反动式汽轮机工作原理

早在公元前120年亚历山大的希罗记述了古埃及利用空心球中蒸汽喷出的反作用力而使其旋转的装置，可称为反动式汽轮机的雏型。公元1629年意大利科学家G.de布兰卡(Giovanni de Branca)首先利用从加热盛水容器中喷出的汽流推动一个轮盘旋转，这便是冲动式汽轮机的原形，但这些只是玩物。直到1883年，瑞典工程师C.G.P.de拉伐尔(CarlGustaf Patrik de Laval)建造了第一台有实用价值、功率为3.67kW的汽轮机。这是一台单级冲动式汽轮机，转速高达26000r/min。他解决了由于高转速引起的机械强度和振动问题以及喷嘴设计问题。1884年英国的C.A.帕森斯(Charles Algernon Parsons)制成7.46kW的多级反动式汽轮机。这台汽轮机具有两个叶轮组，每组共有15个叶轮，叶轮直径仅有75mm，转速为17000r/min。1900年美国的C.G.柯蒂斯(Charles Gordon Curtis)制成单压力级多调节级的冲动式汽轮机。进入20世纪，法国A.拉托(Auguste Rateau)、瑞士H.佐莱制成了多级冲动式汽轮机；1910年容克斯脱莱姆(Ljungstrom)兄弟建议制成辐流式汽轮机，上述多级反动式和冲动式汽轮机便是现代大容量汽轮机的基形 。

19世纪后期，随着电动机和电灯的出现，电力负荷迅速增长，促使电力工业的发展。进入20世纪，电力工业的发展更加突飞猛进，原来作为发电厂原动机的往复式蒸汽机，因其固有的缺点——单机容量小、效率低、转速低、运行不平稳，而让位于汽轮机。

汽轮机的发展往往是伴随着增大单机容量和提高蒸汽参数，但发展过程有反复。1960年美国投入一台单机容量为325 MW的两次中间再热汽轮机，蒸汽参数为34.5MPa，649/566/566℃。但这台汽轮机的运行情况不理想，后降低参数为31MPa，610/566/566℃运行。世界上大机组的单机容量约为500～800MW，最大单轴汽轮机为1200MW，双轴为1300MW，蒸汽压力一般为16.5～18 MPa的亚临界或24 MPa左右的超临界，随着超临界压力机组的更广泛地被采用及超超临界压力机组的发展，新蒸汽温度则从538℃提高到566℃，并有向更高温度600～700℃发展的趋势，中间再热蒸汽温度则从566℃向更高温度发展。

中国第一台用于发电的汽轮机于1907年在上海投运，是英国帕森斯(Parsons)公司制造的800kW机组。1949年前容量最大的机组是1941年在抚顺发电厂投产的53 MW中压机组，蒸汽参数最高的是1947年在上海杨树浦电厂投运的15MW前置式汽轮机，汽压为8.4MPa，汽温为496℃。50年代初期引进捷克和苏联技术，中国制造的第一台汽轮机，容量为6MW，1956年首先在淮南电厂投运。以后陆续制造出12、25、50MW中压和高压机组，1959年投运了100MW汽轮机。再后中国自行设计制造了125、200、300MW汽轮机，分别在1969年、1972年和1974年投入运行。以后1982年和1985年分别投运了日本三菱(Mitsubishi) 公司 350 MW 和法国阿尔斯通(Alsthom) 公司 600MW机组。引进美国西屋(Westinghouse，WH)公司技术自行制造的亚临界压力300MW和600MW机组分别于1987年和1989年投运。90年代初又相继引进了ABB (Asea Brown Boveri)超临界压力600MW汽轮机及苏制300、500和800MW超临界压力汽轮机和西门子(Siemens)公司超临界压力900MW汽轮机 。

叶片按用途可分为动叶片（又称工作叶片，简称叶片）和静叶片（又称导叶叶片）两种。

动叶片安装在转子叶轮（冲动式汽轮机）或转鼓（反动式汽轮机）上，接受静叶栅射出的高速汽流。把蒸汽的动能转换成轴旋转的机械能，使转子旋转。

静叶片安装在隔板或持环套上。在静叶栅中，蒸汽的压力和温度降低。流速增加，将热力势能转换为动能。

叶片是汽轮机中数量和种类最多的关键零件，其结构型线、工作状态将直接影响能量转换效率，因此其加工精度要求高，它所占加工量约为整个汽轮机加工量的30%，可批量生产。

叶片的工作条件很复杂，除凶高速旋转和汽流作用而承受较高的静应力和动应力外，还因其分别处在过热蒸汽区、两相过渡区（指从过热蒸汽区过渡到湿蒸汽区）和湿蒸汽区段内工作而承受高温、高压、腐蚀和冲蚀作用，因此它的结构、材料和加工、装配质量对汽轮机的安全经济运行有极大的影响。所以存设计、制造叶片时，既要考虑到有足够的强度和刚度，又要有良好的型线，以提高汽轮机的效率。

