第三章 汽轮机原理

第一节 汽轮机级的工作原理

一、概述

（一）汽轮机设备的组成和作用

汽轮机是将蒸汽的热力势能转换成机械能，借以拖动其他机械旋转的原动机。

为了保证汽轮机安全经济地进行能量转换，除汽轮机本体外，尚需配置若干附属设备。汽轮机及其附属设备通过管道和阀门等附件连成系统，再由各种功能的系统组成一整体，称汽轮机设备或汽轮机装置。

图3-1是汽轮机设备的组合示意图。

具有较高压力和温度的蒸汽经主汽门、调节阀进入汽轮机。由于汽轮机排汽口处的压力低于进汽压力，在这个压力差的作用下蒸汽向排汽口流动，其压力和温度逐渐降低，将一部分热力势能转换为机械能，最后从排汽口排出。汽轮机的排汽仍具有一定的压力和温度，因此仍具有一定的热力势能，这一部分能量没有转换成机械能，称为冷源损失。排汽的压力和温度越高，它所具有的能量就越大，冷源损失所占比例也就越大。为了减少冷源损失，提高蒸汽热力循环的效率，常采用凝汽设备来降低排汽的压力和温度，此时汽轮机的排汽排入凝汽器，在较低的温度下凝结成水，由凝结水泵抽出供锅炉继续使用。为了吸收排汽在凝汽器内凝结时所放出的热量，保持较低的凝结温度，必须用循环水泵不断地向凝汽器供应低温冷却水。由于汽轮机的尾部及凝汽器内部压力低于外界大气压力，故周围的空气会漏入，必须用抽气设备将其抽出，否则会使凝汽器内的压力升高，从而导致冷源损失增大。凝汽设备由凝汽器、凝结水泵、循环水泵和抽气设备组成。除特殊用途的背压式汽轮机外，所有的汽轮机都配有凝汽设备。

（二）汽轮机的基本工作原理

汽轮机以蒸汽为工质，并将蒸汽的热能转换为机械功。蒸汽在汽轮机中将热力势能转换成机械功的全过程是需要在喷嘴叶栅和动叶栅内共同完成的，一列喷嘴叶栅和相应的一列动叶栅便组成了汽轮机中能量转换的基本单元，称为“级”。一台汽轮机可由一级或若干级串联组合而成为单级汽轮机或多级汽轮机。

蒸汽在汽轮机中的能量转换包括两个过程。首先，当一定温度和压力的蒸汽经过喷嘴叶栅时，将热能转换成蒸汽高速流动的动能；然后，当高速汽流经过动叶栅时，将动能转换成转子旋转的机械能，从而完成利用蒸汽热能驱动各类机械做功的任务。

图3-2是汽轮机的结构示意图。蒸汽在固定不动的喷嘴中流动，其压力降低，流速增加，将蒸汽的热力势能转换成动能。从喷嘴出口喷出的高速汽流，进入动叶流道，在流动过程中对动叶产生作用力，推动其作圆周运动，带动叶轮和轴旋转，对外做机械功。

二、蒸汽在喷嘴和动叶通道中的流动过程

（一）蒸汽在喷嘴通道中的流动过程

蒸汽在喷嘴中进行能量转换要具备两个必要条件，即蒸汽的能量条件和喷嘴的结构条件。所谓能量条件就是蒸汽必须具有一定的热力势能，且喷嘴进口处的压力要高于出口处的压力。蒸汽在这个压力差的作用下流过喷嘴，压力和温度逐渐降低、体积膨胀，比体积增加，焓值也随之降低，而其流速则相应增大，这样就将热能转换为高速流动的动能。由于这个能量转换过程的时间很短，所以蒸汽向其外部的传热量在整个能量转换中所占比例极小，因此，这个过程可认为是等熵（绝热）过程。

蒸汽在喷嘴流道中流动时，由于汽流和喷嘴流道之间、汽流各部分之间存在摩擦，使喷嘴出口蒸汽的实际平均速度小于理想速度，实际平均速度与理想速度的比值称为喷嘴速度系数，其大小应通过实验求取，一般情况下喷嘴速度系数为0.95～0.97。

