一、汽轮机的基本原理

1、汽轮机的组成

汽轮机又名蒸汽透平机(steam turbine)，是将蒸汽的热能转换成机械能的一种旋转式原动机。

（1）汽轮机的组成：转子和静子。

（2）转子：转动部分的总称。包括：转轴、叶轮、叶片、联轴器及其附件。

（3）静子：不转动部分的总称。包括：汽缸、进汽机构、排汽机构、汽封、滑销系统、轴承和盘车装置等。

汽轮机工艺图

2、汽轮机分类

汽轮机的分类

3、背压式汽轮机

排汽直接用于工业或供热，排汽压力高于大气压力，没有凝汽器。当排汽作为其他中低压汽轮机的工作蒸汽时，称为前置式汽轮机,因此没有冷源损失，能量利用率高，但发电量完全由热负荷决定。(凝汽式机组 排汽在凝汽器中被 冷却水带走的热量为2140-2220kJ/kg,称为冷源损失,而蒸汽带入汽轮机的热量3400kJ/kg左右)

背压式汽轮机

4、调节抽汽式汽轮机

从汽轮机某级后抽出一定压力的部分蒸汽对外供热，其余排汽仍进入凝汽器。由于热用户对供热压力有一定的要求，需要对抽汽压力进行自动调节（用于回热抽汽的压力无需调节)，因而汽轮机装备有抽汽压力调节机构，以维持抽汽压力恒定故称为调节抽汽。根据用户需要，有一次调节抽汽和两次调节抽汽。

揭去上汽缸的国产30万汽轮机汽缸和转子图

5、 汽 轮 机 的 级 、级内能量转换过程

（1）汽轮机的级：静叶栅 动叶栅是汽轮机作功的最小单元。

能量转换过程

（2）级内能量转换过程：

具有一定压力、温度的蒸汽通过汽轮机的级时，首先在喷嘴叶栅通道中得到膨胀加速，将蒸汽的热能转化为高速汽流的动能，然后进入动叶通道，在其中改变方向或者既改变方向同时又膨胀加速，推动叶轮旋转，将高速汽流的动能转变为旋转机械能。

能量转换过程

（3）冲动级：当汽流通过动叶通道时，由于受到动叶通道形状的而弯曲被迫改变方向，因而产生离心力，离心力作用于叶片上，被称为冲动力。这时蒸汽在汽轮机的级所作的机械功等于蒸汽进、出动叶通道时其动能的变化量。而这种级称为冲动级。

（4）反动级：当汽流通过动叶通道时，一方面要改变方向，同时还要膨胀加速，前者会对叶片产生一个冲动力，后 者会对叶片产生一个反作用力，即反动力。蒸汽通过这种级，两种力同时作功。通常称这种级为反动级。

（5）反动度：反动度表示级中反动力所占比例，即蒸汽在动叶中膨胀程度的大小。

级的热力过程线

（6）带反动度的冲动级

为了提高级的效率，通常，冲动级也带有一定的反动度（Ω= 0.05 ～ 0.20 ) 、p1 ＞p2、 Δhn* ＞Δ hb ，这种级称为带反动度的冲动级，它具有作功能力大、效率高的特点。

（7）反 动 级

通常把反动度 Ω = 0.5的级称为反动级。对于反动级来说，蒸汽在静叶和动叶通道的膨胀程度相同，即是p1>p2， 反动级是在冲动力和反动力同时作用下作功。反动级的效率比冲动级高，但作功能力小。

6、汽轮机工艺简介

汽机工艺简介

（1）电厂基本汽水系统流程（朗肯循环）：给水→锅炉→过热蒸汽→汽轮机→凝汽器→给水泵→给水送入锅炉。

（2）主蒸汽系统及再热蒸汽系统 ：（主蒸汽）锅炉主汽门（或集汽联箱）→主蒸汽管→汽机自动主汽门之前 ；（再热蒸汽）汽机高压缸出口→再热器冷段管→再热器→再热器热段管→汽机中压缸进口 。