对于在高温区工作的叶片，应考虑材料的蠕变问题；对于在湿蒸汽区工作的叶片，应考虑材料受湿蒸汽冲蚀的问题。任何一只叶片的断裂都有可能造成严重事故。实践表明，汽轮发生的事故以叶片部分的为最多，所以必须给予足够的重视。

叶片一般由叶根、工作部分（或称叶身、叶型部分）、叶顶连接件（围带）或拉筋组成，如图1所示。

1．叶根部分

叶片是通过叶根与叶轮或转鼓相连接的。叶根的作用是将动叶嵌固在叶轮轮缘或转鼓凸缘的沟槽里，在汽流的作用力和旋转离心力的作用下，使叶片不至于从沟槽里甩出来；因此要求它与叶轮轮缘或转鼓凸缘的配合部分要有足够的配合精度和强度，而且应力集中要小。所以，叶根与轮缘或叶根与转鼓槽的结构是否适当，对叶片的安全运行起着重要的作用。

工作叶片一般用单支承面或多支承面的叶根固定在沟槽中，随着叶片高度和重量的增加，叶根所受的作用力增大，应当相应地增加叶片根部支承而的数目，即要采用不同型式的叶根结构。现代汽轮机常用的叶根结构型式有T形、外包T形、双T形、菌形、叉形、枞树形等，其适用范围和装配要求各不相同。

2．叶型部分

叶型部分是指叶片的工作部分。叶片工作部分的横截面形状称为叶型。叶型的周线称为型线。相邻叶片的叶型部分构成蒸汽流动的通道，它要求具有良好的空气动力特性的型线，以减少汽流的能量损失，提高机组的内效率。同时还要满足结构强度、刚度和加工工艺的要求。

按工作原理不同，汽轮机的级分为冲动级和反动级两大类。冲动级动叶片的进、出口压差不大，级的反动度较小，蒸汽在动叶栅中的膨胀程度不大，动叶栅流通截面积稍呈渐缩形；反动级动叶片的进、出口压差较大，级的反动度大，蒸汽在动叶栅中的膨胀程度与导叶栅差不多，动叶栅流通横截面与导叶叶栅的几何形状相似，如图2所示。

按叶片的截面形状沿叶高是否变化，可以把叶片分为等截面叶片、变截面叶片和扭曲叶片。等截面叶片的叶型形状和截面面积沿叶高是不变的，也称为直叶片；变截面叶片的叶型截面面积沿叶高按一定的规律变化，各截面面积不相等；若叶片不同高度各横截面逐渐扭转一定角度，且各截面面积不相等，则称为扭曲叶片。

3．叶顶部分

为了使动叶片之间组成良好的通道，保证汽流沿外缘周界上的良好流动性，降低漏汽损失，提高级的效率，通常叶片的叶顶上都装有围带（复环），将动叶片连成叶片组。成组叶片也提高了叶栅的刚度，降低了叶片中的弯曲应力，改善其频率特性；在扭曲叶‘片加装围带后，能限制动叶片外缘部分在蒸汽作用力下发生扭转。

随着成组方式的不同，叶顶结构也各不相同。整体围带结构型式，围带和叶片实为一个整体部件，叶片装好后顶板互相靠紧即形成一圈围带，围带之问可以焊接，这种结构称为焊接围带；也可以不焊接。整体围带一般用于短叶片。将3～5mm厚的扁平钢带，用铆接方法固定在叶片顶部，称为铆接围带。采用铆接围带结构的叶顶必须做出与围带上的孔相配合的凸出部分（铆头），以备铆接。考虑到有热膨胀，各成组叶片的围带间留有约1mm的膨胀间隙。

汽轮机的相对内效率是因为无效功耗的存在，包括喷管损失、动叶损失、余气损失、叶高损失、扇形损失、叶轮摩擦损失、部分进气损失、漏气损失和湿气损失九部分。

必须指出，并非各级都同时存在以上各项损失，如全周进汽的级中就没有部分进汽损失；采用转鼓的反动式汽轮机就不考虑叶轮摩擦损失；在过热蒸汽区域工作的级就没有湿汽损失；采用扭叶片的级就不存在扇形损失。