为了将热力势能最大限度地转换为高速流动的动能，喷嘴流道应符合以下要求：喷嘴流道各截面的面积变化必须满足连续流动的要求，应与蒸汽压力和比体积的变化相适应；为了使喷嘴出口的高速汽流能顺利进入动叶流道继续进行能量转换，喷嘴流道应像动叶一样布置成环形，且使喷嘴出口的汽流方向与动叶运动平面之间有一个较小的夹角；喷嘴片横截面的形状应设计成流线形，外表要有较低的表面粗糙度，以减少喷嘴损失。

（二）蒸汽在动叶通道中的流动过程

动叶是蒸汽由热力势能转换为机械功的主要环节，动叶栅镶装在叶轮上，叶轮装在轴上，共同组成汽轮机的转子，完成能量由热力势能转换为机械功。

在叶轮的外缘均布着许多叶片，组成一个环形叶栅，其平均直径和高度与对应的喷嘴叶栅近似相等，在能量转换过程中它绕轴作圆周运动，故称动叶栅。组成动叶栅的叶片称动叶片。

由于固定在转子上的动叶在作圆周运动，所以，从喷嘴喷出的高速蒸汽流入动叶栅和从动叶栅流出时，与动叶栅间都存在着相对运动。其相对速度w、绝对速度c和叶栅圆周速度u之间的矢量关系，可用速度三角形来表示。图3-3表示了动叶栅的进口/出口速度三角形。

与喷嘴叶栅类同，蒸汽在动叶栅内的流动过程中也因摩擦等原因产生能量损失，称为动叶损失；也需要有较好的形线、排列和较低的表面粗糙度以减少能量损失。

轮周功率：是指单位时间内蒸汽冲击叶栅使其做出的机械功，是汽轮机级的基本功率。

轮周效率：是评价蒸汽在叶栅中能量转换的有效程度，级的最佳能量转换能力就是指在最高轮周效率下的级所转换的理想能量。影响轮周效率的因素有喷嘴速度系数、动叶系数、喷嘴出汽角和速度比等，其中速度比对轮周效率的影响最大。一旦确定了动叶栅的尺寸和转子转速，也就确定了动叶栅的圆周速度，此时要想保证级在最佳速度比下工作，就需确定相应的蒸汽在该级的焓降（即相应的蒸汽速度），若速度比偏离最佳值，轮周效率就会降低。

三、冲动式与反动式汽轮机

（一）级的分类

从喷嘴喷出的高速汽流进入动叶栅，对动叶栅产生一个冲击力；如果蒸汽在动叶栅内仍继续膨胀，并以较高的速度排出动叶栅，此时还对动叶栅产生一个与汽流方向相反的反击力。这就产生了“冲动”与“反动”的概念。

根据蒸汽在级内能量转换过程的差异，级可分为冲动级和反动级两大类，也可细分为纯冲动级、冲动级、反动级和速度级。其中前三种级统称为单列压力级，以与速度级相区别。这几类级的能量转换过程的主要区别在于蒸汽在动叶栅内的膨胀程度不同，此膨胀程度通称为“反动度”。

为了说明汽轮机某一级中蒸汽在动叶道内的膨胀程度，常用级的反动度ρ来表示。级的平均反动度是指蒸汽在动叶道内膨胀时所产生的理想焓降和整个级的理想焓降之比：

式中 ρ——平均反动度；

Hst——蒸汽在级内总的理想焓降（kJ/kg）；

Hbt——蒸汽在喷嘴叶栅中的理想焓降（kJ/kg）。

图3-4表示了蒸汽在级中的热力过程，图3-5表示了级的结构示意图。

纯冲动级：反动度ρ=0，在其动叶栅中仅利用蒸汽射流的冲击力做功，蒸汽在动叶栅中不再膨胀。

冲动级：反动度ρ在0.05～0.35之间，主要利用蒸汽冲击力做功，但在动叶栅中还有一定程度的膨胀。

反动级：反动度ρ=0.5，蒸汽在固定叶栅（导向叶栅）中膨胀一半，另一半在动叶栅中进行。

双列速度级：它由喷嘴叶栅、导向叶栅和两列动叶栅组成。速度级因直接利用蒸汽的速度动能获得较大机械功而得名。它用一列导向叶栅来控制汽流方向，在其后加装第二列动叶栅，利用余速推动其做功。双列速度级由于增加了导叶损失和第二列动叶损失，其最高轮周效率比单列冲动级低。但在现代汽轮机中，为了减少级数，简化结构，汽轮机通常都采用双列速度级作第一级。

