汽轮机的分类、结构和运行方式

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-汽轮机的分类、结构和运行方式：

蒸汽的能量转换成为机械功的旋转式动力机械。又称蒸汽透平。主要用作发电用的原动机，也可直接驱动各种泵、风机、压缩机和船舶螺旋桨等。还可以利用汽轮机的排汽或中间抽汽满足生产和生活上的供热需要。

 分类：

　　汽轮机的种类很多，分类方式也各异，主要有按工作原理分类，按蒸汽参数分类，按排汽方式分类等。

　　①按工作原理分类：汽轮机可分为冲动式和反动式两大类。在冲动式汽轮机中，蒸汽主要在喷嘴叶栅中膨胀降压，增加流速，蒸汽热能被转换为动能。进入动叶栅改变流动方向，推动叶栅作周向运动，蒸汽的动能进一步转化为机械能。在反动式汽轮机中，蒸汽不但在静叶栅中膨胀，而且在动叶栅中同样膨胀加速，蒸汽不但给动叶片以推动力，而且在流出动叶片时给动叶片以反作用力。蒸汽在动叶片中焓降占一级总焓降的百分比称为级的反动度。反动式汽轮机反动度常取50％，以使动叶和静叶可取相同叶型，从而简化制造工艺。为防止叶片根部出现倒吸现象，减少流动损失，冲动级动叶片中也设计为具有一定焓降，其反动度视叶片长度而定，一般取5～30％。冲动级具有较大的热-功转换能力，并且变工况性能好，所以两类汽轮机都采用冲动级作为第一级（调节级）。中、小型汽轮机常采用复速级作为第一级，它是在一个叶轮上装有两列动叶，在两列动叶之间装有导向叶片。由喷嘴射出的高速汽流在第一列动叶内将一部分动能转变为机械功；经过导向叶片改变流动方向后，再进入第二列动叶片继续作功，因此复速级的焓降及作功能力比单列级大。

　　②按蒸汽参数分类:一般分为低压（1.3兆帕）、中压（6兆帕）、高压（～9兆帕）、超高压(～13.5兆帕)、亚临界（～16.5兆帕）或超临界(～24兆帕)汽轮机。由于高温金属材料性能的限制，目前汽轮机中使用的最高蒸汽温度在565 ℃左右。世界一些先进国家正在研究发展超超临界汽轮机,其蒸汽参数为：～35兆帕，～600℃。

　　③按排汽方式分类：汽轮机可分为凝汽式和背压式两类。凝汽式汽轮机的排汽在低于大气压的状态下进入凝汽器凝结成水。它具有较高的热能－电能转换率，广泛应用于大功率发电机组。在凝汽式汽轮机中，若在某一级后将部分蒸汽于该点压力下引出，并用作工业过程用汽或生活用汽，这类汽轮机称为抽汽式汽轮机。抽汽式汽轮机可以在不同压力点多次抽汽。这类机型广泛用于热电联产。背压式汽轮机的排汽压力高于大气压力,排汽可作为工业用汽源，一般功率较小。如用于驱动发电机，其发电量取决于工业用蒸汽的需要量。若背压式汽轮机的排汽用作其他中、低压汽轮机的汽源，则该汽轮机称为前置式汽轮机。 　　此外，汽轮机还可按汽流方向分为轴流式和辐流式，按结构分为单级和多级。以发电为主要目的的现代大功率汽轮机广泛采用轴流式、多级、高初参数、凝汽式(或抽汽式)机组。

结构：

　　汽轮机本体由汽缸和转子两大部件构成。大功率、高参数汽轮机通常由高压、中压（或高中压）及低压缸组成，超大功率汽轮机可以有两个或两个以上的中压缸和低压缸。每个缸体采取反向对称结构。高、中压缸体由铬钼钢铸造后加工而成，低压缸多用钢板焊制。大容量汽轮机高压缸多采用双层结构，在内、外缸间的夹层中通以适当参数的蒸汽，以减少汽缸厚度，降低起动热应力。

　　转子由主轴、叶轮和动叶组成。高、中压部分主轴和叶轮由铬钼钒高强度钢锻件车削而成；动叶由高铬不锈合金钢铣制成型并镶嵌组合在轮缘上。低压部分叶轮与轴采用红套组合成整体；动叶加工成型后铆接在轮缘上。静叶栅（喷嘴）装在隔板上。隔板制成两个半圆形，分别组装在上、下汽缸内，上、下缸的法兰对口后用螺栓紧固。

　　为防止和减少高、中压汽缸内的高压蒸汽从汽缸与转轴的间隙向缸外漏泄，在间隙内有多组交替安装在汽缸或转轴上的密封圈，称为迷宫式汽封。

　　汽轮机除主轴承外，设有推力轴承，以承受转子轴向推力，并确定转子的轴向位置。为了平衡转子轴向推力，高、中压转子多采用汽流反向布置；低压缸多采用镜像布置。为了防止运行中发生共振，叶片的自振频率、转子的临界转速，以及基础的振动频率均应避开汽轮机的工作转速。

　　调速保安系统 　汽轮机的重要组成部分。其功能是：随负荷的变化，调节进入汽轮机的蒸汽流量，维持汽轮机转速在额定范围之内，满足负荷需要。汽轮机为了防止外界负荷发生大幅度变化时，汽轮机发生超速事故，一般汽轮机装设超速保护系统,当汽轮机转速超过一定限度时，保安器动作,将主汽门迅速关闭，切断汽轮机汽源，以确保安全。