汽轮机相对内效率叶高损失

叶高损失又称为端部损失，其产生的物理原因及影响因素在上节已经分析过。它实质上是属于喷嘴和动叶的流动损失。工程上为了方便．把它单独分出来计算。

叶高损失主要决定于叶高。当叶片高度很高时，可以忽略不计。叶高必须大于相对极限高度，否则将急剧增加。

汽轮机相对内效率扇形损失

汽轮机级中实际应用的是环列叶栅，它与平面直叶栅相比，有两个特点： 一是叶栅的相对节距 =不是常数而是从内径向外径成正比例增加的．这样除了平均直径截面处的相对节距为最佳值外，其它各圆周截面的相对节距必然偏离最佳值。因此这些截面的叶型损失系数都大于最小值，这就带来了一项额外的流动损失；二是空气动力学上的特点，叶栅出口汽流在轴向间隙中存在着压力梯度，即由内径向外径静压力逐渐增加，所以会产生径向流动损失。所有这些就构成了扇形损失。

扇形损失与径高比=有关。短小，越大，如=l0时，=0．007，=3时，=0．078，两者相差约11倍。一般当>8~12时，采用等截面直叶片，虽然存在着扇形损失，但加工方便；当<8~12时，为适应汽流参数沿叶高的变化，采用扭叶片，虽然加工复杂，但避免了扇形损失；当很大时，很小，故可忽确不计。

汽轮机相对内效率叶轮摩擦损失

叶轮摩擦损失，简称摩擦损失，是由两部分组成的：

(1)叶轮两侧及围带表而的粗糙度引起的摩擦损失 当叶轮在充满蒸汽的汽室内转动时由于蒸汽的粘性和旋转表面的粗糙度，粘附在叶轮两侧及外缘表面的蒸汽微团被叶轮带着转动，其圆周速度与叶轮表面相应点的圆周速度大致相等，紧贴在汽缸壁或隔板表面的蒸汽微团的圆周速度为零。由叶轮表面至汽缸壁的间距上蒸汽微团的圆周速度是不同的，即存在着速度梯度、因此造成了蒸汽微团之间和蒸汽与壁面之间的摩擦。为了克服摩擦和带动蒸汽质点运动．必然要消耗一部分轮周功。

(2)子午面内的涡流运动引起的损失 紧靠叶轮表面的蒸汽微团随叶轮一起转动，受到离心力的作用，产生向外的径向流动。而靠近汽缸壁或隔板表面的蒸汽微团由于速度小，受到的离心力也小，自然地向中心移动以填补叶轮处径向外流的蒸汽，于是叶轮两侧的子午面内便形成了蒸汽的涡流运动。涡流本身要消耗一部分轮周功，而且还使摩擦阻力增加。

叶轮摩擦损失与级的容积流量成反比。汽轮机的高压段较小，f较大。大型机组低压级的很大，很小，甚至可以忽略不计。另外，与速比的三次方成正比，表明当增加时，急剧增大。

汽轮机相对内效率部分进汽损失

小汽轮机高压级容积流量较小，为了保证喷嘴高度不小于极限相对高度(如窄叶片高度为12一15m m)，喷嘴叶栅就不能像动叶栅那样整圈布置，而只是占据部分圆周，这种布置称为部分进汽。此外，调节级由于配汽方式的需要通常采用部分进汽。常用装有喷嘴的弧段长度（为喷嘴片数）与整个圆周长度的比值来表示部分进汽的程度，称为部分进汽度，由于部分进汽而带来的能量损失称为部分进汽损失，它是由鼓风损失和斥汽损失组成的：

1) 鼓风损失发生在不装喷嘴的弧段内。当部分进汽时，动叶通道不是连续地通过工作蒸汽。当旋转着的动叶通过无喷嘴的“死区”弧段时，动叶片就像鼓风机一样，将“死区”中基本处于静止状态的蒸汽由一侧鼓到另一侧，因此要消耗一部分轮周功；同时动叶两侧与充满在轴向间隙中的不工作蒸汽产生摩擦，从而带来了摩擦损失，在数值上比前者还大。

