汽轮机的工作原理

电厂汽轮机第一节概述汽轮机以蒸汽为工质，将热能转变为机械能，为发电机发电提供机械能。火力发电厂三大主要设备之一，单机功率大、效率高、运行平稳、使用寿命长一.汽轮机的工作原理汽轮机内的能量转换一定压力和温度的蒸汽流经固定不动的喷嘴，并在其中膨胀，蒸汽的压力、温度不断降低，速度不断增加，使蒸汽的热能转化为动能。蒸汽热能气流的动能轴的机械能喷嘴动叶一、汽轮机的工作原理1轴2叶轮3动叶栅4喷嘴单级冲动式汽轮机工作原理结构立体图

“级”是汽轮机中最基本的工作单元。在结构上它是由静叶（喷嘴）和对应的动叶所组成；一列固定的喷嘴和与它配合的动叶片构成了汽轮机的基本作功单元，称为汽轮机的“级”

（一）冲动作用原理冲动力的定义：根据力学知识，当一运动物体碰到另一个静止的物体或者运动速度低于它的物体时，就会受到阻碍而改变其速度的大小或方向，同时给阻碍它的物体的一个作用力特点：蒸汽仅把从喷嘴中获得的动能转变为机械功，蒸汽在动叶通道中不膨胀，动叶通道不收缩

喷嘴出口处：蒸汽以相对速度w1进入动叶通道，由于受到动叶的阻碍，汽流方向不断改变，最后以相对速度w2流出动叶通道，在流道中蒸汽对动叶产生一个轮周方向的冲动力F1，该力对动叶作功使动叶转动

蒸汽流过无膨胀动叶通道时速度的变化（一）冲动作用原理反动力定义：蒸汽在动叶汽道内膨胀时对动叶的作用力。根据动量守恒定律，当气体从容器中加速流出时，要对容器产生—个与流动方向相反的力。基本特点：蒸汽在动叶流道中不仅要改变方向，而且还要膨胀加速，从结构上看动叶通道是逐渐收缩的。（二）反动作用原理反动度反动度：表示蒸汽在动叶通道内膨胀程度大小的指标。它等于蒸汽在动叶通道中的理想焓降与喷嘴的滞止理想焓降和动叶通道中理想焓降之和的比值级的平直径处（即1/2叶高处）的反动度用Ωm表示，其表达式为：（二）汽轮机级的类型和特点1.按反动度的大小进行分类2.按通流面积是否随负荷而变分类3.按蒸汽的动能转换为转子机械能的过程分类级的类型及特点汽轮机的级可分为冲动级和反动级两大类冲动级冲动级又分：纯冲动级、带反动度的冲动级速度级1)纯冲动级：反动度为零的级称为纯冲动级工作特点：是蒸汽只在喷嘴中膨胀，在动叶通道中不膨胀结构特点：动叶叶型近似对称弯曲，作功能力大，但效率比带反动度的冲动级低。调节级喷嘴调节：多数汽轮机采用改变第一级喷嘴面积的方法调节进汽量，称之为喷嘴调节。调节级：中、小容量汽轮机的调节级喷嘴调节汽轮机的第一级称为调节级，一般采用复速级。大容量汽轮机多采用单列冲动级。还把汽轮机的级分为速度级和压力级两种。汽轮机的分类按工作原理分冲动式汽轮机反动式汽轮机按热力特性分凝汽式汽轮机背压式汽轮机调节抽汽式汽轮机中间再热式汽轮机凝汽式汽轮机特点：在汽轮机中作功后的排汽，在低于大气压力的真空状态下进入凝汽器凝结成水。火电厂中普遍采用的专为发电用的汽轮机。凝汽设备主要由凝汽器、循环水泵、凝结水泵和抽气器组成。汽轮机排汽进入凝汽器，被循环水冷却凝结为水，由凝结水泵抽出，经过各级加热器加热后作为给水送往锅炉。

