汽轮机设备及运行讲义(全部)
汽轮机设备及运行讲义
(全部)
-CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN
第一篇汽轮机的结构与性能
第一章概述
第一节汽轮机的基本工作原理
汽轮机是一种以具有一定温度和压力的水蒸气为工质，将热能转变为机械能的回转式原动机。它在工作时先把蒸汽的热能转变成动能，然后再使蒸汽的动能转变成机械能。与其他热力原动机相比，它具有单机功率大、转速高、效率较高、运转平稳和使用寿命长等优点，在现代工业中得到广泛的应用。
一、汽轮机在热力发电厂中的作用
汽轮机的主要用途是作为热力发电用的原动机。在以煤、石油和天然气为燃料的现代
常规火力发电厂、核电站和地热电厂中，都采用以汽轮机为原动机的汽轮发电机组。其发
电量约占总发电量的80％左右。汽轮机的排汽或中间抽汽可以用来满足生产和生活的供热
需要。这种既供热又供电的热电联产汽轮机，在热能的综合有效利用方面具有较高的经济
性。由于汽轮机能够变速运行，故可以用它直接驱动各种泵、风机、压缩机和船舶螺旋桨
等。在生产过程有余能、余热的各种工厂企业中，可以利用各种类型的工业汽轮机，使不
同品位的热能得到合理有效的利用，从而提高企业的节能和经济效益。
汽轮机必须与锅炉、加热器、凝汽器、给水泵等机械设备组成热力系统，才能进行工
作。热力发电厂是能量转换的工厂。锅炉将燃料化学能转换为蒸汽的热能，汽轮机将热能
转换为机械能，发电机将机械能转换为电能。因为我国原煤总产量居世界第一位，根据国
家的燃料政策，我国是以煤炭为主要燃料的国家，所以燃煤火力发电厂在目前及以后相当
长的时间内仍处于我国电能生产的主导地位。因此，作为原动机拖动发电机的汽轮机，显
然在我国电力工业中占有十分重要的地位。
二、汽轮机发展概况和我国汽轮机的发展特点
1．汽轮机的发展概况
汽轮机的发展大致经历了以下几个时期：1883年瑞典工程师拉瓦尔首先发明、制造了
世界上第一台单级冲动式汽轮机。1884年英国柏生氏发明了多级反动式汽轮机。1900年法
国拉托教授发明了多级冲动式汽轮机；几乎与拉托同时，美国工程师寇蒂斯发明了双列速
度级汽轮机。1912年瑞典的密克斯托莱姆兄弟发明了辐流式汽轮机。
至今，汽轮机的发展已逾百年。目前世界上已投运的化石燃料电站汽轮机，其最大单
机功率有1300MW（,538℃／538℃）的双轴机组和1200MW的单轴机组。核电站汽轮机的单机功率将保留在1300MW水平上。
2．我国汽轮机的发展特点
新中国建立时，我国没有汽轮机制造业。建国后相继建成了上海、哈尔滨和东方三大汽轮机厂，它们主要生产大功率的电站汽轮机，并于1955年由上海汽轮机厂制造了国产第一台中压6000kw冲动式汽轮机。此后，我国汽轮机制造工业得到迅速发展，已经陆续生产中压12MW、25MW，高压50MW、
100MW，超高压中间再热125MW、200MW，以及亚临界参数300MW、
600MW的汽轮机。此外还建立了北京重型电机厂，武汉和青岛汽轮机厂，以及生产工业汽轮机和燃气轮机为主的杭州汽轮机厂和南京汽轮发电机厂。从而使我国的汽轮机制造业形成了独具特色的一套完整的生产体系。
