汽轮机基础知识

电厂汽轮机工作原理一般可以通过两种不同的作用原理来实现：一种是冲动作用原理，另外一种是反动作用原理。

1、冲动作用原理当一运动物体碰到另外一个运动速度比其低的物体时，就会受到阻碍而改变其速度，同时给阻碍它的物体一个作用力，这个作用力被称为冲动力。

冲动力的大小取决于运动物体的质量以及速度的变化。

质量越大，冲动力越大；速度变化越大，冲动力也越大。

受到冲动力作用的物体改变了速度，该物体就做了机械功。

最简单的单级冲动式汽轮机结构如图1－1。

蒸汽在喷嘴4中产生膨胀，压力降低，速度增加，蒸汽的热能转变为蒸汽的动能。

高速气流流经叶片3时，由于气流方向发生了改变，长生了对叶片的冲动力，推动叶轮2旋转做功，将蒸汽的动能转变为轴旋转的机械能。

这种利用冲动力做功的原理，称为冲动作用原理。

2、反动作用原理有牛顿第二定律可知，一个物体对另外一个物体施加一作用力时，这个物体上必然要受到与其作用力大小相等、方向相反的反作用力。

在该力作用下，另外一个物体产生运动或加速。

这个反作用力称为反动力。

利用反动力做功的原理，称为反动作用原理。

在反动式汽轮机中，蒸汽不仅仅在喷嘴中产生膨胀，压力降低，速度增加，高速气流对叶片产生一个冲动力，而且蒸汽流经叶片时也产生膨胀，使蒸汽在叶片中加速流出，对叶片还产生一个反作用力，即反动力，推动叶片旋转做功。

这就是反动式汽轮机的反动作用原理。

工作原理就是一个能量转换过程，即热能--动能--机械能。

将来自锅炉的具有一定温度、压力的蒸汽经主汽阀和调节汽阀进入汽轮机内，依次流过一系列环形安装的喷嘴栅和动叶栅而膨胀做功，将其热能转换成推动汽轮机转子旋转的机械能，通过联轴器驱动发电机发电。

膨胀做功后的蒸汽由汽轮机排汽部分排出，排汽至凝汽器凝结成水，再送至加热器、经给水送往锅炉加热成蒸汽，如此循环。

也就是蒸汽的热能在喷嘴栅中首先转变为动能，然后在动叶栅中再使这部分动能转变为机械能。

纽可门蒸汽机是怎么发明的？在17 世纪末18 世纪初，随着矿产品需求量的增大，矿井越挖越深，许多矿井都遇到了严重的积水问题。

为了解决矿井的排水问题，当时一般靠马力转动辘轳来排除积水，但一个煤矿需要养几百匹马，这就使排水费用很高而使煤矿开采失去意义。

发明家们对排水问题思考着解决的办法。

英国的塞维里最早发明了蒸汽泵排水。

塞维里是一位对力学和数学很感兴趣的军事机械工程师，又当过船长，具有丰富的机械技术知识。

1698 年，他发明了把动力装置和排水装置结合在一起的蒸汽泵。

塞维里称之为“蒸汽机”。

塞维里蒸汽泵的工作原理，是利用密闭容器内蒸汽凝结形成的真空，用大气压力把低水位的水，通过吸人管压人容器，然后再用蒸汽将容器中的水压向高处排出。

这是一种没有活塞的蒸汽机，虽然燃料消耗很大，也不太经济，但它是人类历史上第一台实际应用的蒸汽机。

这样，蒸汽动力技术基本完成了从实验科学到应用技术的转变。

1705 年，英国的纽可门设计制成了一种更为实用的蒸汽机。

纽可门生于英国达特马斯的一个工匠家庭，年青时在一家工厂当铁工。

从1680 年，工匠考利合伙做采矿工具的生意，由于经常出人矿山，非常熟悉矿井的排水难题，同时发现塞维里蒸汽泵在技术上还很不完善，便决心对蒸汽机进行革新。

为了研制更好的蒸汽机，纽可门曾向塞维里本人请教，并专程前往伦敦，拜访著名物理学家胡克，获得厂一些必要的科学实验和科学理论知识。

纽可门认为，塞维里蒸汽泵有两大缺点，一是热效率低，原因是由于蒸汽冷凝是通过向汽缸内注人冷水实现的，从而消耗了大量的热；二是不能称为动力机，基本上还是一个水泵，原因在于汽缸里没有活塞，无法将火力转变为机械力，从而不可能成为带动其他工作机的动力机。