（二）反动式汽轮机

多级反动式汽轮机断面示意见图3-6。

反动式汽轮机一般都设计成多级的，但各反动级的工作原理完全相同，新蒸汽由蒸汽室进入汽轮机，在第一级静叶栅中膨胀，压力下降（温度也下降），速度增加，然后进入第一列动叶栅，并依靠冲动作用推动叶轮转动。另外，在动叶栅里蒸汽继续发生膨胀，压力继续下降，并借助对动叶栅的反冲作用进一步推动叶轮旋转。蒸汽就这样依次流经每一级，其间参数不断发生变化，直至流出末级动叶栅，离开汽轮机而由排汽管排出。在整个汽轮机内，蒸汽的容积随着压力的降低而增大，因此叶片高度也必须相应增加。

在近代喷嘴调节的反动式汽轮机中，所有叶片也不全是反动级，其第一级往往采用双列复速级或单列冲动级，用以适当减少级数和适应喷嘴调节的要求。

（三）冲动式汽轮机

最简单的单级冲动式汽轮机的结构见图3-7。

新蒸汽进入喷嘴，在喷嘴内膨胀，压力降低，速度升高，然后流入动叶栅，在动叶栅里汽流只改变流动方向而不继续膨胀，依靠冲力的作用将一部分动能转变成回转机械能，而汽流的速度也下降并通过排汽管排离汽轮机。单级汽轮机由于功率小、效率低，所以仅用来驱动小型的回转机械。

（四）级内损失

蒸汽在流动过程中除喷嘴损失、导叶损失、动叶损失外，对于不同结构形式的级，在不同的工作条件下，还将产生叶轮摩擦损失、泄漏损失、部分进汽损失、撞击损失以及湿汽损失等。下面分别介绍这些损失。

1.叶轮摩擦损失 汽轮机的工作叶轮高速旋转，使其轮面与两侧蒸汽产生摩擦，克服它所消耗的机械功称为叶轮摩擦损失。实验研究的结果，叶轮摩擦损耗的功率与轮缘外径成5次方的关系，而与转子转速成2次方关系，与蒸汽比体积成反比关系，与蒸汽的粘度、叶轮表面粗糙度以及叶轮两侧空间尺寸等也有一定关系。

2.动叶栅的损失 动叶栅损失是由各种原因引起的，如喷嘴的尾缘损失。蒸汽从喷嘴出来，进入喷嘴与动叶栅之间的环形空间，刚从喷嘴中出来时，蒸汽是相互独立的射流，但离开喷嘴后就相互混合，形成均匀汽流，最后形成旋涡，造成湍流损失，叫做脱离喷嘴损失，从而影响其速度，使速度系数值降低，使进入动叶栅的汽流紊乱而导致动叶栅中的损失。

3.部分进汽损失 若配汽方式采用部分进汽，则上述脱离喷嘴损失更显严重，在未布置喷嘴的弧段上，不但没有汽流推动动叶栅，而且它还要带动蒸汽旋转，使汽流混乱而消耗动能。当进入布置有喷嘴的弧段时，汽流还要冲开停滞在动叶栅中的蒸汽，又要消耗动能，这些损失统称为部分进汽损失。

4.撞击损失 蒸汽在进入动叶栅通道前，碰到动叶片的前缘，引起汽流紊乱而造成能量损失，此项损失与动叶片的入口叶形有关。

5.蒸汽泄漏损失 在级内固定的喷嘴叶栅（或导向叶片）与动叶栅之间必须留出间隙，以防动静部分之间产生摩擦，如隔板内孔与主轴之间、动叶栅顶端与汽缸之间、喷嘴叶栅与转鼓之间都留有间隙，蒸汽在间隙两侧压差作用下泄漏造成损失，也叫级间泄漏损失。为减小泄漏损失，常在间隙处加装汽封。