随着科学技术的进步，汽轮机的制造技术日益完善。现在，站在新的世纪之初展望未来，我国汽轮机发展将有如下特点：
（l）大力发展再热式大功率机组。大功率汽轮机的主要优点是：降低单位功率的金属
消耗量及成本；提高机组经济性、安全可靠性、负荷适应性和自动化水平；节约电厂占地
面积，降低电厂建设投资，加速电厂建设速度；减少运行人员，从而降低机组运行、管理
费用。
（2）提高蒸汽初参数。提高蒸汽初参数，可以提高火力发电机组的循环热效率。但参
数的提高又受到金属材料热力机械性能的限制。目前广泛采用的珠光体热强钢一般适用于
580℃以下，进一步提高温度就必须采用奥氏体钢，这种钢不但价格昂贵，而且许多工艺性
能都不如珠光体钢。因此，目前300MW容量等级机组采用亚临界参数（16 2～16 7MPa，
535～540℃）较为合适。600MW容量等级机组常采用亚临界和超临界（23．5～24．５MPa，
560～570℃）两种参数，超临界参数机组的热经济性可以提高约2％。可见，蒸汽初参数的
提高已趋于稳定。
（3）发展大功率供热机组。为提高火电厂的经济性以及节能和保护环境，应因地制宜
地发展热电联产，研制各种类型的供热机组。
（4）采用先进的结构设计，提高机组的负荷适应性。这主要是采用双层汽缸和圆筒型
汽缸；加大动静部分间的轴向间隙；汽缸采用窄法兰及柔性较好的双头螺栓等。
（5）采用无中心孔转子及焊接转子。
（6）研制汽轮机末级长叶片。采用较长的末级叶片，可以减少汽轮机排汽缸的数目或在相同排汽缸个数时增大机组的容量。
（7）采用适合于我国的电液控制系统。
（8）发展核电站用的汽轮机。发展核电，是我国解决能源不足问题的主要途径。目前，我国的秦山核电站和大亚湾核电站均已正常运行，单机容量分别为300MW和900MW。
三、汽轮机本体
（一）汽轮机的工作原理
蒸汽对汽轮机转子作功一般有两种方式，即依据冲动作用原理或反动作用原理。
1．冲动作用原理
当运动物体碰到另一个静止的或速度较低的物体时，就会受到阻碍而改变其速度，同时给阻碍它运动的物体一个作用力，这个作用力称为冲动力。如图１—１（a）所示，蒸汽在喷嘴4中产生膨胀，压力降低、速度增加，蒸汽的热能转换为蒸汽的动能。高速汽流冲击叶片3由于汽流方向的改变，蒸汽对叶片产生一个冲动力，该冲动力对叶片作功，使叶轮2旋转，从而将蒸汽的动能转换成轴旋转的机械能。这种利用冲动力作功的原理，称为冲动作用原理。
图１－1（b）为蒸汽对叶片的冲动作用原理图。假设汽流在圆弧形流道内的流动为理想流动，汽流微团从喷嘴出口以速度C
１
进入动叶片，作匀速圆周运
动，最后以速度C
２，（Ｃ
２
与C
１
的速率相等，方向相反）流出流道。因为汽流
微团受流道约束而运动，所以每一微团都直接或间接地受到流道内弧表面的弹力作用，这个弹力就是汽流微团作圆周运动的向心力。与此同时，根据牛顿第三定律，叶片内弧表面受到汽流微团的压力作用，此压力在效果上属离心力。
图１－1（b）中Ｆ
Ａ、F
Ｂ
分别表示汽流微团作用在Ａ、Ｂ各点的压力。这些压力
又都可以分解为沿圆周方向的周向力Ｆ
Ｉu和沿转轴方向的轴向力F
ＩＺ
。将作用
于叶片上的全部周向力相加，其合力为Ｆu＝Ｆ
Ａu＋Ｆ
ＢＵ
＋…＋Ｆ
ＦＵ
>０而轴向
