蒸汽透平工作原理

蒸汽透平工作原理
1. 工作原理
蒸汽透平（或称汽轮机）是用蒸汽做功的旋转式原动机，它将蒸汽的热能转变成透平转子旋转的机械能，这一转变过程需要经过两次能量转换，即蒸汽通过透平喷嘴（静叶片）时，将蒸汽的热能转换成蒸汽高速流动的动能，然后高速气流通过工作叶片时，将蒸汽的动能转换成透平转子旋转的机械能。

蒸汽透平按工作原理分为两类：
a. 冲动式
b. 反动式
冲动式透平的蒸汽热能转变成动能的过程，仅在喷嘴中进行，而工作叶片只是把蒸汽的动能转换成机械能，即蒸汽在喷嘴中膨胀，速度增大，温度压力降低，而在叶片中仅将其动能部分转变为机械能（汽体流速降低），而由于叶片沿流动方向的间槽道截面不变，因而蒸汽不再膨胀，压力也不再降低；而在反动式透平中，蒸汽在静叶片中膨胀，压力温度均下降，流速增大，然后进入动叶片（工作叶片），由于动叶片沿流动方向的间槽道截面形状与静叶片间槽道截面变化相同，所以蒸汽在动叶片中继续膨胀，压力也要降低，由于汽流沿着动叶片内弧流动时方向是改变的，因此，叶片既受到冲击力的作用，同时又受到蒸汽在动叶片中膨胀，高速喷离动叶片产生反动力的作用，
冲动力和反动力的合力就是动叶片所承受的力，，这就是说，在反动式透平中，蒸汽热能转变成动能的过程，不仅在静叶片中进行，也在动叶片中进行。

按热力过程分，透平可分为：
a. 背压式
b. 凝汽式
c. 抽汽凝汽式：
背压式透平——在透平中工作后的蒸汽，在较高压力（大于0.1MPa）下排出，供作它用；
凝汽式透平-----KT2501、KT1503等属于凝汽式透平――蒸汽在透平中作功后全部排入凝汽器中冷凝；
抽汽凝汽式-----KT1501B属于抽汽凝汽式透平――将在透平高压缸作过功的蒸汽抽出一部分供作它用，而另一部分蒸汽在透平低压缸继续作功后全部排入凝汽器中冷凝。

只有一个叶轮的蒸汽透平称为单级透平，这种透平功率小、转速高、效率低，一般用于驱动小型油泵或水泵；为了提高能量转换的效率，透平往往不是仅有一只叶轮，而是让蒸汽依次通过几个叶轮（一个叶轮为一级），逐级降低其压力、温度，蒸汽每经过一次热能——动能——机械能的转换，称为工作的一个级，级与级之间用隔板隔开，第一级出来的蒸汽进入第二级，第一级的喷嘴装在汽缸的隔板上，蒸
汽经过第二级喷嘴，再次降压、降温、升速，然后去推动第二个叶轮，依次类推，这种透平称为多级透平，多级透平的喷嘴和动叶片是相间排列的，大功率透平将几级叶轮装在一个汽缸内，根据蒸汽工作压力分为高、中、低压缸，有时一个缸还可分成几段，每段都有几个叶轮。

1.2 透平结构：
主要由转动部分、静止部分、控制部分组成。

1.2.1 转动部分：（转子是所有转动部件的组合体）主要有主轴、叶轮（或转鼓）、动叶片、止推盘、危急保安器、联轴节等。

1.2.2 转子的作用：是将蒸汽的动能转变为机械能，传递作用在叶片上的蒸汽圆周分力所产生的扭矩，向外输出机械功。

1.2.3 主轴：支承旋转的部件，传递扭矩。

1.2.4 叶轮: 用来安装和支承叶片的,由轮缘、轮体和轮毂组成。

1.2.5 叶片：在动叶片中汽流由于受动叶片的阻碍（作用力），改变蒸汽流动方向、速度，在汽流的推动下带动叶轮及主轴旋转，并将动叶片所受的汽流作用力所产生的旋转力矩传递给主轴作功，这时汽流必然给动叶片一个反作用力，该反作用力沿转子轮周方向的分力推动转子作旋转运动，对外作功，将蒸汽的动能转变为机械能。

1.2.6 止推盘：平衡轴向推力，保护汽轮机，防止汽轮机动静部件相摩擦。

1.3 静止部分：有汽缸、隔板、喷嘴、静叶片、汽封轴承等。

1.3.1 汽缸：将汽轮机的通流部分（喷嘴、隔板、转子等）与大气隔开，保证蒸汽在汽轮机内完成作功的过程。

1.3.2 隔板：将各压力级隔开，把蒸汽作功分在若干级完成；改变汽流方向，安装喷嘴。

1.3.3 喷嘴：把蒸汽的热能转变为动能，也就是使蒸汽膨胀降压，增加流速，按一定方向使汽体喷射出来，进入动叶作功。

1.3.4 静叶片：它使第一例动叶片出口的蒸汽改变汽流方向，引入下例动叶片中继续利用剩余的动能作功。

1.3.5 汽封：汽轮机轴伸出汽缸的两端处装设的汽封为端部汽封，高压端汽封是减少自高压缸向外的漏汽，并将这部分漏汽引出合理利用；低压端汽封是起密封作用，防止空气漏入缸内，破坏真空。

