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第一章 汽轮机基本原理及结构第一节 工程热力学常识工程热力学是热力学中的一个分支，它主要是研究热和功之间相互转换的规律，其主要目的是建立热机理论。热能与其它能量之间的转换，总是通过物质的状态变化来实现的，如燃气轮机中的燃气。蒸汽轮机中的水蒸气等，工程热力学把这种物质称为工质，最常用的工质是一些可压缩的流体。1. 状态参数基本概念工质的状态变化，我们可以通过几个状态参数加以描述。（1） 压力气体与其它物质一样都是由分子组成。容器中的大量气体分子总是充满了整个容器，且一直处于不停的运动之中。气体的压力即气体分子运动时撞击容器表面而在单位面积上所呈现的平均作用力，用P表示。在工程热力学中测量气体压力的单位是公斤力/或公斤力/厘米，或常用“工程气压”作单位。即：1工程气压=1公斤力/厘米=10000公斤力/米。通常物理学中所用的物理大气压是指由于空气的重力所产生的压力，它是以纬度45出的海平面上的常年平均气压定作“标准大气压”，即物理大气压，它与工程气压的换算关系为：1物理大气压=1.033工程气压。在工程测量中也常用水柱或汞柱来表示压力：1工程气压=10米水柱=736毫米汞柱1物理大气压=10.33米水柱=760毫米汞柱在工程上常用弹簧管式压力计或U型管式压力计测量工质的压力。这些表计本身常处于大气压的作用下，从它们的工作原理可以看出，表计上所显示的数值是工质的压力与当地大气压的差值而不是工质的真实压力。我们把工质的真实压力称为“绝对压力”，把表计所指示的压力称为“表压力”。它们的关系是：当工质的绝对压力高于当地大气压时：工质绝对压力=当地大气压+表压力当工质绝对压力低于当地大气压时，即出现真空时：工质绝对压力=当地大气压力-表压力。此时测量真空的仪器就叫真空计，而此时的“表压力”就称为真空度。（2） 温度温度表示了物体的冷热程度。从分子运动学角度讲，温度是物体分子运动平均动能的度量，物体的温度越高表示其分子运动的速度越大，则动能也越大、即物体所具有的能量也越大。在工程测量中，温度测量最常用有两种温度标尺摄氏温标（）和华氏温标（F）。摄氏温标是以1标准大气压下水的冰点作为0，汽点（或称沸点）作为100来标定的。华氏温标是用于英制系统。它是以1标准大气压下水的冰点作为32F，汽点作为212F来标定的。华氏温度与摄氏温度之间的关系是：tF=9/5tC+32 或 t=5/9(tF-32)在热力学中，采用了绝对温标（K），它的分度值与摄氏温标分度值相等，但其绝对零度在零下273。绝对温度与摄氏温度之间的关系是：TK=t+273从分子运动学角度看，绝对零度（0K）即意味着物体内分子的运动趋于停止。（3） 比容和比重单位质量的物质所占有的容积称为比容。其单位为m/kg。从普通物理学可以知道，如果我们忽略了重力加速度的变化因素，我们就可以把比容直接看着是重量的物理所占有的比容。比容常用v表示。单位容积内所含物质的重量称作比重。其单位为公斤重/米。对于同一气体来说，比重或比容都是描绘气体分子疏密程度的物理量。任何一种气体，它们的状态参数P，U，T之间是有着一定的内在联系。对于理想气体（如果我们假设某气体内的分子本身的体积和分子间的相互吸引力略去不计，这种气体就称为理想气体，在工程上，空气或燃气可近似视作理想气体），它们的关系是：P*v=R*TR为气体常数，不同的气体有不同的气体常数。上述关系就称为理想气体的状态方程式。当气体温度不变时，压力与温度成正比。2. 热力学第一定律运动是物质存在的形式，是物质的固有属性。所谓能量即是物质运动的度量。能量的转换与守恒定律告诉我们：“自然界一切物质都具有能量。能量不可能被创造，也不可能被消灭，而只能在一定条件下从一种形态转变为另一种形态。在转换中，能量的总量恒定不变。”热力学第一定律则是能量转换与守恒定律在热力学中的应用。它说：“在任何发生能量转换的热力过程中，转换前后能量的总量维持恒定。”例如，我们可以通俗地这么说，在热能转换成机械能的过程中，当一定量的热能消失，则必然有相当量的机械能产生。反之，消耗一定量的机械能就必然有相当量的热能产生，我们可以把这一关系表示为：Q=A*W Q转换的热量 W转换的机械能 A热功当量由于多次实验得出：1大卡热量可以转换成427公斤.米的机械能。因此A=1/427大卡/公斤.米。单位时间内所作的功称“功率”，其单位是公斤.米/秒。功率还有一些常用单位： 1马力=75公斤.米/秒 1千瓦=102公斤.米/秒=1.35马力3. 火力发电厂热力循环能量既然是可以相互转换的，那么在火力发电厂里，能量转换是如何实现的呢？在火力发电厂中，水（或蒸汽）作为工质是被循环使用的。图1-1所示为一汽轮发电机组的简单循环示意图。水在锅炉里被加热变成具有一定温度、压力的蒸汽，即燃料的化学能在锅炉里转化为热能并传给水和水蒸汽，使水蒸汽本身所具有的能量升高，其特征表现为温度、压力的升高，这个能量我们称之为水蒸汽的内能，水蒸汽的内能一般以热量的形式来度量，所以习惯上也称水蒸汽的热能。