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汽輪機
一種旋轉式蒸汽動力裝置
基本信息
| 中文名 | 汽輪機 |
| 外文名 | The steam turbine |
| 別名 | 蒸汽透平發(fā)動機 |
| 運用領域 | 發(fā)電或動力裝置 |
| 來源 | 公元1世紀 |
| 動力源 | 高溫高壓蒸汽做功于葉片 |
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發(fā)展歷史
公元1世紀，亞歷山大的希羅記述的利用蒸汽反作用力而旋轉的汽轉球，又稱為風神輪，是最早的反動式汽輪機的雛形。1629年，意大利的Gde布蘭卡提出由一股蒸汽沖擊葉片而旋轉的轉輪。1882年，瑞典的C.G.Pde拉瓦爾制成第一臺5馬力（3.67千瓦）的單級沖動式汽輪機。1884年，英國的C.A.帕森斯制成第一臺10馬力（7.35千瓦）的單級反動式汽輪機。1910年，瑞典的B.& F.容克斯川兄弟制成輻流的反動式汽輪機。
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，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，將氣流導向第二列動葉。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。
國際發(fā)展狀況
（1）1882年瑞典工程師拉瓦爾設計制造出了第一臺單級沖動式汽輪機，隨后在1884年英國工程師帕森斯設計制造了第一臺單級反動式汽輪機，雖然那時的汽輪機與現(xiàn)代汽輪機相比結構非常簡單，但是推動了汽輪機在世界范圍內的應用，被廣泛應用在電站、航海和大型工業(yè)中。
（2）在60年代，世界工業(yè)發(fā)達的國家生產的汽輪機已經達到500—600MW等級水平。1972年瑞士ABB公司制造的1300MW雙軸全速汽輪機在美國投入運行，設計參數達到24Mpa，蒸汽溫度538°C，3600rpm；1974年西德KWU公司制造的1300MW單軸半速（1500 rpm）飽和蒸汽參數汽輪機投入運行；1982年世界上最大的1200MW單軸全速汽輪機在前蘇聯(lián)投入運行，壓力24 Mpa，蒸汽溫度540°C。
（3）世界各國都在研究大容量、高參數汽輪機的研究和開發(fā)，如俄羅斯正在研究2000MW汽輪機。主要是大容量汽輪機有如下特點：
1）降低單位功率投資成本。如800MW機組比500MW汽輪機的千瓦造價低17%；1200MW機組比800MW機組的千瓦造價低15%—20%。
——沖動式汽輪機蒸汽主要在靜葉中膨脹，在動葉中只有少量的膨脹。
——反動式汽輪機蒸汽在靜葉和動葉中膨脹，而且膨脹程度相同。
汽輪機
—— 低壓汽輪機：主蒸汽壓力小于1.47Mpa；
—— 超高壓汽輪機：主蒸汽壓力在11.77—13.93Mpa；
—— 亞臨界壓力汽輪機：主蒸汽壓力在15.69—17.65Mpa；
—— 超臨界壓力汽輪機：主蒸汽壓力大于22.15Mpa；
—— 超超臨界壓力汽輪機：主蒸汽壓力大于32Mpa；
由于冶金技術的不斷發(fā)展，使得汽輪機結構也有了很大改進。大機組普遍采用了高中壓合缸的雙層結構，高中壓轉子采用一根轉子結構，高、中、低壓轉子全部采用整鍛結構，軸承較多地采用了可傾瓦結構。各國都在進行大容量、高參數機組的開發(fā)和設計，如俄羅斯正在開發(fā)的2000MW汽輪機。日本正在開發(fā)一種新的合金材料，將使高中、低壓轉子一體化成為可能。
