什么是氣輪機(jī)

【專家解說】：將蒸汽的能量轉(zhuǎn)換成為機(jī)械功的旋轉(zhuǎn)式動力機(jī)械。又稱蒸汽透平。主要用作發(fā)電用的原動機(jī)，也可直接驅(qū)動各種泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)和船舶螺旋槳等。還可以利用汽輪機(jī)的排汽或中間抽汽滿足生產(chǎn)和生活上的供熱需要 。 汽輪機(jī)是將蒸汽的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械功的旋轉(zhuǎn)式動力機(jī)械，是蒸汽動力裝置的主要設(shè)備之一。汽輪機(jī)是一種透平機(jī)械，又稱蒸汽透平。 公元一世紀(jì)時，亞歷山大的希羅記述了利用蒸汽反作用力而旋轉(zhuǎn)的汽轉(zhuǎn)球，又稱為風(fēng)神輪，這是最早的反動式汽輪機(jī)的雛形；1629年意大利的布蘭卡提出由一股蒸汽沖擊葉片而旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)輪。 19世紀(jì)末，瑞典拉瓦爾和英國帕森斯分別創(chuàng)制了實(shí)用的汽輪機(jī)。拉瓦爾于1882年制成了第一臺5馬力(3.67千瓦)的單級沖動式汽輪機(jī)，并解決了有關(guān)的噴嘴設(shè)計和強(qiáng)度設(shè)計問題。單級沖動式汽輪機(jī)功率很小，現(xiàn)在已很少采用。 20世紀(jì)初，法國拉托和瑞士佐萊分別制造了多級沖動式汽輪機(jī)。多級結(jié)構(gòu)為增大汽輪機(jī)功率開拓了道路，已被廣泛采用，機(jī)組功率不斷增大。帕森斯在1884年取得英國專利，制成了第一臺10馬力的多級反動式汽輪機(jī)，這臺汽輪機(jī)的功率和效率在當(dāng)時都占領(lǐng)先地位。 20世紀(jì)初，美國的柯蒂斯制成多個速度級的汽輪機(jī)，每個速度級一般有兩列動葉，在第一列動葉后在汽缸上裝有導(dǎo)向葉片，將汽流導(dǎo)向第二列動葉?，F(xiàn)在速度級的汽輪機(jī)只用于小型的汽輪機(jī)上，主要驅(qū)動泵、鼓風(fēng)機(jī)等，也常用作中小型多級汽輪機(jī)的第一級。 與往復(fù)式蒸汽機(jī)相比，汽輪機(jī)中的蒸汽流動是連續(xù)的、高速的，單位面積中能通過的流量大，因而能發(fā)出較大的功率。大功率汽輪機(jī)可以采用較高的蒸汽壓力和溫度，故熱效率較高。19世紀(jì)以來，汽輪機(jī)的發(fā)展就是在不斷提高安全可靠性、耐用性和保證運(yùn)行方便的基礎(chǔ)上，增大單機(jī)功率和提高裝置的熱經(jīng)濟(jì)性。 汽輪機(jī)的出現(xiàn)推動了電力工業(yè)的發(fā)展，到20世紀(jì)初，電站汽輪機(jī)單機(jī)功率已達(dá)10兆瓦。隨著電力應(yīng)用的日益廣泛，美國紐約等大城市的電站尖峰負(fù)荷在20年代已接近1000兆瓦，如果單機(jī)功率只有10兆瓦，則需要裝機(jī)近百臺，因此20年代時單機(jī)功率就已增大到60兆瓦，30年代初又出現(xiàn)了165兆瓦和208兆瓦的汽輪機(jī)。 此后的經(jīng)濟(jì)衰退和第二次世界大戰(zhàn)期間爆發(fā)，使汽輪機(jī)單機(jī)功率的增大處于停頓狀態(tài)。50年代，隨著戰(zhàn)后經(jīng)濟(jì)發(fā)展，電力需求突飛猛進(jìn)，單機(jī)功率又開始不斷增大，陸續(xù)出現(xiàn)了325～600兆瓦的大型汽輪機(jī)；60年代制成了1000兆瓦汽輪機(jī)；70年代，制成了1300兆瓦汽輪機(jī)?，F(xiàn)在許多國家常用的單機(jī)功率為300～600兆瓦。 汽輪機(jī)在社會經(jīng)濟(jì)的各部門中都有廣泛的應(yīng)用。汽輪機(jī)種類很多，并有不同的分類方法。按結(jié)構(gòu)分，有單級汽輪機(jī)和多級汽輪機(jī)；各級裝在一個汽缸內(nèi)的單缸汽輪機(jī)，和各級分裝在幾個汽缸內(nèi)的多缸汽輪機(jī)；各級裝在一根軸上的單軸汽輪機(jī)，和各級裝在兩根平行軸上的雙軸汽輪機(jī)等。 按工作原理分，有蒸汽主要在各級噴嘴(或靜葉)中膨脹的沖動式汽輪機(jī)；蒸汽在靜葉和動葉中都膨脹的反動式汽輪機(jī)；以及蒸汽在噴嘴中膨脹后的動能在幾列動葉上加以利用的速度級汽輪機(jī)。 按熱力特性分，有為凝汽式、供熱式、背壓式、抽汽式和飽和蒸汽汽輪機(jī)等類型。