对此，纽可门进行了改进。

针对热效率问题，纽可门没有把水直接在汽缸中加热汽化，而是把汽缸和锅炉分开，使蒸汽在锅炉中生成后，由管道送人汽缸。

这样，一方面由于锅炉的容积大于汽缸容积，可以输送更多的蒸汽，提高功率；另一方面由于锅炉和汽缸分开，发动机部分的制造就比较容易。

针对火力的转换，纽可门吸收了巴本蒸汽泵的优点，引人了活塞装置，使蒸汽压力、大气压力和真空在相互作用下推动活塞作往复式的机械运动。

这种机械运动传递出去，蒸汽泵就能成为蒸汽机。

纽可门通过不断地探索，综合了前人的技术成就，吸收了塞维里蒸汽泵快速冷凝的优点，吸收了巴本蒸汽泵中活塞装置的长处，设计制成了气压式蒸汽机。

纽可门蒸汽机，实现了用蒸汽推动活塞做一上一下的直线运动，每分钟往返 16 次，每往返一次可将 45.5 升水提高到 46.6 米。

该机即被用于矿井的排水。

汽机是蒸汽机和汽轮机的简称。

19世纪末，瑞典拉瓦尔和英国帕森斯分别创制了实用的汽机。

拉瓦尔于1882年制成了第一台5马力(3.67千瓦)的单级冲动式汽机，并解决了有关的喷嘴设计和强度设计问题。

单级冲动式汽机功率很小，现在已很少采用。

现在汽机通常指电厂,火车上的汽轮机.。

20世纪初，法国拉托和瑞士佐莱分别制造了多级冲动式汽机。

多级结构为增大汽机功率开拓了道路，已被广泛采用，机组功率不断增大。

帕森斯在1884年取得英国专利，制成了第一台10马力的多级反动式汽机，这台汽机的功率和效率在当时都占领先地位。

20世纪初，美国的柯蒂斯制成多个速度级的汽机，每个速度级一般有两列动叶，在第一列动叶后在汽缸上装有导向叶片，将汽流导向第二列动叶。

现在速度级的汽机只用于小型的汽机上，主要驱动泵、鼓风机等，也常用作中小型多级汽机的第一级。

汽轮机分类1、按工作压力分：低压、高压、亚临界、超临界、超超临界压力汽轮机。

2、按工作原理分：冲动式、反动式、带有反动度的冲动式汽轮机。

3、按排汽压力分：凝汽式、背压式汽轮机。

以及定转速，变转速。

带抽汽，不带抽汽。

单轴，多轴，轴流式，离心式单级，多级等等。

1764年，学校请瓦特修理一台纽可门式蒸汽机，在修理的过程中，瓦特熟悉了蒸汽机的构造和原理，并且发现了这种蒸汽机的两大缺点：活塞动作不连续而且慢；蒸汽利用率低，浪费原料。

以后，瓦特开始思考改进的办法。

直到1765年的春天，在一次散步时，瓦特想到，既然纽可门蒸汽机的热效率低是蒸汽在缸内冷凝造成的，那么为什么不能让蒸汽在缸外冷凝呢？瓦特产生了采用分离冷凝器的最初设想。

在产生这种设想以后，瓦特在同年设计了一种带有分离冷凝器的蒸汽机。

按照设计，冷凝器与汽缸之间有一个调节阀门相连，使他们既能连通又能分开。

这样，既能把做工后的蒸汽引入汽缸外的冷凝器，又可以使汽缸内产生同样的真空，避免了汽缸在一冷一热过程中热量的消耗，据瓦特理论计算，这种新的蒸汽机的热效率将是纽可门蒸汽机的三倍。