中國發(fā)展狀況
郵票上的125MW汽輪機組
（2）1987年采用引進技術生產的300MW機組在石橫電廠投入運行；1989年采用引進技術生產的600MW機組在平圩電廠投入運行；2000年從俄羅斯引進兩臺超臨界800MW機組在綏中電廠投入運行。
（3）上海汽輪機廠是中國第一家汽輪機廠，在1995年開始與美國西屋電氣公司合作成立了STC，1999 年德國西門子公司收購了西屋電氣公司發(fā)電部， STC 相應股份轉移給西門子。哈爾濱汽輪機廠1956年建廠，先后設計制造了中國第一臺25MW、50MW、100MW和200MW汽輪機，80年代從美國西屋公司引進了300MW和600MW亞臨界汽輪機的全套設計和制造技術，于1986年制造成功了中國第一臺600MW汽輪機，自主研制的三缸超臨界600MW汽輪機已經投入生產。東方汽輪機廠1965年開始興建，1971年制造出第一臺汽輪機，主力機型為600MW汽輪機。北京北重汽輪電機有限責任公司做為后起之秀，以300MW機組為主導產品，它是由始建于1958年的北京重型電機廠通過資產轉型在2000年10月份成立的又一大動力廠，2臺600MW汽輪機也已經投入生產。
（4）中國四大動力廠以600MW和1000MW機組為主導產品。
工作原理
汽輪機是能將蒸汽熱能轉化為機械功的外燃回轉式機械。來自鍋爐的蒸汽進入汽輪機后，依次經過一 系列環(huán)形配置的噴嘴和動葉，將蒸汽的熱能轉化為汽輪機轉子旋轉的機械能。蒸汽在汽輪機中，以不同方式進行能量轉換，便構成了不同工作原理的汽輪機。
種類
汽輪機種類很多，根據結構、工作原理、熱力性能、用途、氣缸數目的不同有多種分類方法。
按結構
按工作原理
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。
按汽缸數目
可分為單缸汽輪機、雙缸汽輪機和多缸汽輪機。
其他
配套設施
結構部件
汽缸
汽缸是汽輪機的外殼，其作用是將汽輪機的通流部分與大氣隔開，形成封閉的汽室，保證蒸汽在汽輪機內部完成能量的轉換過程，汽缸內安裝著噴嘴室、隔板、隔板套等零部件；汽缸外連接著進汽、排汽、抽汽等管道。
汽缸的高、中壓段一般采用合金鋼或碳鋼鑄造結構，低壓段可根據容量和結構要求，采用鑄造結構或由簡單鑄件、型鋼及鋼板焊接的焊接結構。
高壓缸有單層缸和雙層缸兩種形式。單層缸多用于中低參數的汽輪機。雙層缸適用于參數相對較高的汽輪機。分為高壓內缸和高壓外缸。高壓內缸由水平中分面分開，形成上、下缸，內缸支承在外缸的水平中分面上。高壓外缸由前后共四個貓爪支撐在前軸承箱上。貓爪由下缸一起鑄出，位于下缸的上部，這樣使支承點保持在水平中心線上。
中壓缸由中壓內缸和中壓外缸組成。中壓內缸在水平中分面上分開，形成上下汽缸，內缸支承在外缸的水平中分面上，采用在外缸上加工出來的一外凸臺和在內缸上的一個環(huán)形槽相互配合，保持內缸在軸向的位置。中壓外缸由水平中分面分開，形成上下汽缸。中壓外缸也以前后兩對貓爪分別支撐在中軸承箱和1號低壓缸的前軸承箱上。
低壓缸為反向分流式，每個低壓缸由一個外缸和兩個內缸組成，全部由板件焊接而成。汽缸的上半和下半均在垂直方向被分為三個部分，但在安裝時，上缸垂直結合面已用螺栓連成一體，因此汽缸上半可作為一個零件起吊。低壓外缸由裙式臺板支承，此臺板與汽缸下半制成一體，并沿汽缸下半向兩端延伸。低壓內缸支承在外缸上。每塊裙式臺板分別安裝在被灌漿固定在基礎上的基礎臺板上。低壓缸的位置由裙式臺板和基礎臺板之間的滑銷固定。
轉子
所有轉子都被精加工，并且在裝配上所有的葉片后，進行全速轉動試驗和精確動平衡。