（3）主凝结水系统 ：凝汽器→凝结水泵→轴封冷却器→低加→除氧器。

（4） 除氧器系统：除氧器及其相连的所有管路和附件（安全门，水位计等）。

（5）主给水系统：除氧水箱下水管→低压给水管→给水泵→高压给水管→高加→主给水管。

（6） 回热抽汽系统和加热器疏水系统：汽机抽汽管路→各回热加热器（高加、低加、除氧器）→ 疏水管路→疏水回收设备。

（7）抽空气系统 ：（低压加热器、凝结水泵）→凝汽器→抽真空设备和系统 

（8） 循环冷却水系统：循环水进水管→凝汽器→循环水出水管（汽机车间范围内）

（9） 排污利用系统 ：锅炉汽包→连续排污管→连续排污扩容器→（汽）除氧器，下联箱→定排污管→↳→（水）定期排污扩容器。

（10）辅助蒸汽系统及补充水系统 ：

1) 辅助蒸汽联箱及其相连接的管路和设备。

2) 化学车间除盐水箱→补水箱→补水泵→凝汽器（或除氧器或疏水箱）。

7、发电厂的主要经济指标

（1） 汽轮发电机组的汽耗率d0：机组每发1KW.h的电所消耗的蒸汽量；200MW机组在3kg/kw.h左右。

（2）汽轮发电机组的热耗率q：机组每发1KW.h的电所消耗的蒸汽量；200MW机组在8400kJ/kw.h左右。

（3） 发电厂总效率ŋPL：电厂发出的电能与所消耗的燃料总能量；200MW机组在34%左右。

（4）发电煤耗率：发电厂每发1KW.h的电所需的煤耗量。

（5）标准煤耗率：发电厂每发1KW.h的电所需的标准煤耗量；我国在300-420g标煤/(kw.h)。

（6）厂用电率：厂用电占总发电量的百分率，大约在5%--10 %之内。

（7）供电标准煤耗率：扣除厂用电的标准煤耗率。

二、汽轮机的设备介绍

1、汽轮机本体

汽轮机包括汽轮机本体，调节、保安系统及辅助设备三大部分。蒸汽轮机本体包括：

(1) 静体（固定部位）——汽缸、喷嘴、隔板、汽封等。

(2) 转子（转动部分）——轴、叶轮、叶片等。

(3) 轴承（支承部分）——径向和止推。

2、汽缸

(1) 汽缸的组成：汽缸是汽轮机的外壳，汽轮机本体的主要零部件几乎包含在汽缸内。汽缸内部装有喷嘴室、喷嘴、隔板、隔板套和汽封等零部件。汽缸外部装有调节汽阀及进汽、排汽和回热抽汽管道等。

(2) 汽缸作用：汽缸是汽轮机的外壳。其作用是将汽轮机的通流部分与大气隔开，形成封闭的汽室，保证蒸汽在汽轮机内完成其能量转换过程。

低压缸

3、汽缸内部构件

(1) 喷嘴、隔板

喷嘴

隔板

喷嘴和隔板的作用和特点：喷嘴是组成汽轮机的主要部件之一。它的作用是把蒸汽的热能转变为高速汽流的动能，使高速汽流以一定的方向从喷嘴喷出，进入动叶栅，推动叶轮旋转做功。隔板由外缘，喷嘴和板体三 部分组成，为便于安装，隔板一般都做成对分的，上半隔板装在汽缸上盖内，下半隔板装在下汽缸内。

第一级喷嘴直接安装在汽缸高压端专门的喷嘴室上。第二级及以后各级喷嘴安装在各级隔板上，隔板用来安装喷嘴，并将各级叶轮分隔开。冲动式汽轮机每一级由一个隔板和一个叶轮组成。冲动式汽轮机的隔板可分为焊接隔板和铸造隔板。反动式汽轮机不采用隔板式结构，各级喷嘴片（也叫静叶栅）直接安装在汽缸上。