也就是说水蒸汽在锅炉里获得了一定数量的热能后进入汽轮机，水蒸汽在汽轮机里膨胀的过程中，将一部分热能转变为机械能并带动发电机，发电机则把机械能转变为电能。蒸汽排出汽轮机后进入冷凝器继续冷却并凝结成水，重又通过给水泵送回锅炉，完成一个循环。在循环中，锅炉源源不断向蒸汽提供热量，称其为热源。汽轮机则把水蒸汽的热量转化为机械能，称其为热机。水蒸汽在冷凝器中不断把热量放给冷却水并又凝结成水，故称冷凝器为冷源。下面我们将谈到，水蒸汽在冷凝器中放出的是汽化潜热，它占了蒸汽从锅炉里吸取热量的大部分，而这些放给冷却水的热量都无代价的排给了大自然了。在火力发电厂中实际采用都为回热循环，如图1-2所示为带一级回热加热的循环。当蒸汽在汽轮机里膨胀做功，温度、压力降到某一程度时，把蒸汽抽一部分出来用以加热锅炉给水，实际上也就是把一小部分蒸汽的汽化潜热利用来加热给水，这样减少了这部分蒸汽在冷源里的放热量，同时也减少了水在锅炉里的吸热量，因而可使整个循环的热利用力得以提高。4. 热力学第二定律从上述循环中，我们可以看到，如光有热源（锅炉）和热机（汽轮机），则工质（水蒸汽）根本无法实现循环，汽轮机也不能把热能转换成机械能，大量的事实和经验都证明：“在热机作功的过程中，除了有一个热源，还必须有一个冷源存在，由热源得到的热量不可能全部转化为机械能，其中有一部分必须传给低温的冷源。”这就是热力学第二定律。热力学第一定律说明了热能与机械能相互转换的数量关系，而热力学第二定律则进一步提出了热能转换成机械能的必要条件。5. 水和水蒸汽的热力学性质（1） 饱和蒸汽和过热蒸汽如对容器的水加热，水的温度升高。当加热至一定的温度时，水开始沸腾，我们把水开始沸腾时具有的温度称为饱和温度，即沸点。沸点状态下的水称为“饱和水”。饱和温度是和压力相对应的，容器内压力增高，饱和温度也增高，如压力为1绝对大气压，其饱和温度为99.09，当压力升高至1.2绝对大气压时，饱和温度也相应为104.25。当水达到沸点后，继续加热，则饱和水开始汽化，而水温并不高，始终等于饱和温度，这些继续加热的热量使一些水分子获得更高的能量而冲破水的表面而变成蒸汽。继续加热的结果，就使水不断地汽化直至完全变为蒸汽，我们把这种状态下的蒸汽称为干饱和蒸汽，既有水又有蒸汽的状态，称为湿蒸汽或称饱和蒸汽。为了表示饱和蒸汽所占的份额，我们采用了干度X这一参数。干度X是指1公斤湿蒸汽中干饱和蒸汽所占重量的百分比。把1公斤已经加热到饱和温度的水在定压下加热，使它转变成干饱和蒸汽，所需加入的热量叫做汽化潜热用字母“”表示。值随压力变化而变化，压力升高，值减。当压力为1绝对大气压时，饱和水的汽化潜热=539.5大卡/公斤。当干饱和蒸汽继续在等压下加热时，蒸汽的温度就要上升而超过饱和温度，其超过的温度值称为过热度，具有过热度的蒸汽叫做过热蒸汽。（2） 焓的焓是水蒸汽的一个很重要的状态参数，是水或水蒸汽所具有的能量的度量。某一状态下的水或水蒸汽的焓值可以看成是把一公斤的水从焓零点加热到该状态下的水或蒸汽所吸收的总热量，用字母“i”表示，单位为大卡/公斤。热力学中规定：取温度为0并处在其本身饱和蒸汽压力下的水（准确讲应为P=0.006228绝对大气压。t=0.0075）所具有的焓值为零，并以此作为焓值的起算点。焓值实际上表示了蒸汽作功潜在能力的大小。蒸汽流过汽轮机时，它的压力与温度降低，同时蒸汽的焓值也相应减少，这个焓值的减少称焓降（或热降）。汽轮机正是利用这个焓降转变为机械能而作功的。例如24绝对大气压390的新蒸汽，它具有的焓值为i0=769大卡/公斤。也就是说，从焓零点开始，每产生1公斤24ata.390的蒸汽，共需吸收769大卡的热量，使蒸汽具有一定的作功的本领。然而，它实际作出多少功与在热机中的焓降有关。（3） 熵熵同样是水蒸汽的一个很重要的状态参数，熵值的变化可以表征蒸汽在热力过程中热量变化的情况。熵这个参数比较抽象，不能用简单的物理概念来描述。但大体上可以这么说：如蒸汽在工作过程中伴随有吸热，则其熵值将增大；反之，蒸汽在工作过程中伴随有对外放热，则其熵值将减少。当蒸汽在工作过程中既不吸热，又不放热，则其熵不变，这个过程称等熵过程。熵的单位是大卡/公斤.度。常用S表示。（4）水和水蒸汽的热力学特性是很复杂的，很难用简单的数学公式来表达清楚。为了工程上应用方便，将试验得出的各种参数下水及水蒸汽的热力学特性，如压力、温度、比容、比重、焓值、熵值等按一定规律排列成表。水及水蒸汽的热力学性质表有专书出版，这里不详细介绍。 第二节 汽轮机基本原理汽轮机是一种以水蒸汽作为工质的旋转式原动机。其工作原理人们在古时候就已懂得。如在农村中经常能见到的风车就是一例，它是以空气为工质的最简单的汽轮机。风具有一定速度的空气，吹向风叶，使风车转动。这里，风叶把空气的动能转变成风车转动的机械能。而在我们蒸汽轮机里，蒸汽通过喷嘴产生高速流动，即把蒸汽的热能转变为动能，这高速蒸汽流随即冲向叶轮上的工作叶片，工作叶片又把蒸汽的动能转变成汽轮机旋转的机械能。下面就蒸汽在汽轮机中的流动过程来说明汽轮机的工作原理。1. 