汽轮机的排汽在凝汽器内受冷凝结为水的过程中，体积骤然缩小，因而原来充满蒸汽的密闭空间形成真空，这降低了汽轮机的排汽压力，使蒸汽的理想焓降增大，从而提高了装置的热效率。汽轮机排汽中的非凝结气体(主要是空气)则由抽气器抽出,以维持必要的真空度。

汽轮机最常用的凝汽器为表面式。冷却水排入冷却水池或冷却水塔降温后再循环使用。靠近江、河、湖泊的电厂，如水量充足，可将由凝汽器排出的冷却水直接排入江、河、湖泊，称为径流冷却方式。但这种方式可能对河流湖泊造成热污染。严重缺水地区的电厂，可采用空冷式凝汽器。但它结构庞大，金属材料消耗多，除列车电站外，一般电厂较少采用。老式电厂中，有的采用混合式凝汽器，汽轮机排汽与冷却水直接混合接触冷却。但因排汽凝结水被冷却水污染，需要处理后才能作为锅炉给水，已很少采用。

运行特性

凝汽式汽轮机的排汽压力对运行经济性有明显影响。影响凝汽器真空度的主要因素是冷却水进口温度和冷却倍率。前者与电厂所在地区、季节及供水方式有关；后者表示冷却水设计流量与汽轮机排汽量之比。冷却倍率大，可获得较高真空度。但冷却倍率增大的同时增加了循环水泵的功耗和设备投资。一般表面式凝汽器的冷却倍率设计为60～120。由于凝汽式汽轮机循环水的需要量很大，水源条件成为电厂选址的重要条件之一。理想情况下表面式凝汽器的凝水温度应与排汽温度相同，被冷却水带走的热量仅为排汽的汽化潜热。但实际运行中，由于排汽流动阻力及非凝结气体的存在，导致凝结水温度低于排汽温度，两者的温差称为过冷却度。冷却水管布置不当，运行中凝结水位过高而浸泡冷却水管,均会加大过冷却度。正常情况过冷却度应不大于1～2℃。

排汽压力与机组功率

降低凝汽式汽轮机的排汽压力,虽可提高热效率，但因排汽比容增大,汽轮机末级通流面积和叶片需要相应增大,这加大了制造成本,使加工困难。因此，最佳排汽压力需通过技术经济综合分析确定。目前一般凝汽式汽轮机排汽压力取为0.004～0.006兆帕。

汽轮机功率决定于蒸汽流量。凝汽式汽轮机可通过的最大流量决定于末级叶片长度。由于叶片越大，离心力越大,这使它受到材料强度的限制。目前,末级叶片最大长度可达1000～1200毫米，叶片顶端最大允许圆周速度为550～650米/秒,单排汽口极限功率约为100～120兆瓦。低压缸采用分流式结构可提高单机功率。到80年代末，常规火电厂最大凝汽式单机功率，双轴机组为1300兆瓦，单轴机组为800兆瓦。

凝汽式机组设计为低转速（1500或1800转/分）时，可提高极限功率，但这又使汽轮机尺寸及材料消耗增加，因为汽轮机总重量与转速的三次方成反比。因此，除核电站为适应低参数、大流量特点，常采用低速汽轮机外，中国火力发电厂均采用3000转/分汽轮机按主蒸汽压力分汽轮机类别主蒸汽压力（MPa)低压汽轮机0.12~1.5中压汽轮机2~4高压汽轮机6~10超高压汽轮机12~14亚临界压力汽轮机16~18超临界压力汽轮机>22.1超超临界压力汽轮机>32ΔXX-XX-XX变型设计次序蒸汽参数额定功率型式例：N300-16.7/537/537-2型汽轮机

300MW凝汽式汽轮机,主蒸汽压力为16.7MPa，温度为537ºC,再热蒸汽温度537ºC,中间再热凝汽式汽轮机，属第二次变型设计汽轮机的型号汽轮机型式代号见下表代号型式代号型式N凝汽式CB抽汽背压式B背压式CY船用C一次调整抽汽式Y移动式CC两次调整抽汽式HN核电汽轮机汽轮机型号中蒸汽参数表示法

型式参数表示方法示例凝汽式主蒸汽压力/主蒸汽温度N100-8.83/535中间再热式主蒸