(2) 汽封

汽封

1) 汽轮机汽缸两端轴孔处与转轴间有一定间隙，这样在工作时，汽缸内进汽端将发生高压蒸汽大量外漏，进入前轴承箱污染润滑油。此外凝汽式汽轮机的排汽压力在0.05公斤/平方厘米（绝对）左右，即排汽端处于高真空状态，这样大气中的空气将沿边后轴孔大量漏入排汽管和凝汽器，就会破坏汽轮机的真空。因此为了减少高压端的向外漏汽和排汽端往里漏空气，要求在汽缸两端轴孔处配备气封。

2) 汽封的作用

汽轮机通汽部分的动静部分之间，为了防止碰擦，必须留有一定的间隙。而间隙的存在必将导致漏汽，使汽轮机的经济性下降。为了解决这一矛盾，在汽轮机动、静部件的有关部位设有密封装置，通常称为汽封。可分为轴端汽封（又称轴封）、隔板汽封和围带汽封三种。

(3) 转子

汽轮机中所有转动部件的组合体称作转子。包括：主轴、轴封、动叶片、止推盘、危急保安器、联轴器总承、测量盘等。

转子

(4) 叶片

叶片分为动叶片和静叶片两种：

叶片

4、轴承

轴承是汽轮机一个重要的组成部分，分为径向支撑轴承和推力轴承两种类型，它们用来承受转子的全部重力并且确定转子在汽缸中的正确位置。根据轴承中所能承受的载荷方向的不同，又可分为支撑轴承（承受径向载荷）、止推轴承（承受轴向载荷）和支撑止推轴承（同时承受径向载荷和轴向载荷）等。在工业汽轮机上常用的径向轴承有圆瓦轴承、椭圆瓦轴承、多油楔固定轴承和可倾瓦轴承，并且以可倾瓦轴承使用最多。可倾瓦轴承与上述轴承相比其优点是每一块瓦均能自由摆动，在任何情况下都能形成最佳油楔，高速稳定性好，不易发生油膜振荡，应用广泛。

径向可倾瓦轴承

5、联轴器

联轴器又称对轮或靠背轮。作用是传递扭矩。

1) 刚性联轴器：结构简单，能够承受相邻转子分配来的重量，减少支撑轴承数，并缩短机组长度。缺点是传递振动和轴向位移，对找中心要求高

2) 半挠性联轴器：两半联轴器之间加了一段波形圆筒。他在传递扭矩时是呈刚性的，还能传递一定轴向推力，部分吸收转子之间传递的振动。它也允许相邻两轴端之间有少许的不同心度和端面瓢偏度。

3) 挠性联轴器：一般有齿轮式和弹簧式两种。这类联轴器不传递轴向推力，基本不传递振动，对中要求低，但易磨损，需要润滑，造价高。多用于小型汽轮机。

联轴器

6、自动主汽阀

自动主汽阀的作用是在汽轮机保护装置动作后，迅速切断汽源使汽轮机停止运行。因此它是保护装置共有的执行元件。自动主汽阀的结构可分为主汽阀和操纵座两部分，操纵座是控制自动主汽阀开启或关闭的机构。为了保证安全，要求自动主汽阀动作迅速，关闭严密，对高压汽轮机，在正常的进、排汽参数情况下，自动主汽阀关闭后（调节阀全开），汽轮机的转速应能迅速降到1000rpm以下，自汽轮机保护装置动作至主汽阀全关的时间，通常要求不大于0.5～0.8s。

速关阀内部结构

7、超速保护装置

为了防止调节系统因故障失灵和突然甩负荷时引起超速危险，每台汽轮机都装有超速保护装置，它由感应机构、放大机构组成，其发讯装置通常称为危急遮断器或危急保安器，一般当汽轮机的转速升高到额定转速的1.10～1.12倍时它就动作，迅速切断汽轮机的供汽，使汽轮机停止运转。