蒸汽在喷嘴中的流动（1） 要使蒸汽在管道中流动，其必要条件是必须有压力差存在。有了压力差，蒸汽才能在压差的作用下克服管道的阻力产生流动。由于蒸汽在流道中的流动是连续的，因此在任一时刻，蒸汽流经流道中任何一个断面的流量是必然相等的。（2） 水蒸汽在等截面管道中的流动：由于管道流动阻力的存在，因而蒸汽压力是随着蒸汽的流动逐渐降低的，即P1C1。所以，水蒸汽在等截面管道中流动时，其压力将越来越低，而其速度却是越来越高。（3） 咀来产生高速蒸汽流的。水蒸汽在渐缩截面流道中的流动：蒸汽在蒸汽渐缩截面流动中时，C2C1，即，蒸汽流经渐缩截面流道时可以产生高速气流。在汽轮机中，我们也都采用渐缩喷2. 蒸汽在汽轮机级里的流动最简单的汽轮机级是由一排固定不动的喷嘴和一排随着轮子转动的工作叶片所组成。我们可以用速度三角形的方法来帮助我们了解蒸汽在汽轮机级里的流动情况。（1） 进口速度三角形：在汽轮机里，喷嘴是固定不动的，而工作叶片（也称动叶片）是装在轮子上并随之一起转动，它具有一定的圆周速度u=.D.n/60米/秒。因此对同一股汽流，我们站在喷嘴的立场和站在动叶片的立场来观察，所看到的汽流的速度和方向将是不一样的，这里有一个“相对”概念在里头。我们把站在喷嘴的立场观察到的汽流的速度或角度定义为绝对速度和绝对角度，把站在动叶片的立场所观察到的汽流的速度或角度定义为相对速度和相对角度。图1-7画出了某汽轮机级的速度三角形。动叶进口处所示为动叶进口速度三角形：具有一定压力、温度的蒸汽具有一定的势能，该蒸汽在通过一渐缩喷嘴时，随着压力的降低，流速不断增大，到喷嘴出口处，达到速度C1，C1即为喷嘴出口处的绝对速度。蒸汽在喷嘴内的流动过程，是一个蒸汽把势能转换成速度能的过程，即势能转换成动能的过程。蒸汽以绝对速度C1由喷嘴出来，其方向与动叶片运动方向成夹角a1，a1称为喷嘴的绝对出汽角。由于动叶片随着叶轮以圆周速度u运动，所以，站在动叶片的立场上看这股汽流，所看到的速度与方向都发生了变化，它不是以C1、a1进入动叶而是以W1 、1流进动叶汽道的。速度W1和夹角1就称为汽流进入动叶汽道的相对进口速度和相对进汽角。W1和1的大小直接与C1、1和u的大小有关。相对速度W1的数值就等于绝对速度C1与圆周速度u的矢量差。由汽流的绝对速度C1、动叶圆周速度u和动叶相对进口速度W1这三者的矢量关系所组成的三角形称为动叶片的进口速度三角形。（2） 出口速度三角形：与动叶片进口速度三角形情况相同。动叶出口处所示即为动叶片出口速度三角形。汽流进入动叶片流道并通过流道后，以相对速度W2和相对出汽角2流出动叶，由于动叶片是以圆周速度u在运动，所以对于静止的喷嘴来说。汽流是以绝对速度C2和夹角2流出动叶的。绝对速度C2的数值就等于相对速度W2与圆周速度u的矢量和。同样，我们把动叶的相对出汽速度W2、圆周速度u和绝对出汽速度C2这三者的矢量关系所组成的三角形称为动叶片的出口速度三角形。由动叶片的进口速度三角形和出口速度三角形可以看出，蒸汽流在通过动叶流道时，速度的大小和方向都发生了很大的变化，也就是说，汽流在动叶流道内流动的过程中，把它的一部分动能交给了动叶片，使动叶片获得作圆周方向运动的力，从而使汽轮机旋转做功。蒸汽在动叶流道内流动的过程，是一个动能的交换和转换过程，即蒸汽高速流动的一部分动能交给了动叶片并转换成汽轮机旋转的机械能。以上就是蒸汽在汽轮机级内流动并作功的基本原理，即冲动式汽轮机工作原理。蒸汽在汽轮机内流动作功的过程中，由于其压力在不断降低，比容逐渐增大，即蒸汽在不断膨胀，因此我们习惯上把蒸汽在汽轮机内作功的过程叫作蒸汽的膨胀作功过程。3. 汽轮机级的效率 蒸汽在汽轮机级里膨胀作功的过程中，由于存在着各种各样的损失，因此，蒸汽的势能在汽轮机级里只能是部分的被转换成机械能，而还有相当一部分的蒸汽势能则被损失掉了。（1） 蒸汽在汽轮机级里流动的损失：A、 叶型损失：叶型损失是汽流经过某一叶型时由于多方面的因素引起的损失的综合。如：汽流在叶型流道中流过时，与型面之间产生摩擦，消耗部分能量，也影响了汽流速度，产生损失；汽流在叶型流道内的流动实际上是不均匀的，汽流内部也有摩擦产生，也产生损失；由于结构上的原因，如叶型出汽边有一定厚度，汽流在叶型出汽边处会发生局部涡流，也称为尾迹涡流，产生损失；在型线背面近出口处有时也会出现局部涡流（汽流脱离产生涡流）产生损失等等。我们经常把发生在喷嘴上的叶型损失叫作喷嘴损失，把发生在动叶上的叶型损失叫作动也损失。B、 叶高损失：汽流在叶型流道中流动时，靠近叶片高度两端处将会产生很复杂的流动情况，产生了附加的损失，称端部损失（由于叶片两端处的流动情况及其产生的原因等都较复杂，故此处不详细介绍），叶片越短，端部损失的影响越大，即叶高损失越大。C、 余速损失：蒸汽在汽轮机级内膨胀作功后从动叶流道出口处流出时，还具有相当大的绝对速度C2，也就是说蒸汽还带着相当一部分动能离开动叶的，这些动能对该汽轮机级来说是没有能在级内被转换成机械能而又被气流带走，也就是完全损失掉了，这种汽轮机级排汽动能的损失称为余速损失。