汽輪機的工作原理

【專家解說】：">汽輪機
將蒸汽的能量轉換成為機械功的旋轉式動力機械。又稱蒸汽透平。主要用作發(fā)電用的原動機，也可直接驅動各種泵、風機、壓縮機和船舶螺旋槳等。還可以利用汽輪機的排汽或中間抽汽滿足生產和生活上的供熱需要 。

汽輪機是將蒸汽的能量轉換為機械功的旋轉式動力機械，是蒸汽動力裝置的主要設備之一。汽輪機是一種透平機械，又稱蒸汽透平。

公元一世紀時，亞歷山大的希羅記述了利用蒸汽反作用力而旋轉的汽轉球，又稱為風神輪，這是最早的反動式汽輪機的雛形；1629年意大利的布蘭卡提出由一股蒸汽沖擊葉片而旋轉的轉輪。

19世紀末，瑞典拉瓦爾和英國帕森斯分別創(chuàng)制了實用的汽輪機。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，并解決了有關的噴嘴設計和強度設計問題。單級沖動式汽輪機功率很小，現在已很少采用。

20世紀初，法國拉托和瑞士佐萊分別制造了多級沖動式汽輪機。多級結構為增大汽輪機功率開拓了道路，已被廣泛采用，機組功率不斷增大。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，這臺汽輪機的功率和效率在當時都占領先地位。

20世紀初，美國的柯蒂斯制成多個速度級的汽輪機，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向葉片，將汽流導向第二列動葉?，F在速度級的汽輪機只用于小型的汽輪機上，主要驅動泵、鼓風機等，也常用作中小型多級汽輪機的第一級。

與往復式蒸汽機相比，汽輪機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。大功率汽輪機可以采用較高的蒸汽壓力和溫度，故熱效率較高。19世紀以來，汽輪機的發(fā)展就是在不斷提高安全可靠性、耐用性和保證運行方便的基礎上，增大單機功率和提高裝置的熱經濟性。

汽輪機的出現推動了電力工業(yè)的發(fā)展，到20世紀初，電站汽輪機單機功率已達10兆瓦。隨著電力應用的日益廣泛，美國紐約等大城市的電站尖峰負荷在20年代已接近1000兆瓦，如果單機功率只有10兆瓦，則需要裝機近百臺，因此20年代時單機功率就已增大到60兆瓦，30年代初又出現了165兆瓦和208兆瓦的汽輪機。

此后的經濟衰退和第二次世界大戰(zhàn)期間爆發(fā)，使汽輪機單機功率的增大處于停頓狀態(tài)。50年代，隨著戰(zhàn)后經濟發(fā)展，電力需求突飛猛進，單機功率又開始不斷增大，陸續(xù)出現了325～600兆瓦的大型汽輪機；60年代制成了1000兆瓦汽輪機；70年代，制成了1300兆瓦汽輪機?，F在許多國家常用的單機功率為300～600兆瓦。

汽輪機在社會經濟的各部門中都有廣泛的應用。汽輪機種類很多，并有不同的分類方法。按結構分，有單級汽輪機和多級汽輪機；各級裝在一個汽缸內的單缸汽輪機，和各級分裝在幾個汽缸內的多缸汽輪機；各級裝在一根軸上的單軸汽輪機，和各級裝在兩根平行軸上的雙軸汽輪機等。

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；蒸汽在靜葉和動葉中都膨脹的反動式汽輪機；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。

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等類型。凝汽式汽輪機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；供熱式汽輪機既提供動力驅動發(fā)電機或其他機械，又提供生產或生活用熱，具有較高的熱能利用率；背壓式汽輪機的排汽壓力大于大氣壓力的汽輪機；抽汽式汽輪機是能從中間級抽出蒸汽供熱的汽輪機；飽和蒸汽輪機是以飽和狀態(tài)的蒸汽作為新蒸汽的汽輪機。

汽輪機的蒸汽從進口膨脹到出口，單位質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所需的排汽面積很大，末級葉片須做得很長。

汽輪機裝置的熱經濟性用汽輪機熱耗率或熱效率表示。汽輪機熱耗率是每輸出單位機械功所消耗的蒸汽熱量，熱效率是輸出機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用電。因此，電站熱耗率比單獨汽輪機的熱耗率高，電站熱效率比單獨汽輪機的熱效率低。

一座汽輪發(fā)電機總功率為1000兆瓦的電站，每年約需耗用標準煤230萬噸。如果熱效率絕對值能提高1%，每年可節(jié)約標準煤 6萬噸。因此，汽輪機裝置的熱效率一直受到重視。為了提高汽輪機熱效率，除了不斷改進汽輪機本身的效率，包括改進各級葉片的葉型設計(以減少流動損失)和降低閥門及進排汽管損失以外，還可從熱力學觀點出發(fā)采取措施。

根據熱力學原理，新蒸汽參數越高，熱力循環(huán)的熱效率也越高。早期汽輪機所用新蒸汽壓力和溫度都較低，熱效率低于20％。隨著單機功率的提高，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，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16兆帕，熱效率達30％以上。50年代初，已有采用新蒸汽溫度為600℃的汽輪機。以后又有新蒸汽溫度為650℃的汽輪機。

現代大型汽輪機通常采用新汽壓力24兆帕，新汽溫度和再熱溫度為535～565℃的超臨界參數,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。使用這些汽輪機的電站熱效率約為40％。

另外，汽輪機的排汽壓力越低，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。凝汽式汽輪機常用的排汽壓力為0.005～0.008兆帕。船用汽輪機組為了減輕重量，減小尺寸,常用0.006～0.01兆帕的排汽壓力。

此外，提高汽輪機熱效率的措施還有，采用回熱循環(huán)、采用再熱循環(huán)、采用供熱式汽輪機等。提高汽輪機的熱效率，對節(jié)約能源有著重大的意義。

大型汽輪機組的研制是汽輪機未來發(fā)展的一個重要方向，這其中研制更長的末級葉片，是進一步發(fā)展大型汽輪機的一個關鍵；研究提高熱效率是汽輪機發(fā)展的另一方向，采用更高蒸汽參數和二次再熱，研制調峰機組，推廣供熱汽輪機的應用則是這方面發(fā)展的重要趨勢。

現代核電站汽輪機的數量正在快速增加，因此研究適用于不同反應堆型的、性能良好的汽輪機具有特別重要的意義。

全世界利用地熱的汽輪機的裝機容量，1983年已有3190兆瓦，不過對熔巖等深層更高溫度地熱資源的利用尚待探索；利用太陽能的汽輪機電站已在建造，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尚待繼續(xù)進行試驗研究。

另外，在汽輪機設計、制造和運行過程中，采用新的理論和技術，以改善汽輪機的性能，也是未來汽輪機研究的一個重要內容。例如：氣體動力學方面的三維流動理論，濕蒸汽雙相流動理論；強度方面的有限元法和斷裂力學分析；振動方面的快速傅里葉轉換、模態(tài)分析和激光技術；設計、制造工藝、試驗測量和運行監(jiān)測等方面的電子計算機技術；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的應用，以及新結構、新工藝和新材料等。