冲动级与反动级之比较

冲动级与反动级之比较

摘要：

通过分析汽轮机的原理，从热力过程、结构、最佳速比以及各项损失四个方面分析比较了反动级与冲动级的不同，总结了两者的长处与不足。

前言：

自1883年首台单级冲动式汽轮机发电组投运以来，汽轮机已经有了一百多年的历史。目前，在发电汽轮机中已经有瑞士制造的双轴1300MW、前苏联制造的单轴1200MW火电汽轮机和法国制造的1500MW核电汽轮机等。汽轮机是在高压、高温、高转速下工作的一种大型精密动力机械，它的制造与发展涉及到许多工业部门和学科领域，汽轮机的制造水平是一个国家科学技术和工业技术发展的标志之一。

随着电力需求的迅速增长和电网容量的不断扩大，汽轮机在向着高参数、大容量方向发展的同时，提高汽轮机的经济性、安全可靠性、负荷适应性和自动化水平始终是汽轮机发展的中心。

在汽轮机发展的过程中关于冲动式汽轮机和反动式汽轮机优劣性的比较一直在进行着。现在主要经营冲动式汽轮机的企业有：美国通用电气公司、苏联的列宁格勒金属工厂等企业；主要经营反动式汽轮机的企业有：美国的西屋电气公司、瑞士的勃朗·鲍维利公司、日本的东芝重工业等公司。法国的阿尔斯通·大西洋公司则是两者皆生产，垄断了法国大型发电设备的生产。

一个世纪以来的实践证明，冲动式和反动式汽轮机没有相互取代的可能性，而是沿着各自的道路在发展。如何通过分析比较促进两者的发展，则是我们现在工作的重心。

一、基本原理

根据蒸汽在汽轮机内的碰撞，我们将汽轮机分为两类。一类是冲动级，即蒸汽只在静叶栅中膨胀加速，而在动叶栅中不再膨胀的级，但一般应用的冲动级都带有少量反动度；一类是反动级，同冲动级相反，是指蒸汽在静叶栅和动叶栅中都膨胀加速的级。为了表明在一级中，蒸汽在动叶内膨胀程度的大小，引入反动度的概念。反动度为动叶内理想比焓降与级的理想比焓降之比。习惯上将具有不大反动度值，即m Ω=0.05~0.3的级，仍称为冲动级；而当反动度较大，即Ωm =0.4~0.6时，才称为反动级。

二、区别

1、热力过程：

纯冲动级：Ωm =0，即b h ∆=0。1p =2p ，如图所示，0

00点

为以初速0c 从00v p 等比熵滞止到相对于喷嘴速度为零

时的状态，0点为喷嘴进口前的状态。在喷嘴内，蒸

汽膨胀到1p ，速度由初速度增加到1c 。1点为喷嘴出

口状态，也是动叶进口状态。因为b h ∆=0，所以蒸汽

进入动叶后不发生膨胀，只改变气流转角。由于冲动

级焓降全都分布在喷嘴里，所以喷嘴出口处1c 、1w 相

对较大。而由于在动叶内部发生膨胀，t w 2=1w 。 纯反动级：m Ω=0.5，此时b h ∆=0n h ∆，如图所示，同样，0

00点为以初速0c 从0

0v p 等比熵滞止到相对于喷嘴速度为零时的状态，0点为喷嘴进口前的状态，1点为喷嘴出口状态，也是动叶进口状态。蒸汽在喷嘴内膨胀到1p 后进入动叶，在动叶内仍进行膨胀，同时发生气流转角的变化。由于在动叶内发生膨胀，故相对速度2w >1w 。

2、结构：

纯冲动级：由于焓降全部分布在在

喷嘴内，所以1c 、

1w =11221cos 2αu c u c -+相对较大，1β=)sin arcsin(

111αw c 相对较小。2β为动叶的几何参数，不随运行工况改变，故相对于反动级

而言，气流进出转角较大，导致其叶栅损失较大。

由于一定流量时，蒸汽膨胀决定于流道的形状，

而冲动级在喷嘴内膨胀，而在动叶内不膨胀，故

其动静叶型线差异很大。因为速度系数取决于型

线，而冲动级动叶中汽流转角大、膨胀小，附面

层易增厚和脱离，故其动叶速度系数小。对于冲

动级，喷嘴、动叶出口参数相近，因为12c w <，故1

2sin sin απβπn n b b n b l d e l d e A A =≈1.4，动叶出口截面积比喷嘴出口截面积大。冲动式汽轮机多采用隔板式，每一级由一个隔板和一个叶轮组成，喷嘴安装在隔板上，而动叶片安装在轮盘外缘。

纯反动级：纯反动级由于在喷嘴内和在动叶内的焓降相

同，故1c 、1w 相对较小，1β相对较

大，相对于冲动式汽轮机而言，气流

进出转角较小，而在动叶栅中为增速

流，故其叶栅损失较小。反动级由于在喷嘴内和在动叶内

的膨胀程度相差不大，故为了制造方便，其动、静叶型线基本相同。反动级动叶中汽流转角小、膨胀大，附面层不易增厚，其动叶系数较大。反动级在动叶中膨

胀，12c w ≈，比容略大于喷嘴出口，故n

b A A 0.1≈，动静面积近似相等。且随压力降低，比容增大较快，动、静面积比增大。

反动式汽轮机的动叶片大多直接装在轮鼓上，在每列叶片之前，装有静叶片。动叶片和静叶片的断面形状基本相同。由于反动式汽轮机每一级前后都存在压力差，因而在整个转子上产生很大的轴向推力。为了减小这个轴向推力，反动式汽轮机不能象冲动式汽轮机那样采用叶轮结构，而是在转子前部装设平衡活塞来抵消轴向推力。活塞前的空间用联通管和排汽管联通，使活塞上产生一个向左的轴向推力，以达到平衡转子轴向推力的目的。

3.最佳速比：

冲动级：对于纯冲动级，级内反动度为0，t w 2=1w 。根据轮周效率一般公式22011222

1)cos cos (c h c c u t u -∆+=ααη可以得知，轮周效率的高低同喷嘴、动叶速度系数、反动度以及轮周速度有关。令轮周速度与级假想速度之比为假想速比a x 02t

a h u c u ∆==，将公式转化为)cos 2(1)cos cos 1(22222121a a a m a u x x x x +Φ-Φ--Φ+Ω-=βψψμβψαϕη，其中1222cos )1(2)1(αϕϕm a a m m a

t x x c w Ω--+Ω-+Ω==Φ。假设上式中喷嘴的速度系数ϕ和动叶的速度系数ψ以及1α、1β均为常数（97.0=ϕ，90.0=ψ，

5.111=α°，281=β°可知9799.0cos 1=α，），则纯冲动级的轮周效率和速度比之间的关系将具有如图形状：（余速完全未被利用）