对于多级汽轮机来说，在多数情况下，前一级的余速动能，可以在下一级内得到部分利用的。（2） 汽轮机级的轮周效率：汽轮机级的轮周效率的定义：汽轮机在工作过程中，其轮缘上实际得到的功与蒸汽在级内理论上可做的功的比值。就叫做级的轮周效率。（3） 汽轮机级的内效率：汽轮机级在工作过程中，轮缘上所得到的功，还不能全部通过轮轴输出，还有相当一部分功要损失掉，这些损失包括：A、 摩擦损失：由于汽轮机内部充满了蒸汽，所以叶轮的轮面部分都是与蒸汽直接接触的，叶轮叶片在蒸汽里高速旋转时要产生摩擦，消耗一部分功并转化为热量。B、 鼓风与驱汽损失：在中小型汽轮机里，由于蒸汽流量不大，当蒸汽压力较高时，蒸汽比容又很小，即中小型汽轮机的容积流量很小。在设计时我们为了保证叶片有一定的高度，所以，隔板上的喷嘴并不沿圆周都布满的，而是仅某一弧段上有喷嘴，余下的弧段上就没有喷嘴，这种情形我们就称为部分进汽。进汽部分弧段长度与圆周长之比称为部分进汽度。这样的汽轮机级我们称为部分进汽级。在部分进汽级中，只有一部分动叶片参与热力过程作功，而另一部分动叶片是在空转，它们不但不作功，反而象鼓风机一样在鼓动周围的汽而消耗掉一部分功。这一种损失称为鼓风损失。当不作功的部分动叶片重又转入工作弧段时首先要把充满在动叶流道内的相对静止的蒸汽驱动起来，这又要消耗主汽流的一部分功，这种损失称驱汽损失，或称斥汽损失、弧段损失等。对全周进汽的汽轮机级，该损失为零。C、 湿汽损失：冷凝式汽轮机的后几级，一般都工作在湿蒸汽区。随着蒸汽的膨胀降压，蒸汽的湿度随之增大，汽流中就会不断有水滴形成，水滴的质量比蒸汽是要大得多的，且它已失去继续膨胀作功的能力，蒸汽流还必须带动这些水滴一道流动，要消耗一部分能量，同时由于这些水滴的流动速度远低于汽流速度，如图1-10所示，为一动叶进口速度三角形。由图可以看出，蒸汽相对于动叶的进口速度，即相对速度W1是冲向动叶流道作功的，而水滴对于动叶的进口速度，即相对进口速度W1水却是冲向叶型背面的，它非但不能作功，反而成了动叶片作圆周向运动的阻力，因而又消耗掉一些轮缘上由汽流得到的功。这项损失我们称为湿汽损失。对工作在过热蒸汽区的汽轮机级，该项损失为零。D、 漏汽损失：由于结构上的原因，隔板与轮轴之间有一定的间隙，一部分蒸汽不通过喷嘴、动叶作功，而是通过这些间隙流过又通过叶轮上的平衡孔流到级后，因而这一部分蒸汽一点功也没作。同样，从喷嘴流出的气流，也有一小部分蒸汽通过喷嘴和动叶之间间隙漏掉了，因此也没有参与作功。这些漏汽都会使汽轮机级实际作功能力减少，称为漏气损失。4. 汽轮发电机组的输出功率（1） 汽轮机的输出功率：一台汽轮机可以是单级的也可以是多级的，单级汽轮机的内功率就是该级的内功率，而多级汽轮机的内功率则是各级内功率之和。内功率仅仅是轮轴上得到的功率，但还不是汽轮机能对外输出的功率。因为一台汽轮机在工作时还有一系列的附属机构都在参与工作它们都需消耗一部分功率，如：A、 各支撑轴承、推力轴承摩擦耗功。B、 主油泵耗功。C、 联轴器的摩擦、鼓风耗功。D、 其他，如转速表传动耗功等。以上这些消耗，我们总称之为汽轮机的机械损失，（2） 汽轮发电机组的输出电功率：如果汽轮机与发电机转速相同，则两者可以通过联轴器直接相连，这时，汽轮机的输出功率也就是发电机所得到的机械功率，只要再乘上发电机效率就可以得到发电机的输出电功率。如果汽轮机的转速高于发电机的转速，则必须在两者之间配备一套减速器，那么在计算电功率时还必须考虑减速器的传动功率。5. 汽轮发电机组的经济性指标汽轮发电机组的经济指标通常可以用汽轮机相对的内效率、汽耗率来表示。（1） 汽轮机的相对内效率：汽轮机在工作过程中，轮轴上实际得到的功与蒸汽在汽轮机里理论上可做的功的比值就称为汽轮机的相对内效率。（2） 汽轮发电机组的汽耗率汽轮发电机组每发出一度电所消耗的蒸汽量称为汽轮发电机组的汽耗率，汽耗率公式表示为：d=D/Ne 公斤/千瓦小时（公斤/度）D汽机总进汽量 公斤/小时（3）汽轮发电机组的热耗率汽轮发电机组每发出一度电所消耗的蒸汽热量称为汽轮发电机组的热耗率。蒸汽热量只有一部分在汽轮机内被转化为机械能，而另一部分热量则是在冷凝器里被冷却水带入循环水中去了，这就是我们所说的冷源损失。第二节 汽轮机的分类及型号1. 汽轮机的分类（1） 按工作原理分：A、 冲动式汽轮机蒸汽的热能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变成机械能这样的汽轮机称为冲动式汽轮机。图1-15为一单级冲动式汽轮机的纵剖面示意图。图中所示：蒸汽以压力P0及速度C0进入喷嘴，在喷嘴内膨胀，压力降到P1，速度升高到C1，然后冲入工作叶片。汽流在流过工作叶片时，汽流方向发生了改变，蒸汽就把它的一部分动能交给了工作叶片，在工作叶片上产生一个使转子转动的圆周方向上的力。这样，蒸汽的一部分动能就转换成了转子的机械能，蒸汽速度从C1降到C2。由于冲动式汽轮机蒸汽在工作叶片流道内不发生膨胀，所以蒸汽压力P1=P2。工作后的蒸汽以压力P2及流速C2离开汽轮机。