套裝轉子：葉輪、軸封套、聯(lián)軸節(jié)等部件都是分別加工后，熱套在階梯型主軸上的。各部件與主軸之間采用過盈配合，以防止葉輪等因離心力及溫差作用引起松動，并用鍵傳遞力矩。中低壓汽輪機的轉子和高壓汽輪機的低壓轉子常采用套裝結構。套裝轉子在高溫下，葉輪與主軸易發(fā)生松動。所以不宜作為高溫汽輪機的高壓轉子。
整鍛轉子：葉輪、軸封套、聯(lián)軸節(jié)等部件與主軸是由一整鍛件削而成，無熱套部分，這解決了高溫下葉輪與軸連接容易松動的問題。這種轉子常用于大型汽輪機的高、中壓轉子。結構緊湊，對啟動和變工況適應性強，宜于高溫下運行，轉子剛性好，但是鍛件大，加工工藝要求高，加工周期長，大鍛件質量難以保證。
焊接轉子：汽輪機低壓轉子質量大，承受的離心力大，采用套裝轉子時葉輪內孔在運行時將發(fā)生較大的彈性形變，因而需要設計較大的裝配過盈量，但這會引起很大的裝配應力，若采用整鍛轉子，質量難以保證，所以采用分段鍛造、焊接組合的焊接轉子。它主要由若干個葉輪與端軸拼合焊接而成。焊接轉子質量輕，鍛件小，結構緊湊，承載能力高，與尺寸相同、有中心孔的整鍛轉子相比，焊接轉子強度高、剛性好，質量輕，但對焊接性能要求高，這種轉子的應用受焊接工藝及檢驗方法和材料種類的限制。
組合轉子：由整鍛結構套裝結構組合而成，兼有兩種轉子的優(yōu)點。
聯(lián)軸器
聯(lián)軸器用來連接汽輪機各個轉子以及發(fā)電機轉子，并將汽輪機的扭矩傳給發(fā)電機。現(xiàn)代汽輪機常用的聯(lián)軸器常用三種形式：剛性聯(lián)軸器，半撓性聯(lián)軸器和撓性聯(lián)軸器。
剛性聯(lián)軸器：
半撓性聯(lián)軸器
右側聯(lián)軸器與主軸鍛成一體，而左側聯(lián)軸器用熱套加雙鍵套裝在相對的軸端上。兩對輪之間用波形半撓性套筒連接起來，并以配合兩螺栓堅固。波形套筒在扭轉方向是剛性的，在變曲方向剛是撓性的。這種聯(lián)軸器主要用于汽輪機－發(fā)電機之間，補償軸承之間抽真空、溫差、充氫引起的標高差，可減少振動的相互干擾，對中要求低，常用于中等容量機組
撓性聯(lián)軸器
撓性聯(lián)軸器通常有兩種形式，齒輪式和蛇形彈簧式。這種聯(lián)軸器，可以減弱或消除振動的傳遞。對中性要求不高，但是運行過程中需要潤滑，并且制作復雜，成本較高。
靜葉片
隔板用于固定靜葉片，并將汽缸分成若干個汽室。
動葉片
動葉片安裝在轉子葉輪或轉鼓上，接受噴嘴葉柵射出的高速氣流，把蒸汽的動能轉換成機械能，使轉子旋轉。
汽輪機
葉型是葉片的工作部分，相鄰葉片的葉型部分之間構成汽流通道，蒸汽流過時將動能轉換成機械能。按葉型部分橫截面的變化規(guī)律，葉片可以分為等截面直葉片、變截面直葉片、扭葉片、彎扭葉片。
等截面直葉片：斷面型線和面積沿葉高是相同的，加工方便，制造成本較低，有利于在部分級實現(xiàn)葉型通用等優(yōu)點。但是氣動性能差，主要用于短葉片。
彎扭葉片：截面型心的連線連續(xù)發(fā)生扭轉，可很好地減小長葉片的葉型損失，具有良好的波動特性及強度，但制造工藝復雜，主要用于長葉片。
葉根是將葉片固定在葉輪或轉鼓上的連接部分。它應保證在任何運行條件下的連接牢固，同時力求制造簡單、裝配方便。
T形葉根：加工裝配方便，多用于中長葉片。
菌形葉根：強度高，在大型機上得到廣泛應用。
叉形葉根：加工簡單，裝配方便，強度高，適應性好。
樅樹型葉根：葉根承載能力大，強度適應性好，拆裝方便，但加工復雜，精度要求高，主要用于載荷較大的葉片。
