承箱两侧及低压缸轴承箱两侧，支承面与水平中分面相平，受热时汽缸中心保持不变。

高压缸共有6个喷嘴室，上下半各3个，进口都焊在高压内缸上，靠喷嘴室上键槽镶嵌在内缸上的凸缘上定位。

高中压隔板由单只自带内外环的静叶片整圈组焊而成。

内环、外环分别有整圈焊缝，焊接后形成一块隔板。

中分面处有斜线或折线切口，将隔板分成上下两半。

在隔板内环开有膨胀槽以吸收静叶的膨胀量。

在隔板外环处，通过L形塞紧条将隔板固定在隔板套内。

低压外缸全部由钢板焊接而成，为了减少温度梯度设计成3层缸。

由外缸、1号内缸、2号内缸组成，减少了整个缸的绝对膨胀量。

汽缸上下半各由3部分组成：调端排汽部分、电端排汽部分和中部。

各部分之间通过垂直法兰面由螺栓作永久性连接而成为一个整体，可以整体起吊。

排汽缸内设计有良好的排汽通道，由钢板压制成，由面积足够大的排汽口与凝汽器弹性连接。

低压缸四周有框架式撑脚，增加低压缸刚性，撑脚座落在基架上承担全部低压缸重量，并使得低压缸的重量均匀地分在基础上。

在撑脚四边通过键槽与预埋在基础内的锚固板形成膨胀的绝对死点。

在蒸汽入口处，1号内缸、2号内缸通过1个环形膨胀节相连接，1号内缸通过1个承接管与连通管连接。

内缸通过4个搭子支承在外缸下半中分面上，1号内缸、2号内缸和外缸在汽缸中部下半通过1个直销定位，以保证三层缸同心。

为了减少流动损失，在进排汽处均设计有导流环。

低压缸两端的汽缸盖上装有两个大气阀，其用途是当低压缸的内压超过其最大设计安全压力时，自动进行危急排汽。

大气阀的动作压力为0.034—0.048Mpa （表压）。

高、中、低压内外缸水平中分面部分合金钢螺栓需要热紧，以使其有足够的预应力，保证机组在一个大修期间法兰密封不漏汽。

本机组使用螺栓电加热器，给螺栓加热，使其伸长量达到要求的数值。

汽轮机的中低压缸连通管上采用连杆膜板式膨胀节，吸收各方向热膨胀。

汽封系统,包括高压供汽调节阀，溢流调节阀等主要设备，每阀上均置一压力控制器，
该控制器接受蒸汽母管的压力讯号后，产生空气压力输出，所以在各种工况下均能使通往汽封的蒸汽保持在给定的压力范围内。

在30%额定负荷以下轴封用汽由外界汽源供应，30%额定负荷以上，轴封用汽可实现自密封。

后汽缸喷水系统,本机配有1套喷水减温装置，机组转速达到600r/min直至带15%负荷时及机组正常运行时出现低压缸汽温度大于79℃时投入运行。

以防末级叶片及排汽缸超温。