B、 反动式汽轮机在我们周围，反冲现象是经常可以见到的，如烟花、火箭等，就是利用火药燃烧时产生的大量高压气体从其尾部以很高的速度喷出，这高速气流就对烟花、火箭等产生一反冲力使之飞向空中。象烟花、火箭等这样的工作原理我们就称为“反冲原理”或“反动原理”。在反动式汽轮机中，喷嘴（通常称为静叶片）流道和工作叶片（通常称为动叶片）流道的变化是完全一样的，如图1-16所示。蒸汽在静叶中膨胀加速，压力从P0降到P1，速度从C0增为C1冲向动叶片，在动叶片上产生一冲动力。当气流进入动叶后又继续膨胀，压力从P1再降到P2，气流速度从C1变为C2喷离动叶片，汽流则对动叶片又产生一反动力。这样，动叶片上获得的冲动力与反动力合为一个力使转子转动。严格来说，反动式汽轮机实际上是既利用了冲动原理，又利用了反动原理。C、 混合式汽轮机，即一台汽轮机里，既有冲动式级也有反动式级，这种汽轮机会经常看到。（2） 按汽轮机构造分：A、 单级汽轮机：一般均为冲动式的。单级汽轮机一般都是小功率、高转速的，其效率较低，在发电厂中仅用于拖动水泵、油泵等。B、 多级汽轮机：随着汽轮机朝着大功率、高参数、高效率发展，单级汽轮机是不能适应需要的。单级汽轮机在承受大的焓降时将产生大的流动损失和余速损失（即蒸汽离开动叶时其流速C2很高，还具有很大的动能，但白白的被排出汽轮机而浪费掉了，我们称之为余速损失），因而效率极低。为此而出现了多机汽轮机，使每一级承受不大的焓降，故汽流流动损失很小，同时，前一级的余速在下一级里可以继续得到利用，这样使整个汽轮机的效率大大提高。在多级汽轮机中，蒸汽压力逐渐降低，比容逐渐增大，因而通道也必须逐级增大，所以多机汽轮机的叶片高度是逐级增高的。C、 速度级汽轮机：前面已经说过，当单级汽轮机承受较大的焓降时，其排汽还有很大的一部分动能没有被利用，即余速损失很大。为了能尽量的利用这一部分余速能量，在单级汽轮机的基础上进而造出了速度级汽轮机。图1-17为一双列速度级汽轮机的纵剖面示意图：一个叶轮上装上两排动叶片，在两排动叶片之间安装有导向叶片。蒸汽在喷嘴中加速后冲入第一排动叶，把一部分动能交给第一排动叶并改变方向，仍带着很高的速度离开第一排动叶而进入导向叶片，汽流量又转回方向再次冲入第二排动叶继续作功。由于汽流的动能已被两次冲动利用，可以使余速损失大大降低，级效率可以有所改善。速度级汽轮机的优点是单级功率可以做得较大，即可以承受较大的焓降，构造简单，制造成本低，但速度级汽轮机的效率还是不高的，一般在电厂中用于拖动给水泵等或作为中小型多级汽轮机的第一级调节级。（3） 按热力循环过程分：A、 凝气式汽轮机：蒸汽经汽轮机膨胀作功后成为乏汽（此时蒸汽的温度和压力都已非常低，在汽轮机里已没有什么作功能力了，通常我们称之为乏汽），排入凝汽器（通常叫做冷凝器）凝结成水，再送回锅炉加热。凝汽式汽轮机主要用于带动发电机发电，也可作为其他机械的原动力（如船舶、大型鼓风机等）。B、 背压式汽轮机：蒸汽在汽轮机内膨胀作功后在比较高的，我们所需要的压力和温度下就让它排出汽轮机，然后送到如化工厂、化肥厂、炼油厂、纺织厂等作为工业用汽。背压式汽轮机是供了汽又发了电，但其发电量是受用汽量的限制的，即生产或生活用汽越多，则通过汽轮机的蒸汽量也多，发电量也就越多，反之亦然。因而背压式汽轮机是以供汽为主，发电为辅的。C、 抽汽式汽轮机：它也是用于既供汽又发电的机组。它也具有一台凝汽器。蒸汽进入汽轮机膨胀作功，在汽轮机中间我们所需要的压力和温度的地方将部分蒸汽抽出以供工业用汽或生活用汽，其余蒸汽继续膨胀作功直至排入凝汽器。汽轮机抽气可以是一股的（称单抽汽），也可以是不同压力、温度的二股的（称双抽汽）。这种汽轮机的抽汽量、抽汽压力和发电量都可以进行调整，且相互不受限制，即可以同时满足供汽和发电的需要。2. 国产汽轮机的型号（1） 旧型号汽轮机旧型号由三组数字组成：第一组数字中的第一个数表示汽轮机进汽的参数范围，第二个数表示汽轮机的型式；第二组数字表示汽轮机以千千瓦为单位的功率数；第三组数字代表汽轮机的设计序号，一般原型设计的汽轮机，第三组数字则不标注。特征代号的意义参看表1-1及表1-2。（仅列出与小机组有关部分）新蒸汽参数范围的特征代号表1-1分类压力 公斤/厘米2温度 特征代号低压中压102021404180300360361450451480234 汽轮机型式的特征代号表1-2汽轮机型式特征代号汽轮机型式特征代号凝汽式有一次供暖抽汽有一次工业抽汽123供暖和工业抽汽背压式45型号举例（2） 新型号由于汽轮机旧型号不直观，且不能体现汽轮机实际参数情况，现在国产汽轮机都已采用新型号。新型号由三组数字或符号组成，第一组里的汉语拼音字母代表汽轮机的形式，字母后的数字表示汽轮机以千千瓦为单位的功率数；第二组数字代表汽轮机新汽规范以及抽汽压力或背压等；第三组数字表示设计序号，一般原型设计汽轮机，第三组数字可不标注。 表13汽轮机型式的特征代号汽轮机型式特征代号汽轮机型式特征代号凝汽式背压式抽汽式NBC双抽汽式稳动式工业用汽轮机C CYG型号举例：A、 B335/51B3代表背压式3000千瓦汽轮机，进汽参数为35绝对大气压，温度为435，排气压力为5绝对大气压。