汽轮机简介
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汽轮机简介
一、汽轮机的发展历史 汽轮机是将蒸汽的能量转换为机械功的旋转式动力机械，是蒸汽动力装置的主要设备之 一。汽轮机是一种透平机械（TURBIN），又称蒸汽透平（STEAM TURBIN）。 公元一世纪时，亚历山大的希罗记述了利用蒸汽反作用力而旋转的汽转球，又称为风神 轮，这是最早的反动式汽轮机的雏形；1629 年意大利的布兰卡提出由一股蒸汽冲击叶片而 旋转的转轮。 19 世纪末，瑞典拉瓦尔和英国帕森斯分别创制了实用的汽轮机。拉瓦尔于 1882 年制成 了第一台 5 马力(3.67 千瓦)的单级冲动式汽轮机，并解决了有关的喷嘴设计和强度设计问 题。单级冲动式汽轮机功率很小，现在已很少采用。 20 世纪初，法国拉托和瑞士佐莱分别制造了多级冲动式汽轮机。多级结构为增大汽轮 机功率开拓了道路，已被广泛采用，机组功率不断增大。帕森斯在 1884 年取得英国专利， 制成了第一台 10 马力的多级反动式汽轮机，这台汽轮机的功率和效率在当时都占领先地位。 20 世纪初，美国的柯蒂斯制成多个速度级的汽轮机，每个速度级一般有两列动叶，在 第一列动叶后在汽缸上装有导向叶片，将汽流导向第二列动叶。现在速度级的汽轮机只用于 小型的汽轮机上，主要驱动泵、鼓风机等，也常用作中小型多级汽轮机的第一级。 与往复式蒸汽机相比，汽轮机中的蒸汽流动是连续的、高速的，单位面积中能通过的流 量大，因而能发出较大的功率。大功率汽轮机可以采用较高的蒸汽压力和温度，故热效率较 高。19 世纪以来，汽轮机的发展就是在不断提高安全可靠性、耐用性和保证运行方便的基 础上，增大单机功率和提高装置的热经济性。 汽轮机发展的主要特点有： 1．增大单机功率。20 世纪初，电站汽轮机单机功率已达 10 兆瓦。随着电力应用的日 益广泛，美国纽约等大城市的电站尖峰负荷在 20 年代已接近 1000 兆瓦，如果单机功率只有 10 兆瓦，则需要装机近百台，因此 20 年代时单机功率就已增大到 60 兆瓦，30 年代初又出 现了 165 兆瓦和 208 兆瓦的汽轮机。此后的经济衰退和第二次世界大战期间爆发，使汽轮机 单机功率的增大处于停顿状态。50 年代，随着战后经济发展，电力需求突飞猛进，单机功 率又开始不断增大，陆续出现了 325～600 兆瓦的大型汽轮机；现在许多国家常用的单机功 率为 300～600 兆瓦。世界工业发达国家的汽轮机生产在 20 世纪 60 年代已达到 500MW～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／ min)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(24MPa ／540℃／540℃)在前苏联投入运行；前苏联Ц К Т И 正在全力推进 2000MW 的高参数全速汽 轮机的开发工作。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 机组的低 17％， 而 1200MW 机组的单位功率成本又比 800MW 机组的低 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 276.3kJ／(kW.H)，即每年可节约标煤 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．提高蒸汽参数。汽轮机装置的热经济性用汽轮机热耗率或热效率表示。汽轮机热耗 率是每输出单位机械功所消耗的蒸汽热量，热效率是输出机械功与所耗蒸汽热量之比。根据 热力学原理，新蒸汽参数越高，热力循环的热效率也越高。早期汽轮机所用新蒸汽压力和温 度都较低，热效率低于 20％。随着单机功率的提高，30 年代初新蒸汽压力已提高到 3～4
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兆帕，温度为 400～450℃。随着高温材料的不断改进，蒸汽温度逐步提高到 535℃，压力也 提高到 6～12.5 兆帕，个别的已达 16 兆帕，热效率达 30％以上。50 年代初，已有采用新蒸 汽温度为 600℃的汽轮机。以后又有新蒸汽温度为 650℃的汽轮机。 现代大型汽轮机通常采 用新汽压力 24 兆帕，新汽温度和再热温度为 535～565℃的超临界参数,或新汽压力为 16.5 兆帕、新汽温度和再热温度为 535℃的亚临界参数，甚至采用超超临界压力的机组(P0＝32MPa、 t0＝600℃)。使用这些汽轮机的电站热效率约为 40％左右。