汽輪機的短葉片和中長葉片通常在葉頂用圍帶連在一起，構成葉片組。長葉片剛在葉身中部用拉筋連接成組，或者成自由葉片。
優(yōu)點
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。
發(fā)展前景
汽輪機的出現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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。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。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。
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。
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)進行試驗就、研究。
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(xiàn)代大型汽輪機按照其輸出功率的不同，采用的新蒸汽壓力又可以分為各個壓力等級，通常采用新蒸汽壓力24.5～26兆帕，新蒸汽溫度和再熱溫度為535～578℃的超臨界參數，或新蒸汽壓力為16.5兆帕、新蒸汽溫度和再熱溫度為535℃的亞臨界參數。使用這些汽輪機的熱效率約為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凝汽器的真空度，真空度又取決于冷卻水的溫度和抽真空的設備（通常稱為真空泵），如果采用過低的排汽壓力，就需要增大冷卻水流量、增大凝汽器冷卻水和冷卻介質的換熱面、降低被使用的冷卻水的溫度和抽真空的設備，較長的末級葉片，但同時真空太低又會導致汽輪機汽缸（低壓缸）的蒸汽流速加快，使汽輪機汽缸（低壓缸）差脹加劇，危及汽輪機安全運轉。凝汽式汽輪機常用的排汽壓力為5~10千帕（一個標準大氣壓是101325帕斯卡）。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。
現(xiàn)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。
常見問題
在汽輪機運行過程中，汽輪機滲漏和汽缸變形是最為常見的設備問題，汽缸結合面的嚴密性直接影響機組的安全經濟運行，檢修研刮汽缸的結合面，使其達到嚴密，是汽缸檢修的重要工作，在處理結合面漏汽的過程中，要仔細分析形成的原因，根據變形的程度和間隙的大小，可以綜合的運用各種方法，以達到結合面嚴密的要求。
汽缸漏氣原因
1．汽缸是鑄造而成的，汽缸出廠后都要經過時效處理，就是要存放一些時間，使汽缸在住鑄造過程中所產生的內應力完全消除。如果時效時間短，那么加工好的汽缸在以后的運行中還會變形，這就是為什么有的汽缸在第一次泄漏處理后還會在以后的運行中還有漏汽發(fā)生。因為汽缸還在不斷的變形。
2．汽缸在運行時受力的情況很復雜，除了受汽缸內外氣體的壓力差和裝在其中的各零部件的重量等靜載荷外，還要承受蒸汽流出靜葉時對靜止部分的反作用力，以及各種連接管道冷熱狀態(tài)下對汽缸的作用力，在這些力的相互作用下，汽缸發(fā)生塑性變形造成泄漏。
3．汽缸的負荷增減過快，特別是快速的啟動、停機和工況變化時溫度變化大、暖缸的方式不正確、停機檢修時打開保溫層過早等，在汽缸中和法蘭上產生很大的熱應力和熱變形。
