汽轮机原理

(2) 速度级和压力级 前面已经介绍级的概念，从结构上看，汽轮机的一个级 是有喷嘴（几个或整个圆周布置的喷嘴）和一列动叶片组合 起来的装置，从动作原理来看，就是能造成高速气流、能将 速度能转换成机械能，并产生推力对外做功的基本单元。级 可以分成压力级和速度级，简单介绍如下。 A 压力级 在可以利用的蒸汽能量很大的情况下，只有一个级不能 充分利用这些能量。这时，我们把由喷嘴和动叶片组成的级 串联在同一根轴上，将蒸汽的能量分别在若干个级中加以利 用。从结构来看，就是一列喷嘴和一列动叶片，其后又是一 列喷嘴和一列动叶片
B 支撑与滑销系统： 目的是承受汽缸重量， 并使汽缸在受热状况下按一定方向 进行膨胀。 C 喷嘴组和隔板： 喷嘴作用如前所述， 它是将蒸汽热能转化为动能的重要部 件； 隔板则使各组叶轮在单独的蒸汽室中运行， 达到热能的充 分利用。 D 汽封装置： 在汽缸两端、 叶轮和隔板处， 为避免动静部件碰撞而留有 间隙。 由于这些间隙前后压力差存在， 主轴通过间隙处必然有 漏气， 从而降低机组运行的经济性并造成损失。 汽封装置作用
汽轮机是用蒸汽来作功的旋转式原动机。 来自锅炉或热网的 蒸汽，经脱扣节流法阀或事故切断阀、调速阀进入汽轮机， 依次高速流经一系列环形配置的喷嘴(或静叶栅)和动叶栅而 膨胀作功推动汽轮机转子旋转，将蒸汽的动能转换成机械功。 这便是汽轮机简单的工作原理。汽轮机可按工作原理分为： 冲动式、反动式、冲动式与反动式的组合式汽轮机。 首先，我们对这几类汽轮机的工作原理作一下介绍。 1.汽轮机的工作原理 (1) 冲动式汽轮机 冲动式汽轮机的最简单的结构如图 4 所示。叶轮上装配一圈 动叶片与喷嘴配合在一起，构成一个做功的简单机械。我们
汽轮机，又叫蒸汽透平，是用蒸气来做功的旋转式原动机。 来自锅炉或其它汽源的蒸汽通过调速阀进入汽轮机，依次高速流 过一系列环形配置的喷嘴(或静叶栅)和动叶栅而膨胀作功，推动汽 轮机转子旋转(将蒸汽的动能转换成机械功)，汽轮机又则带动电机 或压缩机、泵等负荷机旋转。 汽轮机按照热力过程分为: 1、凝汽式汽轮机 蒸汽在汽轮汽机中作功后全部排入凝汽器冷凝，凝汽器内部压 力比大气压低。 2、抽汽凝汽式汽轮机 蒸汽在汽轮机膨胀至某级时，将其中一部分蒸汽从汽轮机中抽出 来，供给其它的蒸汽用户；其余蒸汽在后面级中作功后排入凝汽器。 二期的空气压缩机/增压机及发电机驱动透平就是抽汽凝汽式的。
纯冲动式级的ρ=0；反动级的ρ=0.5；带反动度的冲动式级 的 0<ρ<0.5。带有不大反动度的冲动级使用最广泛，它可以 提高冲动式汽轮机的效率。
2 汽轮机的结构及用途 汽轮机实现能量转换，主要是通过喷嘴把热能转换为动能， 通过动叶栅把动能转换为机械能。因此，喷嘴一般做成静止 零件，用各种不同的方法固定在汽缸上，形成汽轮机的静止 部分；而动叶栅则安装在转动轴上，形成汽轮机的转子部分。 所以汽轮机主要是由转子、静子两大部分组成。 (1) 转子部分
如果冲动式级在工作时，离开动叶片的汽流速度仍很大， 这就说明还没有充分利用蒸汽的动能来作功。 为了利用这部分 能量， 在同一叶轮的轮缘上再要装置第二动叶栅， 使蒸汽流过 两列转动的叶栅， 第一列动叶栅通道中蒸汽能量中的一部分转 换为机械能， 而其余的蒸汽能则由第二列动叶栅继续将能量转 换为机械能。 为了使蒸汽流以一定的方向流入第二动叶栅， 在 第一、二列动叶栅之间装一列固定的叶片，起导向作用，称之 为导向叶片，它是装在气缸上的。 速度级与冲动式压力级的工作原理是一样的， 不同的就是蒸 汽的速度在第一、二列动叶栅中分别加以利用。