隔板上装设的汽封为隔板汽封，其作用是保持隔板前后的压力差，减少级间漏汽。

汽封构造一般为迷宫式。

1.3.6 轴承：径向轴承支撑汽轮机大轴，推力轴承承受轴向推力。

1.4. 控制部分：有调节装置、保护装置。

1.4.1 调节装置作用：在稳定工况时保证转速不变且规定值；在负荷变化时，由调节系统来实现转速变化的偏差不超过规定范围。

1.4.2 保护装置：在汽轮机发生不正常的工况时，能自动保证设备的安全不致引起严重事故。

2. 离心式压缩机工作原理
2.1 离心式压缩机对气体做功是通过装在转子上的叶轮来实现的，其工作原理与输送液体的离心泵类似。

气体从中心流入叶轮，在高速转动的叶轮叶片的作用下，随叶轮
作高速旋转并沿半径方向甩出来，由于受旋转离心力的作用，气体的压力得到了提高，同时气流速度也加快了，这就是说叶轮的机械能变成了气体的压力能和动能。

接着气体又流过固定不动的扩压器和蜗壳等通道而流出机外，由于面积不断增大，速度降低，气体压力又得到进一步提高，这一部分动能也变成了压力能。

一个叶轮和与它相配合的固定元件构成压缩机的一个级。

气体流过一级之后，压力的提高是有限的。

在要求升压较高的情况需要由若干个级组成，安装在一个机壳内叫做缸；一个缸最多只能装10级左右，更多的级需要用多缸。

气体经压缩后温度要升高，当要求压比较高时，常常将气体压缩到一定压力后从缸内引出，在外设的冷却器内降温，分离液滴，以便保护设备，减小功耗，然后再导入缸内进入下一级继续压缩，这样依次冷却，次数的多少将压缩机分成几个段，一个段可以是一个级，也可以包括几个级，一个缸可分为一段或几段。

2.2 离心式压缩机结构
2.2.1 转子：由主轴、叶轮、平衡盘、推力盘、联轴节等组成；2.2.2 主轴：安装所有的旋转零件，传递扭矩。

2.2.3 叶轮：即工作轮，气体在叶轮叶片的作用下跟着叶轮作高速的旋转，而气体由于受旋转离心力的作用以及在叶轮里的扩压流动，使气体通过叶轮后的压力得到了提高；此外，气体的速度能也同样在叶轮里得到了提高。

故叶轮是使气体提高能量的唯一途径。

2.2.4 平衡盘：是利用它的两边气体压差来平衡轴向力的零件。

它位
于高压端，它的一侧压力可以认为是末级叶轮轮盘侧的间隙中的气体压力（高压）；另一侧通向大气或进气管，它的压力是大气压进气压力（低压）；轴向力的70%被平衡。

2.2.5 推力盘：由于平衡盘只平衡部分轴向力，其余轴向力通过推力盘传给止推轴承上的推力块，实现力的平衡。

30%轴向推力被平衡。

2.2.6 联轴节：是轴与轴相互连接的一种部件，可以传递扭矩。

2.2.7 通流部分：由吸气室、扩压器、弯道、回流器、蜗壳、密封等组成。

2.2.8 吸气室：汽缸的一部分，它的作用是把气体均匀地吸入叶轮。

2.2.9 扩压器：气体从叶轮流出时具有较高的流速，为充分利用这部分速度能，在叶轮后面设置了流通面积逐渐扩大的扩压器，用以把速度能转化为压力能以提高压力。

无叶扩压器结构简单，变工况的效率高，稳定范围宽。

叶片扩压器，由于叶片、导叶作用，气体流出扩压器的路程短，设计工况效率高，但结构复杂，稳定工作范围窄。

2.2.10弯道：是由汽缸（机壳）和隔板构成的弯环形空间，改变气流方向，使气体由离心方向改变成向心方向。

2.2.11回流器：使气流按所需的方向均匀地进入下一级；由隔板和导流叶片组成。

2.2.12蜗壳：把扩压器后面或叶轮后面的气体汇集起来，把气体引到压缩机出口的输送管道；此外，在汇集气体的过程中，在大多数情况下，由于蜗壳外径的逐渐增大和通流截面的渐扩，使气流起到一定的降速扩压作用。

2.2.13密封：防止气体在级间倒流及向外泄漏。

隔板密封和轮盖密封统称为内密封，轴端密封为外密封。

2.2.14 轴承：有径向轴承和止推轴承。

记录
2009年宁波
沈双喜。