该机为第一次改型设计。B、 N635N代表凝汽式、6代表额定功率为6000千瓦的汽轮机，进汽参数为：进气压力：35绝对大气压，进汽温度为：435。由于压力的表示方法不同，所标的数值也不同，象我们厂使用的汽轮机型号为：N153.432中的N代表凝汽式，15代表15000千瓦的额定功率，其中的3.43代表额定进汽压力3.43MPa，额定进汽温度为435，该机为第二次改型设计。C、 C1235/10C代表抽汽式，12代表额定负荷12000千瓦，进汽参数为35绝对大气压，温度为435，抽汽压力为10绝对大气压。D、 CB2.549/15/2.5CB代表抽汽背压式，2.5代表2500千瓦汽轮机，进汽参数为49绝对大气压，温度为470，抽汽压力为15绝对大气压，排汽压力为2.5绝对大气压。第三节 汽轮机本体结构1. 汽缸（1） 汽缸的作用和构造：汽缸的作用：A、把汽轮机通流部分与大气隔开，保证蒸汽在汽轮机内完成其膨胀作功过程。B、安装支承汽轮机的如隔板、喷嘴组、导叶环、汽封等静止部套。汽缸通常做成上下两半，上下结合面称水平中分面，靠水平中分面法兰和螺栓连接成一体，水平中分面加工要求很高，必须保证严密不漏汽。为了便于铸造和加工，并合理使用材料，往往把气缸分成二段（高压缸和低压缸，或称前汽缸和后气缸），甚至三段（高压缸、中压缸、低压缸，或称前汽缸、中汽缸和后汽缸），其结合面称垂直分面，同样也靠垂直分面法兰和螺栓连接，也必须保证严密不漏汽。前汽缸上半高压端有进汽室，它分成若干腔室，靠调节汽阀控制进汽。有些气缸的进汽室不直接在气缸上做出，而是单独做成蒸气室靠法兰、螺栓连接在气缸上。气缸内装有调节级喷嘴、调节级的导叶环，隔板，转子和前后汽封等，气缸上还开有抽汽口和排汽口。为防止热量的散失，在高压缸外壁敷有保温材料。汽缸所用的材料决定于汽轮机工作时蒸汽温度：蒸汽温度在250以下可用铸铁，400以下可用普通铸钢，更高的温度则要用合金铸铁。（2） 汽缸的支承和热膨胀汽轮机在启动、停机或负荷改变时，汽缸各部分的温度都将产生很大的变化，汽缸也就会产生相应的膨胀或收缩。如果汽缸的这个胀缩不能自由地和合理的进行，则将会使汽轮机产生如下的情况：A、 汽缸发生变形，中心线将发生偏移，汽轮机运行时会产生大的振动。B、 汽缸内部装配间隙会产生变化，严重的会使动、静部分发生碰撞、摩擦等。因此，我们必须要求汽轮机的胀缩能自由的进行，且在胀缩过程中能始终保持原有的中心线。这样，汽轮机必须要采用合理的支承和滑销系统。汽轮机所采用的支承方式和热膨胀方式可以因机组的不同而有多种方式，但基本原理却是一样的。我们就以我们厂汽轮机来介绍它的汽缸支承和膨胀情况：前汽缸与前轴承座是以半圆法兰相互连为一体的，前轴承座则坐落在前机座上。后汽缸有左右两个支脚，座落在后机座上。汽轮机在运行中，前汽缸与前轴承座之间有温差存在，会产生膨胀差。为保证膨胀过程中，前汽缸与前轴承座之间有温差存在，会产生膨胀差。为保证膨胀过程中，前缸与前轴承座仍能保持原有的中心位置，在半圆法兰上装有三只定位销，两只水平、一只垂直，三只销子的中心线相交于一点（汽轮机中心），这样就可以保证汽缸和前轴承座的对中位置不会因为膨胀不均而破坏。下面我们来看汽轮机座落在机座上的膨胀情况：后汽缸的两个支脚各有一只横向滑销，可以让汽缸向左右自由的膨胀滑动，后汽缸的后下方，正对中心线处有一只立销，可以允许汽缸作垂直方向的膨胀滑动并保证汽缸膨胀时不偏离中心线。两只横向滑销有同一轴心线并垂直于汽轮机的中心线，二者的交点我们称为汽轮机的膨胀死点。一般汽轮机的膨胀死点在结构允许的情况下尽可能与汽轮机排汽口中心一致，或向后偏离不要太多。汽轮机膨胀死点保证了汽轮机的膨胀不会影响到后面的减速器或发电机的中心位置，汽轮机的纵向膨胀不是由死点向前进行的，前轴承座与机座之间有一纵向滑销，其中心线与汽轮机中心线一致，因此，汽轮机膨胀时其中心线不会发生偏移。为保证前轴承座能在机座上自由滑动，前轴承座与机座之间的连接螺栓不是拧死的，而是留有一定的间隙。2. 喷嘴组汽轮机的第一级喷嘴是直接装于前汽缸高压端进汽室或单独的蒸汽室上。第一级喷嘴一般总是分成若干组，每一组由若干单独喷嘴块组成，直接受各调节汽门控制，即每一个调节汽门控制一组喷嘴，用它来调整汽轮机的进汽量以达到调整电负荷的目的，所以汽轮机第一级通常叫做调节级，第一级喷嘴也叫调节级喷嘴，通常叫作喷嘴组。第一级喷嘴组的构造：喷嘴组由内、外环和若干单独铣制的喷嘴块及首块、尾块组装而成，由分隔板把整个弧段分成六组，每一个组与一个调节汽阀联通，喷嘴组各构件之间均用电焊焊成一整体，用带锁垫的螺栓紧固在进汽室上，为保证结合面的严密不漏气，在喷嘴组与进汽室之间通常装有紫铜垫或软不锈钢垫片。喷嘴组一般都在高温下工作，所以它使用的材料主要是不锈钢和耐热合金钢。一般中小型汽轮机由于高压蒸汽的比容很小，在满足汽轮机所需的蒸汽量下，所需的喷嘴组通道面积较小，故在保证喷嘴有一定高度的前提下，所需喷嘴数不多，这样，喷嘴组所占弧长仅为圆周长的一部分。