d 采用相反流向布置。如图 12 所示，使蒸汽在高低压缸或各 区域内流向相反，而产生反方向的轴向推力，以相互抵消达到 平衡。
(2) 静子部分 即汽轮机的静止部分，包括汽缸、前后支承轴承、推力 轴承、喷嘴组、隔板、支撑与滑销系统、汽封等 A 汽缸（机壳） 汽缸的作用是支撑转子、容纳并通过蒸汽，将汽轮机通流 部分（喷嘴、转子、隔板等）与大气隔开，保证蒸汽在机内完 成其做功过程。 在运行中，汽缸会承受蒸汽与大气压力差、轴向拉应力、部 件重量、振动及热应力等多种作用，一般作为薄壳双层，既要 可靠的固定在机座上，又要有一定的自由膨胀裕度。
汽流以 C1 的速度流向曲面，它相当于汽轮机的动叶片，并能 沿平行于汽流的方向移动。汽流进入弯曲流道内弧所构成的 气道后,便沿着内弧逐步改变其流动方向，最后流出汽道时的 速度为 C2 方向恰与 C1 方向相反。当汽流流过曲面时，实际上 作圆周运动，因此组成汽流的每一个蒸汽微团都受到叶片所 作用给它的一个向心力，同时叶片受到气流给它一个大小相 等、方向相反的反作用力。假如汽流微团的离心力用向量表 示。在 1 点处的离心力 P1 可分解成轴向分力 P1Z 及运动方向上 的分力 P1U、在 2 点处的离心力 P2 也可以分解成 P2Z 和 P2U。轴 向分离 P1Z 和 P2Z 恰好相互抵消，
一般来说，作用于汽轮机转子的轴向推力来源于以下几种因 素： a 叶轮两侧的压力差. b 动叶片上的轴向力. c 轴上各处直径不同引起的受力. 汽轮机转子所受轴向推力很大，高压汽轮机（反动式） 可达到几百吨，为确保机组的安全运行，一般采取下列措施 平衡轴向力. a 使用推力轴承。目的是固定转子在气缸中的轴向位置， 承受转子上的少部分轴向推力.
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这样逐次排列下去。在第一列喷嘴进口处的蒸汽压力最 高，以后逐级降低，这就是常见的多级汽轮机的结构形式， 其中的每个级，都叫做压力级。 B 速度级 压力级外，在有些汽轮机上还设有速度级。速度级又叫 复速度级或寇蒂斯级。速度级比压力级在结构上复杂一点。 图 8 是具有双列速度级的单级冲动式汽轮机示意图，它 比单级冲动式 汽轮机对蒸汽能量的利用更充分一点，由轴 1、叶轮 2、双列 动叶片 3 及 6 构成转子；由喷嘴 4、导向叶片 7、气缸 5、排 气气管 8 等组成的静子部分。
在弯曲面运动方向上的分力之和等于 P，即 P1U+P2U+…..=P 在这个 P 力的作用下，弯曲面（叶片）向右运动，通过 叶轮及轴产生旋转运动。若带动压缩机和泵、风机等机械， 就可以输出机械功。这就是冲动式汽轮机的工作原理。 实际上，由于机械结构等方面的限制，从喷嘴流出来的 气流不能与动叶片的运动方向完全相同，而成一个夹角。动 叶片也不是一个半圆弧，而是由好几段曲线组成，一般是圆 弧和抛物线弧
如图 5-a 所示，使蒸汽中大量的有用能量不能得到很好的利 用以至造成浪费。所以经过大量的实践改进，现在汽轮机的 动叶片做成弯曲形。如果要产生最大的作用力， 然后再转一个 180°而 离开动叶片，如图 5-b 所示， 这时动叶片受到的冲击力如图 6 所示。
受外力的作用的话， 则一定按照它原来的速度大小及方向运 动下去。气流既然在动叶栅之中获得了加速度，那必然有外 力作用在其气流上，这个力是由于在动叶栅中降低了气流的 压力和温度，即气流的热能转换为动能所获得的。在动叶栅 中进一步使气流降压、增速并以高速离开，这时气流必然给 动叶栅一个大小相等、方向相反的作用力，使动叶栅转动带 动轴旋转的对外做功。这就是反动式汽轮机的工作原理。