从理论上说，瓦特的这种带有分离器冷凝器的蒸汽机显然优于纽可门蒸汽机，但是，要把理论上的东西变为实际上的东西，把图纸上的蒸汽机变为实在的蒸汽机，还要走很长的路。

瓦特辛辛苦苦造出了几台蒸汽机，但效果反而不如纽可门蒸汽机，甚至四处漏气，无法开动。

尽管耗资巨大的试验使他债台高筑，但他没有在困难面前怯步，继续进行试验。

当布莱克知道瓦特的奋斗目标和困难处境时，他把瓦特介绍给了自己一个十分富有的朋友--化工技师罗巴克。

当时罗巴克是一个十分富有的企业家，他在苏格兰的卡隆开办了第一座规模较大的炼铁厂。

虽然当时罗巴克已近50岁，但对科学技术的新发明仍然倾注着极大的热情。

他对当时只有三十来岁的瓦特的新装置很是赞许，当即与瓦特签订合同，赞助瓦特进行新式蒸汽机的试制。

从1766年开始，在三年多的时间里，瓦特克服了在材料和工艺等各方面的困难，终于在1769年制出了第一台样机。

同年，瓦特因发明冷凝器而获得他在革新纽可门蒸汽机的过程中的第一项专利。

第一台带有冷凝器的蒸汽机虽然试制成功了，但它同纽可门蒸汽机相比，除了热效率有显著提高外，在作为动力机来带动其他工作机的性能方面仍未取得实质性进展。

就是说，瓦特的这种蒸汽机还是无法作为真正的动力机。

过热器：锅炉中将蒸汽从饱和温度进一步加热至过热温度的部件，又称蒸汽过热器。

大部分工业锅炉不装设过热器，因为许多工业生产流程和生活设施只需要饱和蒸汽。

在电站、机车和船用锅炉中，为了提高整个蒸汽动力装置的循环热效率，一般都装有过热器。

采用过热蒸汽可以减少汽轮机排汽中的含水率。

过热蒸汽温度的高低取决于锅炉的压力、蒸发量、钢材的耐高温性能以及燃料与钢材的比价等因素，对电站锅炉来说，4兆帕的锅炉一般为450℃左右;10兆帕以上的锅炉为540～570℃。

少数电站锅炉也有采用更高过热汽温的（甚至可达650℃）。

类型和特点过热器按传热方式可分为对流式、辐射式和半辐射式；按结构特点可分为蛇形管式、屏式、墙式和包墙式。

它们都由若干根并联管子和进出口集箱组成。

管子的外径一般为30～60毫米。

对流式过热器最为常用，采用蛇形管式。

它具有比较密集的管组，布置在450～1000℃烟气温度的烟道中，受烟气的横向和纵向冲刷。

烟气主要以对流的方式将热量传递给管子，也有一部分辐射吸热量。

屏式过热器由多片管屏组成，布置在炉膛内上部或出口处，属于辐射或半辐射式过热器。

前者吸收炉膛火焰的辐射热，后者还吸收一部分对流热量。

在10兆帕以上的电站锅炉中，一般都兼用屏式和蛇形管式两种过热器，以增加吸热量。

敷在炉膛内壁上的墙式过热器为辐射式过热器，较少采用。

包墙式过热器用在大容量的电站锅炉中构成炉顶和对流烟道的壁面，外面敷以绝热材料组成轻型炉墙。

装有过热器的小容量工业锅炉一般只用单级管组的对流式过热器即能满足要求。

性能锅炉运行工况的变化，例如负荷高低、燃料变化、燃烧工况变动等，都对过热器出口汽温有影响，所以在电站锅炉中都有调节锅炉出口汽温使其稳定在规定值的手段。

常用手段有：①用喷水式或表面式减温器直接调节汽温；②用摆动燃烧器改变炉膛出口烟气温度；③用烟气再循环调节过热器吸热量（见锅炉汽温调节）。

锅炉负荷升高时，对流式过热器的进出口蒸汽温度升高值增大，辐射式过热器的温度升高值减小。

若将对流式、辐射式和半辐射式过热器合理组合配置，则可在负荷、燃烧工况等变化时使出口汽温变化较小。

过热器管组中各并联管子的吸热量和蒸汽流量在运行中都会有差别。

为避免个别管子中温度过高，在大型锅炉中把过热器分成若干管组，用炉外的集箱对各管组蒸汽进行混合并用导汽管使各管组换位，以避免各管间出现过大的温度差。

材料过热器管壁金属在锅炉受压部件中承受的温度最高，因此必须采用耐高温的优质低碳钢和各种铬钼合金钢等，在最高的温度部分有时还要用奥氏体铬镍不锈钢。

锅炉运行中如果管子承受的温度超过材料的持久强度、疲劳强度或表面氧化所容许的温度限值，则会发生管子爆裂等事故。

过热器的工作条件最差，所以对于管子的材质选择一定要留有足够的裕度，超超临界机组要注意蒸汽氧化导致氧化皮堵塞管道发生超温爆管的问题。