第二章 多级汽轮机第一节 多级汽轮机的工作特点为了满足电力生产日益增长的需要，世界各国都在生产大功率、高效率的汽轮发电机组。
要想增大汽轮机的功率，则应增加汽轮机的理想焓降和蒸汽流量。
若仍设计成单级汽轮机，则理想焓降增加，将使喷嘴出口速度相应增大，为了保持汽轮机级在最佳速比范围内工作，就必须相应地增加级的圆周速度，而增大圆周速度要受到叶轮和叶片材料强度条件的限制，所以焓降不能无限制地增加；增加级的蒸汽流量，则要增加级通流面积，即增大级的平均直径或叶片高度，同样将受到材料强度的限制。
那么提高汽轮机蒸汽初参数和降低背压，既能提高机组循环热效率，又能增大汽轮机功率，但焓降的增加不能仅靠单级来完成，否则，喷嘴出口速度将非常大，为保证级在最佳速比附近工作，又将会出现材料强度所不允许的、极大的圆周速度。
因此要增大汽轮机功率、又要保证高效率唯一的途径，就是采用多级汽轮机，其中每一级只利用总焓降的一小部分。
多级汽轮机是由按工作压力高低顺序排列的若干级组成的，常见的多级汽轮机有两种，即多级冲动式汽轮机和多级反动式汽轮机。
图1-8（见文后插页）是东方汽轮机厂生产的300MW 冲动式多级汽轮机的纵剖面图。
由图可见，该机组高压缸内有10级（1个单列冲动级作调节级，其余9个为压力级）；中压缸内有6级；低压缸内为对称分流，布置有6×2个压力级。
从结构上说，该机组共有28级，但由于蒸汽在低压缸内为对称分流，两部分的工作情况相同，故从热力过程的特点上说，该机组共有22级。
图1-9（见文后插页）为哈尔滨汽轮机厂制造的亚临界600MW 反动式汽轮机纵剖面图。
它由1个单列调节级、10个高压反动级、2×9个中压反动级和2×2×7个低压反动级组成，因此从结构上说它有57级，而从热力过程上看，它有27级。
蒸汽进入汽轮机后依次通过各级膨胀作功，压力逐级降低，比体积则不断增大，尤其当压力较低而又进入饱和区后，比体积增加得更快。
因此，为了使逐级增大的体积流量顺利通过各级，各级通流面积必须相应逐级扩大，形成向低压部分逐渐扩张的通流部分。
蒸汽在多级汽轮机中膨胀作功过程可以用s h −图上的热力过程线表示，如图2-1所示。
0点是第一级喷嘴前的蒸汽状态点，根据第一级的各项级内损失，可定出第一级的排汽状态点2点(1点是第一级喷嘴后的状态点)，将0′′点与2点之间用一条光滑曲线连起，则得出了第一级的热力过程线。
而第二级的进汽状态点又是第一级的排汽状态点，同样可绘出第二级的热力过程线；以此类推，可绘出以后各级的热力过程线。
把各级的过程线顺次连接起来就是整个汽轮机的热力过程线。
图中为汽轮机的排汽压力，也称为汽轮机的背压，为汽轮机的理想焓降，为汽轮机的有效焓降，从图中可看出，汽轮机的有效焓降等于各级有效焓降之和，即c p t H Δi H Δi H Δi h Δi i h H ΣΔ=Δ。
整个汽轮机的内功率等于各级内功率之和。
汽轮机的相对内效率为：ti ri H H ΔΔ=η （2-1）图2-1 多级汽轮机的热力过程 一、多级汽轮机的特点（一）多级汽轮机的优越性1．多级汽轮机的循环热效率大大提高多级汽轮机的焓降比单级汽轮机增大很多，可以采用较高的进汽参数和较低的排汽参数，还可以采用回热循环和再热循环，从而大大提高了机组的循环热效率。
2．多级汽轮机的相对内效率明显提高（1） 多级汽轮机每一级承担的焓降不必很大，可以保证各级都在最佳速比附近工作。
（2）在一定的条件下，多级汽轮机的余速动能可以全部或部分地被下一级利用。