(1) 危急保安器

危急保安器是超速保护装置的转速感应机构，它实际上是一个静态不稳定的调速器，按其结构可分为飞锤式和飞环式两类，但它们的工作原理完全相同。

(2) 危急断路滑阀

在近代汽轮机中，危急保安器动作后，飞锤飞出作为超速信号，再通过以危急断路滑阀作为传动放大机构去动作主汽阀。因此危急保安器和危急断路滑阀两者共同组成超速保护装置。

(3) 轴向位移保护

在汽轮机运行中，如果由于某种原因造成汽轮机轴向推力过大时，将导致推力瓦的乌金熔化，转子就会产生不允许的轴向位移，致使汽轮机的动、静部分发生摩擦，造成严重的设备损坏事故。因此汽轮机都装有轴向位移测量、报警和自动保护装置。

(4) 低油压保护

润滑油压过低将使汽轮机轴承不能维持正常工作，情况严重时，还会造成轴瓦损坏以及动、静部分摩擦等恶性事故。因此润滑系统中都设有低油压保护装置。低油压保护装置一般应具有下述功能：

1) 润滑油压低于正常值时，首先发出信号，提醒运行人员注意并及时采取措施。

2) 油压继续降低至某一数值时，自动投入辅助油泵以提高油压。

3) 辅助油泵启动后油压若继续下降至某一数值时，应掉闸停机，再继续降低至另一数值时，应停止盘车。

8、油系统的主要设备

(1) 油箱

作用：储油，分离油中空气、水分和机械杂物。

油箱分为污段和净段，中间隔着过滤网。回路布置在污段，油泵的吸油口布置在净段。为了将沉淀下来的水分和杂物排出，油箱底部一般做成斜坡形。

(2) 主油泵

安装位置：在汽轮机高压转子前端的短轴上。

离心式主油泵不能自吸，在启停阶段要靠交流辅助油泵供油。如果主油泵的入口进了空气，会造成系统的工作不稳定。主油泵的进口必须保持一定的正压，正常运行时，这一正压由注油器提供。

(3) 注油器

注油器又称射油器，它实质上是一个射流泵；对于大型机组的供油系统，通常装有两个注油器，可并联或串联。以下是其工作原理图，注：1——喷嘴；2——混合室；3——扩压管

注油器工作原理图

9、主要辅助设备

(1) 凝汽器

凝汽器是热力循环的冷源。其基本功能是接收汽轮机的排汽并将其凝结成水，使汽轮机排汽口形成最佳真空，使工质膨胀到最低压力，尽可能多地将蒸汽热能转换为机械能。凝汽器是一个工作在真空条件下的表面式热交换器，其具体功能有：

1) 冷却汽轮机的排汽，使之凝结为水，使凝汽器形成机组安全、经济运行的真空。

2) 把排汽的凝结水循环使用。

3) 在正常运行时，凝汽器还可以起到一级真空除氧器的作用，能够除去凝结水中所含有的气体，从而提高水的质量，防止设备腐蚀。

(2) 抽气器

由于凝汽器或乏汽管等连接处的不严密，势必有空气从外界漏入。为了保持凝汽器中有较高的真空度，必须采用抽气设备将漏入的空气不断抽走，抽气器的作用就是将凝汽器中的空气不断抽出，保持凝汽器的良好真空。以下是其工作原理示意图，注1——工作喷嘴；2——混合室；3——扩压管

喷射式抽气器工作示意图

(3) 低压加热器

低压加热器是汽轮机回热加热系统中处于凝结水泵至除氧器之间的加热器。有表面式和混合式两种。较常用的是表面式管壳式结构，被加热的水在管内流动，加热蒸汽在管外流动。其结构简单，部件采用普通材料。

加热器

(4) 高压加热器

高压加热器是位于给水泵至锅炉之间承受高的给水压力和温度的加热器。高压加热器是热力系统中的主要辅机，因其承受的压力高，如发生泄露而不能正常运行时，不仅影响全厂热效率，还要降低整套机组的输出功率。

(5) 除氧器

除氧器作用：除去锅炉给水中的氧气和其他不凝结气体，防止热力设备腐蚀和传热恶化，保证热力设备的安全经济运行。是给水回热系统中的一个混合式加热器，高压加热器的疏水、全厂各处水质合格的高压疏水、排汽等均可汇入除氧器加以利用，减少发电厂的汽水损失。

除氧器

除氧器

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