3、背压式汽轮机 蒸汽进入汽轮机膨胀作功后，在大于 1 个大气压的压力下排出 气缸，其排气供其它低压用户。 4、多压式(注入式)汽轮机 若工艺过程中有某一压力的蒸汽用不完时，就把这些多余的蒸汽 用管道注入汽轮机中的某个中间级内并同原来的蒸汽一起在透平 内膨胀作功，从而回收能量。 汽轮机也可按蒸汽压力分为低压(2.0 Mpa 以下)、中压(2.0～ 5.0Mpa)、高压(5.0～10.0Mpa)、超高压(12.0～14.0Mpa)及超临界 (22.5Mpa 以上)的汽轮机。 此外，也可按工作原理分为：冲动式、反动式、冲动式与反动式 的组合式汽轮机等。
改变其原来的速度的大小及方向， 这时候气流必然给动叶片 一个反作用力，推动叶片运动，将一部分动能转换成叶轮旋 转的机械功。 由上述可知，在汽轮机连续工作过程中有两次能量转换， 即:热能→蒸汽动能→转子机械能。 为了更好的理解汽轮机的工作原理，下面分析一下冲动 式汽轮机的动叶片型式。 如果我们用一个直立的平板，让高速气流冲击到它的表面 上，平板由于受到气流的冲击作用而发生运动。但因在平板的 表面附近产生了很大的扰动和涡流损失，
也就是汽轮机的转动部件，靠固定于汽缸上的前后两个 轴承支撑，由主轴、叶轮、叶片组成，并通过联轴器与被驱 动机械相连。转子作高速旋转，把蒸汽作用到叶片上力矩传 递给驱动机械，达到对外做功的目的。
转子的性能要求 为使转子能安全可靠的运行，必然满足下列条件： A 必然有一定的强度，以满足支持自身重量和传递转矩 的要求。 B 必须经过严格的动平衡，以免高速旋转时产生过大的 离心力引起汽轮机振动和损坏 C 必须使汽轮机的临界转速和运行转速避开一定距离， 以免发生共振。 D 必须安装平衡盘、推力盘和轴套，用以平衡转子的轴 向推力并确定转子在轴向定位。
转子的轴向推力及其平衡 蒸汽在汽轮机的通流部分膨胀做功时，转子上受两部分 力，一部分叫做轮周力，是产生转矩对外做功的有益力；另 一部分沿叶轮轴向从高压端 指向低压端，企图推动转子向汽流方向运动，所有叶轮轴向 力之代数和，就是整个转子的轴向推力。转子的轴向推力一 般要采取措施平衡掉大部分，剩余的部分由推力轴承承担。 如果推力过大，就会影响轴承寿命，严重时 会烧坏轴瓦，引起转子上动静部分碰撞，以致损坏机器，因 此，在运行中必须严密监视转子轴向推力变化，确保机组安 全运行。
除双列速度级以外，还有三列速度级，但常用的是双列速度 级。 经常用它做成小功率的汽轮机， 带动风机及其它各种泵等， 也可以用它做多级汽轮机的第一级。 (3) 反动式汽轮机 反动式汽轮机是利用反作用力与冲击力将蒸汽的速度能转 换为机械能的。 反动式汽轮机的工作原理同样是基于惯性定律 和作用力与反作用力定律的。 9 是反动式汽轮机的结构示意 图 图。动叶片安装在转鼓上，轴、平衡活塞及转鼓组成了转子。 膨胀，速度增加；而它的动叶栅也做成截面渐收缩的气道，气 流在动叶栅中进一步降压， 膨胀加速。根据惯性定律可知，运 动的物体如果不
实用的反动式汽轮机， 都采用多级型式， 其工作原理与前面 分析的单级反动式汽轮机的工作原理基本一样。 为了分析方便， 前述冲动式级， 实际上是指在动叶栅中没有 膨胀发生的情况，有人把它叫做纯冲动式级。 近代常用的汽轮机，实际上用的是带反动度的冲动式汽轮 机。在这种汽轮机中，动叶栅中也有汽流膨胀，但比喷嘴中 的膨胀程度小些。 所谓反动度， 就是在动叶栅中蒸汽膨胀的程度占级中总的应 该膨胀程度的比例数，或是在动叶栅中的理想焓降之比，常 用ρ表示反动度。