力由图上左右对称点可见，两两大小相等、方向相反，故其轴向合力为零。周
向力Ｆ
Ｕ
即为冲动力。如果叶片旋转的速度为U，则在单位时间内汽流周向力所
作的功为P＝Ｆ
Ｕ
×U。这就是冲动作用原理。
冲动作用原理的特点是，蒸汽的冲动力对动叶所作的功等于热能转换为汽轮机转子机械能的数量。蒸汽在动叶道中不膨胀。
图１—１单级冲动式汽轮机
（a）结构简图；（b）冲动作用原理
1一轴，2一叶轮；3一叶片；4一喷嘴
在实际汽轮机中，从喷嘴流出的汽流方向与动叶栅的运动方向成一夹角，因而动叶形状不能做成半圆形，但工作原理却与上述完全相同。
2．反动作用原理
火箭在宇宙空间中运动，是利用燃料燃烧产生的高温高压气体以
很大的
速度从尾部向后喷出的，火箭就向前飞去（见图１－2）。根据动量
守恒定律，火箭受到的推力Ｆ
Ｒ
与火箭向后喷出气流相对于火箭的速
度成正比，推力Ｆ
Ｒ
方
向与汽流速度方向相反，这种运动称为反冲运动。由反冲运动产生
的作用力称
为反动力；利用反动力作功的原理，称为反动作用原理。
在反动式汽轮机中，进入喷嘴的蒸汽产生膨胀，压力由Ｐ０降至Ｐ
１
；，出口
汽流达到较高速度C
１
。汽流流进动叶后，一方面由于速度方向改变而产生一个
冲动力Ｆ
１，另一方面蒸汽同时在动叶道内继续膨胀，压力由P
１
降到Ｐ
２
，汽流
加速产生一个反动力Ｆ
Ｒ
，见图１－3。动叶则在蒸汽的这两种力的合力作用下向左运动。
图1-2反动作用原理的特点为，蒸汽的冲动力和反动力同时对动叶片作功，其所作的功等于热能转换为汽轮机转子的
机
械能的数量。显然，反动式汽轮机
是同时利用冲动和反动作用原理工
作的。
3．蒸汽在级内的能量转换过程
在汽轮机中，一列静叶栅（喷
嘴）和其后的动叶栅，（动叶
片），组成将蒸汽热能转换成机械
能的基本工作单元，称为汽轮机的
级。只有一个级的汽轮机，称为单级汽轮机：有若干个级的汽轮机，称为多级汽轮机。图1-4为单级冲动式汽轮机示意图。它由汽缸、喷觜、前叶片、图1-3蒸汽对反动式汽轮机叶片的作用力
叶轮和轴等部件组成。蒸汽流过喷嘴时，压力由P。降至P1，流速则从C0增至C1。将热能转换为动能；在动叶片中，蒸汽按冲动原理给动叶片以冲动力，使叶轮旋转而输出机械功，将大部分蒸汽动能转换为叶轮的机械能。
图1-4 单缓冲动式汽轮机示意图
1一轴，2一叶轮；3一动叶片; 4一喷嘴；5一汽缸；6一排汽口
图1-5为级中蒸汽在h-s图上的热力过程线。0点是级前的蒸汽状态点，即喷嘴进口处的蒸汽压力为P。，温度为t。，流速为C。。滞止状态点为0*。0*点就是假想汽流被等熵地滞止到
P1、P。分别为喷嘴和动叶出口压力。若不考虑损失时，Δh1为喷嘴的理想比焓降*；Δh1*为喷嘴的滞止理想比焓降；Δh2为动叶
片的理想比焓降（Δh2/≈Δh2）；Δht为级的理
想比焓降；Δht*为级的滞止理想比焓降。
实质上，蒸汽在级内的流动过程中有能量损
失，所
以实际热力过程线为012曲线。
为判定蒸汽在动叶片中膨胀的程度，通常采用
反动
度ρ来衡量，它等于蒸汽在动叶片中的理想比焓
降与级
的滞止理想比焓降之比，即
ρ=Δh2/Δht* (1-1)
式（1-1）说明，Δh2越大，则ρ越大，蒸汽
对动叶
片的反动力也越大。因而，根据反动度的大小，
汽轮机