可见，部分进汽度越小，鼓风损失越大。为了减少鼓风损失，除合理选择部分进汽度外，还经常采用护罩，把“死区”内的动叶罩住，这样可减少鼓动蒸汽量，使鼓风损失减小。

2>斥汽损失与鼓风损失相反，它发生在装有喷嘴的工作弧段内。当动叶栅经过无喷嘴的弧段时，对应的汽道b内被汽室a中的呆滞蒸汽所充满。当动叶进入工作弧段时，除嘴中射出的高速汽流首先必须把汽道中的呆滞蒸汽推出去，并使之加速，从而消耗了工作蒸汽的一部分动能。此外．由于叶轮高速旋转的作用，在喷嘴组出口端A处，喷嘴叶栅与动叶叶栅之间的间隙中将产生漏汽，引起损失；而在喷嘴组的进入端B处却相反，将产生抽汽，将一部分呆滞蒸汽吸入动叶汽道。干扰了主汽流，也会引起损失。这些损失构成了斥汽损失，又因为它是喷嘴弧段两端处的损失，故又称为弧端损失。

由于动叶每经过一组喷嘴弧段时就要发生—次斥汽损失，所以在相同部分进汽度下。喷嘴沿圆周分布的组数越多，斥汽损失就越大。为了减少斥汽损失，应尽量减少喷嘴组数。

汽轮机相对内效率漏汽损失

由于冲动级和反动级的结构不同，级内漏汽量的大小和漏汽对级效率的影响也不同，故有必要分开讨论两种级的漏汽问题。

对于冲动级，隔板前后存在着较大的压差，而隔板和转轴之间又存在着间隙，因此必定有一部分蒸汽，从隔板前通过间隙漏到隔板与本级叶轮之间的汽室内。由于这部分蒸汽不通过喷嘴，所以不参加作功，因而形成了隔板漏汽损失。此外，漏进这一汽室内的蒸汽还有可能通过喷嘴和动叶根部之间的间隙流入动叶。由于这些漏汽不是以正确方向进入动叶的，因此不但不作功，反而扰乱了动叶中的主汽流，造成损失。为了避免隔板漏汽混入动叶中干扰主汽流，一方面在叶轮上开设平衡孔，使隔板漏汽经过平衡孔流到级后，另一方面在动叶根部设置汽封片加以阻挡，并在设计时选取合理的反动度，尽量使动叶根部不出现吸汽或漏汽现象。

在动叶顶部，为了避免转子和汽缸之间的相对膨胀及转子发生振动时产生碰撞，在动叶顶部与隔板和持环之间应有一定的轴向间隙和径向间隙 。即使是冲动级，动叶顶部也有较大的反动度，即叶顶前后有较大的压差，这样势必造成从喷嘴出来的一部分蒸汽不通过动叶汽道，而由动叶顶部间隙漏到级后。由于这部分蒸汽未参加作功，因而构成了叶顶漏汽损失。

由于漏汽量正比于间隙面积和间隙两侧的压差，故减少漏汽损失应从减小间隙面积和两侧压差这两方而着手。实践证明，采用高低齿汽封，可同时满足这两个要求。因为高低齿汽封的间隙可以做得很小，而且汽流每通过一个齿就发生一次节流作用，使压力降低一次，故每个齿只承担整个压差的一小部分。

由于每个汽封齿中蒸汽的流动情况都大致与蒸汽在渐缩喷嘴中的流动相似，所以漏汽量可以参照喷嘴流量公式计算。

对于反动级来说，根据它的基本结构和工作原理不难分析，其漏汽损失比冲动级大，这是因为：

1) 内径汽封的漏汽量比冲动级的隔扳漏汽量大，这主要是因为内径汽封直径比隔板汽封直径大，而汽封齿数又比较少。

2) 动叶前后的压差较大，所以叶顶漏汽量相当可观。

为了减少漏汽损失，应尽量减小径向间隙和，但汽轮机在启动等情况下，静止部分和转动部分受热不均，温差较大，为避免两者摩擦，和又不能过小。因此采用径向和轴向汽封结构，以减少漏汽。对于较长的扭叶片级，在无围带的情况下，往往将动叶顶部削薄，缩短动叶与汽缸(或隔板套)的间隙，从而达到封汽的作用。此外，还应尽量设法减小叶顶反动度，使动叶项部前后压差不致过大。

汽轮机相对内效率湿汽损失

饱和蒸汽汽轮机的各级和普通凝汽式汽轮机的最后几级都工作于湿蒸汽区。由于有水分存在、干蒸汽的工作也将受到一定的影响，这种影响主要表现为一种能量损失，这就是所谓的湿汽损失。产生湿汽损失的原因，有以下几个方面：