4．汽缸在機械加工的過程中或經過補焊后產生了應力，但沒有對汽缸進行回火處理加以消除，致使汽缸存在較大的殘余應力，在運行中產生永久的變形。
5．在安裝或檢修的過程中，由于檢修工藝和檢修技術的原因，使內缸、汽缸隔板、隔板套及汽封套的膨脹間隙不合適，或是掛耳壓板的膨脹間隙不合適，運行后產生巨大的膨脹力使汽缸變形。
7．汽缸螺栓的緊力不足或是螺栓的材質不合格。汽缸結合面的嚴密性主要靠螺栓的緊力來實現(xiàn)的。機組的起?；蚴窃鰷p負荷時產生的熱應力和高溫會造成螺栓的應力松弛，如果應力不足，螺栓的預緊力就會逐漸減小。如果汽缸的螺栓材質不好，螺栓在長時間的運行當中，在熱應力和汽缸膨脹力的作用下被拉長，發(fā)生塑性變形或斷裂，緊力就會不足，使汽缸發(fā)生泄漏的現(xiàn)象。
8．汽缸螺栓緊固的順序不正確。一般的汽缸螺栓在緊固時是從中間向兩邊同時緊固，也就是從垂弧最大處或是受力變形最大的地方緊固，這樣就會把變形最大的處的間隙向汽缸前后的自由端轉移，最后間隙漸漸消失。如果是從兩邊向中間緊，間隙就會集中于中部，汽缸結合面形成弓型間隙，引起蒸汽泄漏。
漏油
在現(xiàn)代工業(yè)的連續(xù)生產中，由于介質腐蝕、沖刷、溫度、壓力、震動等因素的影響，設備、管道、閥門及容器等都不可避免的出現(xiàn)泄露問題。帶壓堵漏技術是在不影響正常生產的前提下，帶溫、帶壓修復滲漏部位，達到重新密封的一種特殊技術手段。由于這種技術有事是在工藝介質、壓力、流量均不降低，且有介質外泄的情況下實施的，因此它與傳統(tǒng)的停車堵漏具有本質的區(qū)別，其經濟價值更加顯著。
常見故障
裂紋滲漏
汽輪機的油動機等液壓設備，在工作過程中承受較大的壓力及振動力。由于設備材質為鑄鐵，鑄造過程中難免存在不易發(fā)現(xiàn)的鑄造缺陷，加上長時間滿負荷運行，在殼體的薄弱部位極容易出現(xiàn)砂眼滲漏或裂紋滲漏，使設備無法正常工作，液壓油的泄漏同時給現(xiàn)場工作環(huán)境造成極大的安全隱患，嚴重威脅企業(yè)的安全連續(xù)化生產。
在出現(xiàn)此類問題后，企業(yè)往往沒有及時有效的解決手段，由于鑄鐵的焊接性能非常差，加上液壓設備的密封性要求較高，傳統(tǒng)的焊補工藝根本無法實現(xiàn)修復。而現(xiàn)場一般沒有此類設備的備品備件，購買更換需要大量的停機時間。上述問題已可以使用高分子復合材料進行現(xiàn)場修復，其優(yōu)良的機械性能及良好的粘接力、耐壓性，使得該問題得以有效解決。施工過程簡單快速可滿足現(xiàn)場施工之要求，并可延長設備使用壽命、提高生產率。
氣缸變形
氣缸變形的原因與汽缸壁及法蘭金屬的厚度和結構尺寸有關，與啟停工況時投入法蘭、螺栓加熱的操作有關，與汽缸保溫情況也有一定的關系，還與制造過程有關。由于汽缸鑄造時的時效問題，以及復雜的受力情況，汽缸變形是不可避免的問題，通常會表現(xiàn)為汽缸出現(xiàn)內張口或外張口的情況，而且低壓缸更容易出現(xiàn)這個問題。出現(xiàn)此問題后，應避免采用開槽等破壞性的修復手法，目前西方國家應用比較成熟的技術是采用德國西門子能源事業(yè)部采用的高溫平面密封劑修復技術對變形的結合面間隙進行直接修復。
參考資料
[1]
《汽輪機汽缸滲漏高溫密封應用資料 》[引用日期2011-03-16]
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工作原理
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