6.湿汽损失 蒸汽含水多发生在汽轮机膨胀已进入饱和蒸汽区及湿蒸汽区，由于水分子的质量远大于蒸汽，因此当蒸汽膨胀加速时，水分子所获得的速度远比蒸汽速度小，两者之间发生摩擦和撞击消耗部分动能。在进入动叶栅时，水分子的相对速度方向角与蒸汽的方向角相差很大，因而蒸汽可顺利地进入叶片的腹部，推动叶片做功，而水分子却撞击在叶片的背弧上，起制动作用，而且撞击后发生的水滴散射，又加剧了与蒸汽之间的摩擦，造成动能消耗，所有这些消耗统称为湿汽损失，或叫蒸汽含水损失。这类损失在湿度大的低压缸比较显著。

水滴撞击叶栅而造成叶片入口边缘损伤，称为冲蚀，冲蚀的后果使叶片表面变粗糙，长期冲蚀会造成叶片损伤而引起事故。对含湿量大的汽轮机（如核电厂以饱和蒸汽作工质的汽轮机）此问题更为突出。

防护措施是：一方面限制蒸汽湿度在12%～14%范围内（通常典型运行规程规定蒸汽含湿量不得超过13%），还可在结构上采用去湿设施，如去湿槽、吸湿缝等；另一方面可增强叶片的表面硬度，常用的方法有表面镀铬、淬硬、电火花强化、氮化、镶焊“司特利”合金片等。

7.扇形损失 由于环形喷嘴叶栅与动叶栅都有一定的高度，而组成叶栅的叶片又是等截面直线形的，从理论上讲，在叶栅上只有某一高度截面上由喷嘴出来的方向角与动叶栅入口方向角是与设计一致的。而在其他各点上，由于蒸汽质点作圆周运动时产生的离心作用，使叶片高度方向上压力分布不一致（叶顶处压力大于叶根处），每个截面的焓降不一致，相应的喷嘴出口速度也不一致，从而引起各截面上的速度三角形变化，这就难免引起蒸汽撞击损失，这些现象造成的损失，其原因在于叶栅结构为环形（其局部为扇形），因此把这类损失统称为“扇形损失”。扇形损失与叶片高度有关，叶片越高则此项损失越大。一般地说，当叶轮直径/叶片高度大于10时（如高压缸的叶片），扇形损失较小；当叶轮直径/叶片高度小于8时（如中大型机组的末级组叶片），扇形损失明显增大。此时需采用扭转叶片（把叶片沿高度方向分成若干截面分别进行计算来确定其型线，因此整个叶片呈扭转状）以减少损失。

需要强调的是，上述各项损失并不都同时发生在每一个级上，各项损失的影响程度也因所处部位不同而不同，例如，处于过热状态的高压段叶片，就不会有湿汽损失，其扇形损失也很小，需要具体分析具体对待。

（五）级的内功率和内效率

1.级的内功率 根据能量守恒定律，1kg蒸汽在级内所转换的理想焓降Hst减去级内可能产生的各项损失ΣΔh，便是级内转换的净功Wsi，见式（3-2）

Wsi=Hst-ΣΔh=Hse （3-2）

式中 Wsi——级内转换的净功（kJ/kg）；

Hst——蒸汽在级内所转换的理想能量（kJ/kg）；

ΣΔh——级内可能产生的各项损失（kJ/kg）。

单位时间内通过级的全部蒸汽所转换的净功为级的内功率，以Psi表示，见式（3-3）

Psi=QsHse （3-3）

式中 Psi——级的内功率（kW）；

Qs——蒸汽的质量流量（kg/s）；

Hse——蒸汽在级内的有效焓降（kJ/kg）。

2.级的内效率 1kg蒸汽在级内所转换的净功与所消耗的理想能量之比为级的内效率，以ηsi表示，见式（3-4）

ηsi=Hse/Hst （3-4）

因此，级的内功率还可表示为

Psi=QsHstηsi

上述级的内功率和内效率的概念如用在动叶栅上，即称为轮周功率和轮周效率。但由于既包含静叶（喷嘴）又包含动叶的“级”能比较完整地表达能量转换过程，所以用级的内功率和内效率比用轮周功率和轮周效率更能体现汽轮机一个基本单元“级”的能量转换的完善程度。