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，从而可提高机组内效率、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．提高机组的运行水平。为了提高机组运行、维护和检修水平，以增强机组运行的可 靠性，现代大机组大大改善了保护、报警和状态监测系统，甚至配置智能化故障诊断系统。 随着电网容量的不断增大，大机组在结构、系统上应能满足变工况运行的性能要求以适应调 峰任务的需要，因此，经常保持主辅设备和系统的优化运行，以提高机组运行的经济性，并 保证规定的设备使用寿命，这是评价大容量机组技术水平的重要标尺。 大型汽轮机组的研制是汽轮机未来发展的一个重要方向，这其中研制更长的末级叶片， 是进一步发展大型汽轮机的一个关键；研究提高热效率是汽轮机发展的另一方向，采用更高 蒸汽参数和二次再热，研制调峰机组，推广供热汽轮机的应用则是这方面发展的重要趋势。 二、汽轮机的分类及型号 1． 汽轮机的分类。 汽轮机种类很多，并有不同的分类方法。 按用途分：有电站、工业、船用汽轮机。 按结构分：有单级汽轮机和多级汽轮机，各级装在一个汽缸内的单缸汽轮机，和各级分 装在几个汽缸内的多缸汽轮机；各级装在一根轴上的单轴汽轮机，和各级装在两根平行轴上 的双轴汽轮机等。 按工作原理分：有蒸汽主要在各级喷嘴(或静叶)中膨胀的冲动式汽轮机；蒸汽在静叶和 动叶中都膨胀的反动式汽轮机；以及以及由按冲动原理工作的级和按反动原理工作的级组合 而成的混合式汽轮机。 按热力特性分：有凝汽式、供热式、背压式、抽汽式、 中间再热式和饱和蒸汽汽轮机 等类型。凝汽式汽轮机排出的蒸汽流入凝汽器，排汽压力低于大气压力，因此具有良好的热 力性能，是最为常用的一种汽轮机；供热式汽轮机既提供动力驱动发电机或其他机械，又提 供生产或生活用热，具有较高的热能利用率；背压式汽轮机的排汽压力大于大气压力的汽轮 机；抽汽式汽轮机是能从中间级抽出蒸汽供热的汽轮机；中间再热式汽轮机是新蒸汽经汽轮 机前几级作功后，全部引至加热装置再次加热到某一温度，然后再回到汽轮机继续作功；饱 和蒸汽轮机是以饱和状态的蒸汽作为新蒸汽的汽轮机。 按主蒸汽参数（压力）分如表 1-1-1 所示：
一、汽轮机的发展历史 汽轮机是将蒸汽的能量转换为机械功的旋转式动力机械，是蒸汽动力装置的主要设备之 一。汽轮机是一种透平机械（TURBIN），又称蒸汽透平（STEAM TURBIN）。 公元一世纪时，亚历山大的希罗记述了利用蒸汽反作用力而旋转的汽转球，又称为风神 轮，这是最早的反动式汽轮机的雏形；1629 年意大利的布兰卡提出由一股蒸汽冲击叶片而 旋转的转轮。 19 世纪末，瑞典拉瓦尔和英国帕森斯分别创制了实用的汽轮机。拉瓦尔于 1882 年制成 了第一台 5 马力(3.67 千瓦)的单级冲动式汽轮机，并解决了有关的喷嘴设计和强度设计问 题。单级冲动式汽轮机功率很小，现在已很少采用。 20 世纪初，法国拉托和瑞士佐莱分别制造了多级冲动式汽轮机。多级结构为增大汽轮 机功率开拓了道路，已被广泛采用，机组功率不断增大。帕森斯在 1884 年取得英国专利， 制成了第一台 10 马力的多级反动式汽轮机，这台汽轮机的功率和效率在当时都占领先地位。 20 世纪初，美国的柯蒂斯制成多个速度级的汽轮机，每个速度级一般有两列动叶，在 第一列动叶后在汽缸上装有导向叶片，将汽流导向第二列动叶。现在速度级的汽轮机只用于 小型的汽轮机上，主要驱动泵、鼓风机等，也常用作中小型多级汽轮机的第一级。 与往复式蒸汽机相比，汽轮机中的蒸汽流动是连续的、高速的，单位面积中能通过的流 量大，因而能发出较大的功率。大功率汽轮机可以采用较高的蒸汽压力和温度，故热效率较 高。19 世纪以来，汽轮机的发展就是在不断提高安全可靠性、耐用性和保证运行方便的基 础上，增大单机功率和提高装置的热经济性。 汽轮机发展的主要特点有： 1．增大单机功率。20 世纪初，电站汽轮机单机功率已达 10 兆瓦。随着电力应用的日 益广泛，美国纽约等大城市的电站尖峰负荷在 20 年代已接近 1000 兆瓦，如果单机功率只有 10 兆瓦，则需要装机近百台，因此 20 年代时单机功率就已增大到 60 兆瓦，30 年代初又出 现了 165 兆瓦和 208 兆瓦的汽轮机。此后的经济衰退和第二次世界大战期间爆发，使汽轮机 单机功率的增大处于停顿状态。