这种情况我们称为部分进汽，喷嘴组通道部分所占弧长与圆周长的比值称为部分进汽度。3. 隔板多级汽轮机除第一级称调节级外，其余各级均称为压力级。各压力级之间由隔板分开，各级喷嘴都安装在隔板上，隔板安装在汽缸的隔板槽内。根据各级通道面积的需要，隔板上的喷嘴可以是部分进汽的，也可以是全进汽的。无论隔板的构造型式如何，隔板都是由隔板本体、喷嘴、隔板外缘和主轴穿孔处的轴封等组成。隔板都做成上下两半，分别装在上下汽缸内。为增加隔板的刚性和两半结合面的严密性，在两半结合面处装有两条长键。在一些直径较大的隔板上，为保证两半合拢时中心不会错位，在中分面还装有上下半对中定位键。（1） 隔板的分类 隔板按其结构可分为焊接式隔板和铸造式隔板两类。焊接式隔板又有围带焊接式和喷嘴块焊接式两种型式。A、 焊接式隔板：a、 围带焊接式隔板：它是把预先做好的喷嘴片，通常就称它为汽叶，两端分别插入到预先做好的内、外围带的与汽叶型线相同的孔内，然后电焊牢，使它成为一个完整的喷嘴弧段，然后再与隔板本体、外缘焊成一块隔板。b、 喷嘴块焊接式隔板：它的结构类似于喷嘴组的型式，即把预先做好的喷嘴块，一只接一只的安装在隔板本体和外缘的喷嘴块安装槽内，然后再焊接成一块隔板。采用这种结构的隔板往往把喷嘴块做得较窄，为增加隔板的强度，则在隔板本体和外缘之间布置有若干条加强筋。焊接式隔板都用在汽轮机的高压段，汽叶式喷嘴块和围带用不锈钢或耐热合金钢做成，隔板本体和外缘则用铸钢或合金铸钢。B、 铸造式隔板这种隔板多用铸铁制成。把汽叶按一定间距放入砂型中浇铸，使汽叶两端分别浇入隔板本体和外缘内，形成一块隔板。铸造式隔板只适于工作温度在250以下，因而只用于汽轮机低压部分。汽叶一般用不锈钢制成，也有直接用钢板弯制而成。（2） 隔板在汽缸内的安装定位隔板是被装在汽缸的隔板槽内的，它有轴向和径向两个方向定位问题。隔板在汽轮机里的轴向位置由汽缸隔板槽轴向位置决定，它由加工保证，而隔板在隔板槽内的轴向定位通常有两种方式：A、 公差配合安装。即隔板厚度与槽宽公称尺寸一致，安装间隙由制造公差保证。B、 轴向销钉式安装。即隔板厚度尺寸做得比隔板槽小2mm，在隔板外缘处安装六只轴向销钉（沿圆周均匀分布），通过修配这六只销钉的长度使隔板装入槽内并保持一定间隙。隔板在汽缸内的径向位置须保证隔板中心线与汽轮机中心线一致，其目的是：A、 保证喷嘴、动叶流道对中，有利于汽流作功，保证汽机效率。B、 保证隔板汽封与轴有均匀间隙，避免摩擦碰撞。隔板的径向定位一般有两种类型：A、 径向销钉定位：沿隔板外圆布置六只径向销钉，隔板安装时可修配好每只销钉的长度，使隔板放入汽缸后，其中心位置与汽轮机中心线一致。上半汽缸左右两侧有两块托板，用螺钉固定在汽缸上，托板的一头伸入上半隔板的缺口内，这样，在起吊上半汽缸时，上半隔板也随之被托起。托板的另一作用可防止隔板在汽缸内转动。此种定位方式仅适用于隔板直径较小，重量较轻的小型汽轮机上。B、 悬挂销式定位：这种定位，隔板中心的高低，靠修配左右两只悬挂销与隔板接触面来保证，而隔板中心的左右位置则由隔板底部与汽缸之间的定位键来保证的。这种隔板的中分面处就设有上、下半对中定位键。悬挂销靠螺钉固定在汽缸上。上、下对中定位键一端固定在下半隔板上，另一端则插入上半隔板的键槽内。4. 动叶片动叶片也称工作叶片，它承受汽流的冲动力和反动力，把蒸汽的动能转换成机械能，使转子转动，同时，由于转子的高速转动，动叶片还承受了由自身质量产生的巨大的离心力。因此，动叶片结构的合理性和流道部分型线的好坏直接影响汽轮机工作的安全可靠和经济性的好坏。动叶片由三个部分组成：叶根、叶身（即流道部分，也称工作部分）和叶顶。（1） 动叶片的种类A. 按叶身的形状分：a. 直叶片：即叶身各截面型线都相同。b. 退拨叶片：即叶身截面型线从底部开始到顶部逐渐减薄。这是为了减少叶片的离心力而设计的，这种叶片在中小型机组的较长叶片上可以见到，但由于其汽流工作性能不好，故很少用。c. 扭曲叶片：在较大的机组上，后几级叶片更长，由于动叶根部和顶部圆周速度相差很大，汽流在流道内流动情况也不一样。为了使动叶片各截面的形状更符合汽流流动的需要和减少叶片离心力，因此出现了扭曲叶片，即叶身截面型线从底部开始到顶部逐渐减薄，同时又逐渐扭转。这叶片在中大型机组上常用，并可得到较好的经济性。C、 按加工工艺分：a、 整体铣制叶片：一般较短的叶片则把叶根、叶身和叶顶围带做成一整体。而较长的叶片叶顶围带可以不用，也就不必铣出。b、 半铣制叶片：如有些叶片的围带不是整体铣出，而是叶顶处仅做成铆钉头形状，围带是另外铆上去的。这种叶片也很多见。c、 全拉制叶片：这种叶片在小机组上也常能见到，它从叶根到叶顶与叶身型线是一样的，是用拉制方法加工出来的，在两只叶片之间的流道部分则仅做出与流道部分形状相同的叶根部分一段（称隔叶金），这样一只叶片一只金拼合后则相当于一只铣制叶片的形状了。全拉制叶片的围带只能采用铆接方式了。 除此之外，我们还可听到半拉制叶片、锻压成型叶片等，这里不一一介绍。（2） 叶根型式：叶根的形状决定于强度的需要包括叶根本身的强度和叶轮轮缘的强度。