1）前面曾经讨论过湿蒸汽的过饱和现象对喷嘴通流能力的影响。这种过饱和现象对级的能量转换所产生的影响表现为理想比焓降的减少。由于过饱和现象的存在，蒸汽进入湿蒸汽区暂时仍按过热蒸汽的规律膨胀，即定熵指数仍等于1.3，而不等于1．135，用=计算可知，=1．3的等压线中的虚线所示，而=1．135的等压线如实线所示，显然，线段就代表着过饱和损失，即=—。过饱和损失在p-v图上也能清晰地表示出来。

2)一般来说，湿蒸汽在膨胀过程中析出的水殊，尤其是聚集在喷嘴出汽边的水膜经汽流粉碎后所形成的较大颗粒的水珠，其速度总比蒸汽的速度低得多。这样，在汽水两相流动中，低速的水珠被高速的蒸汽挟带着流动，从而消耗了汽流的—部分动能，称之为挟带损失。

3)在汽流的挟带下，水珠的速度虽有提高，但仍小于汽相的速度。水珠出喷嘴的速度只有蒸汽速度的10%左右，而圆周速度u一样，使水珠进动叶的方向角远大于 ，偏离动叶入口方向的水珠撞击在动叶进口处的背孤上，产生了阻止叶轮旋转的制动作用，克服它就要消耗一部分有用功，称之为制动损失。

4)从动叶出来的水珠的相对速度要比蒸汽速度低得多，而圆周速度u是一样的，使远大于，当蒸汽按正确方向进入下一级喷嘴时，水珠将撞击在喷嘴进口处的壁面上，从而扰乱了主汽流，造成损失，称之为扰流损失。

5)在湿蒸汽级中采用的各种捕水装置，当从级内排除部分液相的同时，都不可避免地伴随着一部分蒸汽同时被抽出汽轮机，造成工质损失。

湿蒸汽中的水珠打在动叶进口边顶部的背弧上，将使该处受到冲蚀，叶片表面将被冲蚀成许多密集的细毛孔，严重者造成叶片缺损，对汽轮机的安全运行有很大的威胁。随着单机功率不断增大，末级叶高和叶顶圆周速度也不断增大，冲蚀程度就更严重，所以对现代轻汽式汽轮机末级最大可见湿度(在h-s图上查得的湿度)限制在12%以内。为了提高湿蒸汽级的效率和防止动叶被冲蚀损坏，一方面可采取有效的去湿方法，另一方面应提高叶片本身的抗冲蚀能力。

常用的去湿方法有：

1)由捕水口、捕水室和疏水通道组成的级内捕水装置。它有喷嘴后和动叶后两种形式，水珠受离心力的作用被抛向外缘后，经过捕水口槽道l进入环形捕水室2，然后通过疏水通道3流入压力更低的低压加热器或凝汽器。这种捕水装置应用很广泛，捕水效率可达湿蒸汽中所含水分的200%。

2)只有吸水缝的空心喷嘴如。这种去湿装置是将空心喷嘴经环形通道与压力比它低的低压加热器或凝汽器连通而形成负压，这样，通过喷嘴上开的吸水缝就可将喷嘴表面上的凝结水膜吸走。吸水缝有的靠近进汽侧，有的靠近出汽侧〔内弧或背弧)。也有把吸水缝开在出汽边上的。试验表明，吸水缝布置在喷嘴的顶部附近去湿效果最好，因为在这里集中了水分的主要部分。这种结构的去湿效果比较好，因此被许多制造厂采用。它的缺点是，要有相当一部分蒸汽被同时抽出，这不仅使作功的工质减少，而且要求环形

通道的截而必须设计得很大，给制造带来了一定的困难。

3)采用出汽边喷射蒸汽的空心喷嘴。空心喷嘴的内部空间与出汽边的缝隙相通，缝隙最好设计成喷嘴状。从压力较高一级来的蒸汽经汽缸上的环形室引入空心喷嘴后由出汽边的缝隙中喷射出去，使喷嘴的尾迹区消失，阻止该处大粒水珠的形成；同时使层迹区汽流速度均衡，这对提高级效率和改善动叶的应力状况都是有利的。这种方法的另一个优点是，由压力较高点送来的蒸汽，其能量并未损失，而是参加了本级的膨胀作功。

在提高动叶本身冲蚀能力方面，通常采取的措施有；采用耐侵蚀性能强的叶片材料（如钛合金)；在叶片进汽边背弧上镶焊硬质合金，常用的办法是将司太立合金作成薄片焊在动叶顶部进汽边的背弧上，对叶片表面镀铬、局部高频淬硬、电火花强化、氮化等，这些都可增加动叶表面硬度，延长动叶使用寿命。2100433B