50 年代，随着战后经济发展，电力需求突飞猛进，单机功 率又开始不断增大，陆续出现了 325～600 兆瓦的大型汽轮机；现在许多国家常用的单机功 率为 300～600 兆瓦。世界工业发达国家的汽轮机生产在 20 世纪 60 年代已达到 500MW～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／ min)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(24MPa ／540℃／540℃)在前苏联投入运行；前苏联Ц К Т И 正在全力推进 2000MW 的高参数全速汽 轮机的开发工作。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 机组的低 17％， 而 1200MW 机组的单位功率成本又比 800MW 机组的低 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 276.3kJ／(kW.H)，即每年可节约标煤 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．提高蒸汽参数。汽轮机装置的热经济性用汽轮机热耗率或热效率表示。汽轮机热耗 率是每输出单位机械功所消耗的蒸汽热量，热效率是输出机械功与所耗蒸汽热量之比。根据 热力学原理，新蒸汽参数越高，热力循环的热效率也越高。早期汽轮机所用新蒸汽压力和温 度都较低，热效率低于 20％。随着单机功率的提高，30 年代初新蒸汽压力已提高到 3～4
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兆帕，温度为 400～450℃。随着高温材料的不断改进，蒸汽温度逐步提高到 535℃，压力也 提高到 6～12.5 兆帕，个别的已达 16 兆帕，热效率达 30％以上。50 年代初，已有采用新蒸 汽温度为 600℃的汽轮机。以后又有新蒸汽温度为 650℃的汽轮机。 现代大型汽轮机通常采 用新汽压力 24 兆帕，新汽温度和再热温度为 535～565℃的超临界参数,或新汽压力为 16.5 兆帕、新汽温度和再热温度为 535℃的亚临界参数，甚至采用超超临界压力的机组(P0＝32MPa、 t0＝600℃)。使用这些汽轮机的电站热效率约为 40％左右。
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，从而可提高机组内效率、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．提高机组的运行水平。为了提高机组运行、维护和检修水平，以增强机组运行的可 靠性，现代大机组大大改善了保护、报警和状态监测系统，甚至配置智能化故障诊断系统。 随着电网容量的不断增大，大机组在结构、系统上应能满足变工况运行的性能要求以适应调 峰任务的需要，因此，经常保持主辅设备和系统的优化运行，以提高机组运行的经济性，并 保证规定的设备使用寿命，这是评价大容量机组技术水平的重要标尺。 大型汽轮机组的研制是汽轮机未来发展的一个重要方向，这其中研制更长的末级叶片， 是进一步发展大型汽轮机的一个关键；研究提高热效率是汽轮机发展的另一方向，采用更高 蒸汽参数和二次再热，研制调峰机组，推广供热汽轮机的应用则是这方面发展的重要趋势。 二、汽轮机的分类及型号 1． 汽轮机的分类。 汽轮机种类很多，并有不同的分类方法。 按用途分：有电站、工业、船用汽轮机。 按结构分：有单级汽轮机和多级汽轮机，各级装在一个汽缸内的单缸汽轮机，和各级分 装在几个汽缸内的多缸汽轮机；各级装在一根轴上的单轴汽轮机，和各级装在两根平行轴上 的双轴汽轮机等。 按工作原理分：有蒸汽主要在各级喷嘴(或静叶)中膨胀的冲动式汽轮机；蒸汽在静叶和 动叶中都膨胀的反动式汽轮机；以及以及由按冲动原理工作的级和按反动原理工作的级组合 而成的混合式汽轮机。 按热力特性分：有凝汽式、供热式、背压式、抽汽式、 中间再热式和饱和蒸汽汽轮机 等类型。凝汽式汽轮机排出的蒸汽流入凝汽器，排汽压力低于大气压力，因此具有良好的热 力性能，是最为常用的一种汽轮机；供热式汽轮机既提供动力驱动发电机或其他机械，又提 供生产或生活用热，具有较高的热能利用率；背压式汽轮机的排汽压力大于大气压力的汽轮 机；抽汽式汽轮机是能从中间级抽出蒸汽供热的汽轮机；中间再热式汽轮机是新蒸汽经汽轮 机前几级作功后，全部引至加热装置再次加热到某一温度，然后再回到汽轮机继续作功；饱 和蒸汽轮机是以饱和状态的蒸汽作为新蒸汽的汽轮机。 按主蒸汽参数（压力）分如表 1-1-1 所示：