　　蒸汽参数 　提高汽轮机的蒸汽初参数不但能提高装置的热循环效率，而且可以提高设备本身的效率。选择合理的蒸汽初参数不仅决定于装置的热效率，还要考虑随着蒸汽初参数的提高，对金属材料的品质和设备的制造技术水平、造价、金属消耗量以及发电成本和运行可靠性等因素的影响。中压（及以下）汽轮机的蒸汽初温一般为400～450℃,以便采用碳素钢;高压（及以上）汽轮机初温采用520～565℃,一般多取535℃，以便采用低合金元素的珠光体钢，避免采用高价的奥氏体钢。蒸汽初压的选择主要受到末级叶片容许最大湿度(12～14％)的限制。大容量热能动力装置由于采用蒸汽中间再热和给水回热，有利于初压的提高。大型汽轮机的蒸汽初压一般采用超高压和亚临界压力，个别的采用超临界压力。中国制造的汽轮机的功率及进汽参数已系列化（表1）。当蒸汽初参数不变时，降低汽轮机的背压可明显提高装置的热循环效率。但过低的背压会导致末级蒸汽湿度增加，降低了汽轮机的相对内效率，还会使汽轮机的末级排汽面积和凝汽器结构尺寸随之增大，循环冷却水泵的容量也得相应增加。事实上，一些大功率的汽轮机采用了较高的背压。

　　单机容量 　单机容量较大的汽轮机，每千瓦的设备投资较低。因装置热效率较高，发电成本也较低。但另一方面，在电力系统中如果较大容量的单机机组经常处于低负荷状态运行,装置的热效率会降低很多,因而很不经济。此时应将建设费用与运行费用等技术经济指标进行综合，以确定是否代之以若干台较小容量的机组。中国的《火力发电厂设计技术规程》中规定，在新建的发电厂中，最大机组的单机容量一般为电力系统总容量的8～10％。而在电力负荷增加迅速的电力系统中,也可选用单机容量更大的机组。

　　起动与停运 　采用高温、高压参数的汽轮机，在起动、停运的过程中由于温度的急剧变化，可能导致汽缸发生变形、裂纹。因此，必须制订合理的起动、停运操作程序,保证汽轮机各部位的温度梯度在安全值以内,同时也能有效缩短起停时间。一般规定，蒸汽与金属的温差应在－30～＋55℃范围内。金属温度的上升率应小于278℃/h（h为小时），下降率应小于42℃/h。

　　起动加热时汽缸的膨胀滞后于转子，起动速度过快会引起汽缸与转子的膨胀差过大,使轴向间隙消失,导致动、静部件发生摩擦。摩擦部位局部过热会产生残余应力，进而导致转子永久性弯曲变形。为了随时监视胀差，汽轮机装有相对胀差指示器。大功率汽轮机转子直径达600～700mm，转子表面与中心部位的温差会产生热应力。因起动与停机时的热应力正负符号相反而形成交变应力。在交变应力作用下将产生疲劳损伤及至裂纹，特别是在转子锻件存在固有缺陷的地方。如不能及时发现并采取预防措施，裂纹扩展会造成严重的转子断裂事故。因此，应定期对大型汽轮机的转子进行无损探伤。尤其对起停频繁的调峰机组，除在设计上和材料选用上需作特殊考虑外，还应加强预防性检查以保证安全。为消除因转子上下温度不均引起的转子热变形，汽轮机备有盘车装置。汽轮机在起停过程中都要盘车数小时以减小温度变化率。

运行方式：

　　汽轮机的运行方式可按负荷分为低负荷运行、过负荷运行及变负荷运行。汽轮机的负荷随电力系统负荷常处在变动中。在汽轮机设计负荷的一定范围内，汽轮机能安全经济地运行。一般情况下过负荷在5％以内是允许的，但要采取增大进汽流量、减少抽气量或提高进汽压力等措施。汽轮机的过负荷能力还受到不同季节冷却水温的影响。火力发电设备有一个不能稳定连续运行的最低负荷限度。低负荷运行时常发生汽轮机汽缸热应力增大、排汽湿度过大等问题，热效率也显著降低。

　　运行方式也可按蒸汽参数分为定压运行和滑压运行。滑压运行是指来自锅炉的蒸汽压力随汽轮机负荷降低而降低的运行方式。滑压运行能显著提高低负荷运行状态的热效率并基本维持汽轮机内温度不变。

　　负荷变化率也是影响汽轮机正常运行的因素之一。由于负荷急骤变化和自动调整装置的迟延，汽温及汽流量的过大波动会导致汽缸热应力过大，出现裂纹、转子胀差增大以致发生强裂振动。汽轮机运行中最常见的故障是不正常的振动。运行良好的汽轮机，轴承部位的振幅不应超过0.03～0.05mm。引起振动异常的常见原因有转子不平衡，轴弯热变形，动、静部件摩擦等。转子上萌发的疲劳裂纹也会引起振动。

　　调峰汽轮机的运行 　机组的设计与其运行方式密切相关。承担基本负荷的凝汽式汽轮机常为大功率机组,要求运行负荷稳定在经济负荷左右。电力系统的负荷在一天内可能发生幅度较大的周期性变化。调峰机组承担负荷变化的主要部分。在用电高峰的时间，调峰机组投入运行；在用电低谷的时间，调峰机组处在低负荷运行或停机。承担调峰负荷的机组，要求：①起动带负荷速度快。主要方法是改进汽轮机设计,如紧凑的整体结构,增大圆角半径，采用新型材料，采用全周进汽的节流配汽方式，增加汽轮机保温措施等，以降低快速起动时的热应力水平。②具有长期低负荷运行的经济性。主要方法是将机组的经济负荷设计为额定负荷的75～90％，采取滑压运行等。

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