一般常见的叶根有：A、 倒“T”型叶根。一般短叶片多采用。B、 带外包小脚的倒“T”型叶根。用于稍长的叶片上，用此种叶根可减少轮缘尺寸。由于装配的需要，每只叶根底下均有一小段垫隙条，使叶片向上塞紧。C、 叉型叶根。也称插入式叶根，用于更大更长的叶片上。有单叉、双叉或更多叉的，它靠销钉铆在轮缘上。出上述三种最常见的叶根外，在大型汽轮机上还能见到一些结构更为复杂、强度更高的叶根型式，此处不作介绍。（3） 末叶片或锁口型式当采用倒“T”型叶根或带外包小脚的“T”型叶根时，为使叶片能装入轮槽，必须在轮缘的某处开一“窗口”，叶片由“窗口”一片片放入并推入到叶根槽中去，直至装满整圈，最后只剩下“窗口”处一只空位，此时一般有两种最常见的处理方式。A、 末叶片锁紧：末叶片为一只特制的叶片，其形状如同单叉叶根，其根部的大小尺寸一样，将末叶片插入到空位后用销钉铆死。B、 锁紧块式：在装叶片“窗口”处，做出一个更大一些的倒“T”型沟槽，供放锁块用，锁块做成三部分，拼合后的形状尺寸也正好塞满空位，左右两块先放入沟槽，再打入中间一块，左右两块上口打弯铆牢即可。用这种锁口方式则每一周少一只叶片，一般在叶片很窄很小的汽轮机上用的较多。（4） 动叶片的振动与避振措施任何物体受到打击后均会发出声音，说明该物体产生了振动，每一固定形状的物体，都有它固定的振动频率：这一频率我们称为自振频率，如果有一外力不断的冲击该物体，这冲击力的频率称为激振频率。当这激振频率正好与物体的自振频率相等时，则该物体的振动将越振越大乃至破坏，这种现象我们称为共振现象。汽轮机动叶片同样存在这种现象。任何一只叶片都有它的自振频率，而汽流的冲击力就是这外力，由于隔板喷嘴是一只只排起来的，因而从整个隔板来看，它喷出的汽流不是很均匀的，简单的可以这样来看，转子转动时，动叶片每经过一个喷嘴流道前面，就受到一次汽流冲击，假如隔板全周有50只喷嘴，那么转子每转一转，每只动叶片则受到50次冲击，如果汽轮机是每分钟3000转，即每秒钟50转，那么这种冲击力的频率就是2500次/秒。当然，汽轮机在运行时，还有其它冲击力存在，这里仅举喷嘴一例。因此，汽轮机设计时必须考虑不能使叶片的自振频率与激振频率一致，否则叶片将产生共振而断裂，造成大事故。这类事故在电厂运行中也经常能听到，尤其在大中型汽轮机上。动叶片在结构上可以采取多种措施来避免共振的发生，最常见的有：A. 叶片成组：若干只叶片顶部铆在一条围带上，或若干只整体铣制叶片的围带相互焊接起来，组成叶片组，其自振频率即发生变化。B. 用双层围带。C. 减振孔：即从叶顶开始叶身中心打一深孔，使叶片质量改变而改变其自振频率。D. 拉筋：也称穿锁或止振线，在较大的汽轮机上常见，即在叶身中间某部位打孔，然后用钢丝穿过，象围带那样，若干叶片为一组穿一根钢丝。拉筋如与叶片焊牢则可改变自振频率，拉筋如不与叶片焊牢，则它可影响叶片振动的发生。（5） 动叶片和水蚀与防蚀措施：汽轮机的末几级叶片，尤其在大中型机组上，工作在湿蒸汽区，隔板喷嘴喷出的高速汽流中，有一定量的小水滴，水滴冲击在叶片上使叶片表面产生麻点，以致逐渐剥落，时间一长，叶片就被破坏，这种现象称为水蚀。除了隔板上采取各种措施去除水滴外，在动叶片上也采取相应措施来抵御水滴的冲蚀，在结构上可以看到的有：A、 叶片表面镀一层硬鉻。B、 叶片表面用电火花处理，使之硬化。C、 大型叶片进口边镶嵌硬质合金等。5、转子汽轮机中所有转动部件的组合体称为转子。（1） 转子的分类A、 反动式汽轮机采用转鼓型转子，即整个转子在通流部分呈圆锥形筒体，叶片直接装在筒体上。因其形状象鼓形，因而通常称转鼓型转子。B、 冲动式汽轮机采用转轮式转子，叶片装在叶轮上，叶轮紧固在轴上。转轮式转子又有两种类型的结构型式：a. 套装式转子b. 整段式转子，这种转子的叶轮和主轴是锻造成一体的，靠机械加工方法把轮面做出。这种转子强度较高，一般都用于大、中型汽轮机的高压高温部分。c. 在大型汽轮机上有的采用整锻、套装混合式转子及焊接式转子等。（2） 套装式转子的构造：A、 轴：习惯上我们都称它为主轴，它由锻钢精加工制成，是中间较粗，两端较细的阶梯形轴，主轴的前端（一般是靠高压部分一端）与调节系统的主油泵轴相连，其后端，也称输出端，是套装联轴器的地方，轴端与联轴器的套合处，一般都装有对称两只键，以传递扭矩。主轴的中间部分是套装轴封套筒和叶轮的地方，每只叶轮和轴之间也都有一只键，借以把叶轮的扭矩传递到主轴上。B、 叶轮：整个叶轮可以分成三个部分：它的外缘部分是安装叶片的，称为轮缘；叶轮的内孔处较宽的部位，靠它套装在轴上的，称为轮轮毂；轮缘与轮毂之间称轮盘部分，按照轮盘部分纵切面的形状，可以把叶轮分成等厚度叶轮、锥形叶轮、双曲线叶轮、等强度叶轮等。由于双曲线叶轮及等强度叶轮加工复杂，一般都不采用。轮盘上一般都开有五个或七个平衡孔，其用途是使轮盘前后蒸汽相通，使轮盘前后压力平衡，以减少转子的轴向推力。每只叶轮与轴之间有一只键，用以传递扭矩。为了保证叶轮与轴有精确的同心度和不使叶轮在高速旋转时与轴发生松动现象，一般叶轮套装在轴上都有很大的过盈，即叶轮内孔的直径