凝汽式汽輪機(jī)排出的蒸汽流入凝汽器，排汽壓力低于大氣壓力，因此具有良好的熱力性能，是最為常用的一種汽輪機(jī)；供熱式汽輪機(jī)既提供動力驅(qū)動發(fā)電機(jī)或其他機(jī)械，又提供生產(chǎn)或生活用熱，具有較高的熱能利用率；背壓式汽輪機(jī)的排汽壓力大于大氣壓力的汽輪機(jī)；抽汽式汽輪機(jī)是能從中間級抽出蒸汽供熱的汽輪機(jī)；飽和蒸汽輪機(jī)是以飽和狀態(tài)的蒸汽作為新蒸汽的汽輪機(jī)。 汽輪機(jī)的蒸汽從進(jìn)口膨脹到出口，單位質(zhì)量蒸汽的容積增大幾百倍，甚至上千倍，因此各級葉片高度必須逐級加長。大功率凝汽式汽輪機(jī)所需的排汽面積很大，末級葉片須做得很長。 汽輪機(jī)裝置的熱經(jīng)濟(jì)性用汽輪機(jī)熱耗率或熱效率表示。汽輪機(jī)熱耗率是每輸出單位機(jī)械功所消耗的蒸汽熱量，熱效率是輸出機(jī)械功與所耗蒸汽熱量之比。對于整個電站，還需考慮鍋爐效率和廠內(nèi)用電。因此，電站熱耗率比單獨(dú)汽輪機(jī)的熱耗率高，電站熱效率比單獨(dú)汽輪機(jī)的熱效率低。 一座汽輪發(fā)電機(jī)總功率為1000兆瓦的電站，每年約需耗用標(biāo)準(zhǔn)煤230萬噸。如果熱效率絕對值能提高1%，每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤 6萬噸。因此，汽輪機(jī)裝置的熱效率一直受到重視。為了提高汽輪機(jī)熱效率，除了不斷改進(jìn)汽輪機(jī)本身的效率，包括改進(jìn)各級葉片的葉型設(shè)計(以減少流動損失)和降低閥門及進(jìn)排汽管損失以外，還可從熱力學(xué)觀點(diǎn)出發(fā)采取措施。 根據(jù)熱力學(xué)原理，新蒸汽參數(shù)越高，熱力循環(huán)的熱效率也越高。早期汽輪機(jī)所用新蒸汽壓力和溫度都較低，熱效率低于20％。隨著單機(jī)功率的提高，30年代初新蒸汽壓力已提高到3～4兆帕，溫度為400～450℃。隨著高溫材料的不斷改進(jìn)，蒸汽溫度逐步提高到535℃，壓力也提高到6～12.5兆帕，個別的已達(dá)16兆帕，熱效率達(dá)30％以上。50年代初，已有采用新蒸汽溫度為600℃的汽輪機(jī)。以后又有新蒸汽溫度為650℃的汽輪機(jī)。 現(xiàn)代大型汽輪機(jī)通常采用新汽壓力24兆帕，新汽溫度和再熱溫度為535～565℃的超臨界參數(shù),或新汽壓力為16.5兆帕、新汽溫度和再熱溫度為535℃的亞臨界參數(shù)。使用這些汽輪機(jī)的電站熱效率約為40％。 另外，汽輪機(jī)的排汽壓力越低，蒸汽循環(huán)的熱效率就越高。不過排汽壓力主要取決于冷卻水的溫度，如果采用過低的排汽壓力，就需要增大冷卻水流量或增大凝汽器冷卻面積，同時末級葉片也較長。凝汽式汽輪機(jī)常用的排汽壓力為0.005～0.008兆帕。船用汽輪機(jī)組為了減輕重量，減小尺寸,常用0.006～0.01兆帕的排汽壓力。 此外，提高汽輪機(jī)熱效率的措施還有，采用回?zé)嵫h(huán)、采用再熱循環(huán)、采用供熱式汽輪機(jī)等。提高汽輪機(jī)的熱效率，對節(jié)約能源有著重大的意義。 大型汽輪機(jī)組的研制是汽輪機(jī)未來發(fā)展的一個重要方向，這其中研制更長的末級葉片，是進(jìn)一步發(fā)展大型汽輪機(jī)的一個關(guān)鍵；研究提高熱效率是汽輪機(jī)發(fā)展的另一方向，采用更高蒸汽參數(shù)和二次再熱，研制調(diào)峰機(jī)組，推廣供熱汽輪機(jī)的應(yīng)用則是這方面發(fā)展的重要趨勢。 現(xiàn)代核電站汽輪機(jī)的數(shù)量正在快速增加，因此研究適用于不同反應(yīng)堆型的、性能良好的汽輪機(jī)具有特別重要的意義。 全世界利用地?zé)岬钠啓C(jī)的裝機(jī)容量，1983年已有3190兆瓦，不過對熔巖等深層更高溫度地?zé)豳Y源的利用尚待探索；利用太陽能的汽輪機(jī)電站已在建造，海洋溫差發(fā)電也在研究之中。所有這些新能源方面的汽輪機(jī)尚待繼續(xù)進(jìn)行試驗研究。 另外，在汽輪機(jī)設(shè)計、制造和運(yùn)行過程中，采用新的理論和技術(shù)，以改善汽輪機(jī)的性能，也是未來汽輪機(jī)研究的一個重要內(nèi)容。例如：氣體動力學(xué)方面的三維流動理論，濕蒸汽雙相流動理論；強(qiáng)度方面的有限元法和斷裂力學(xué)分析；振動方面的快速傅里葉轉(zhuǎn)換、模態(tài)分析和激光技術(shù)；設(shè)計、制造工藝、試驗測量和運(yùn)行監(jiān)測等方面的電子計算機(jī)技術(shù)；壽命監(jiān)控方面的超聲檢查和耗損計算。此外，還將研制氟利昂等新工質(zhì)的應(yīng)用，以及新結(jié)構(gòu)、新工藝和新材料等。