（3）多级汽轮机级的焓降较小，可以采用渐缩喷嘴，避免了采用难以加工、效率较低的缩放喷嘴。
（4）当级的焓降较小时，根据最佳速比的要求，可相应减小级的平均直径，从而可适当增加叶栅高度，减小叶栅的端部损失。
（5）多级汽轮机具有重热现象（详见后述）。
3．多级汽轮机单位功率的投资大大减小多级汽轮机的单机功率可远远大于单级汽轮机，因而使单位功率汽轮机组的造价、材料消耗和占地面积都比单级汽轮机大大减小，容量越大的机组减小得越多。
（二）多级汽轮机存在的问题（1）增加了一些附加的能量损失，如级间漏汽损失、湿汽损失等。
（2）由于级数多，相应地增加了机组的长度和质量。
（3）由于新蒸汽和再热蒸汽温度的提高，多级汽轮机高中压缸前面若干级的工作温度较高，故对零部件的金属材料要求高了。
（4）级数增加，零部件增多，使多级汽轮机的结构更为复杂。
总之，多级汽轮机的优越性远大于其存在的不足，故在工业中得到了广泛的应用。
二、多级汽轮机的余速利用在多级汽轮机中，上一级的排汽就是下一级的进汽，当叶型选择及结构布置合理时，上一级排汽的余速动能可以全部或部分地作为下一级的进汽动能而被利用。
1．余速利用对级效率的影响根据第一章级的内效率表达式为：221**0c t c t i ri h h h h h E h Δ−Δ∑Δ−Δ−Δ=Δ=μη式中 ——不包括余速损失的所有级内损失∑Δh 当本级余速不被下级利用时，有01=μ，则**02tc t i ri h h h h E h Δ∑Δ−Δ−Δ=Δ=′η 当余速动能被下一级利用时，1μ＞0，则ri η＞riη′，即本级余速被下一级利用后，可以提高本级的内效率。
2．余速利用对整机效率的影响余速利用对整机效率的影响可用图2-2说明。
在相同的进汽参数和排汽压力下，当各级余速动能都不被利用时，第一级的实际排汽点（即第二级的进汽点）为c 点（222c 为第一级的余速动能），abc 为第一级的热力过程线。
依次类推，汽轮机末级排汽状态点为d 点，整机的有效焓降为i H Δ。
当各级余速均被利用时，第二级的进汽状态点为b 点，进口滞止状态点为点，依次类推，则末级排汽状态点为c ′d ′点，此时汽轮机的有效焓降变成了。
由图可见＞i H ′Δi H ′Δi H Δ，说明余速利用后，整机热力过程线左移，整个过程的熵增减小，效率提高。
3．实现余速利用的条件（1）相邻两级的部分进汽度相同。
大功率汽轮机除调节级外其余各级均为全周进汽，而调节级与第一非调节级之间部分进汽度不同，故调节级余速基本不能利用。
（2）相邻两级的通流部分过渡平滑。
（3）相邻两级之间的轴向间隙要小，流量变化不大。
这两个条件一般都能满足，试验表明，即使两级之间有回热抽汽，对余速利用的影响也不大。
（4）前一级的排汽角2α应与后一级喷嘴的进汽角g 0α一致。
在变工况时，排汽角2α会有较大的变化，但一般喷嘴的进汽边都加工成圆角，能适应进汽角度在较大范围内的变化，所以这一条件通常能满足。
综上所述，多级汽轮机的中间级基本上都能充分地利用前一级的余速动能，所以在设计时就不一定要求每一级都轴向排汽，而可以在直径、转速不变的条件下采用比较小的速比来增加每一级可承担的焓降，使总的级数减小。
图2-2 余速利用对整机热力过程线的影响 三、多级汽轮机的重热现象图2-3是一台五级汽轮机的热力过程线。
由图可见，当第一级存在级内损失时，其排汽的焓值、温度较没有损失时高，导致第二级的理想焓降为2t h Δ。
由于在水蒸汽的h -图上等压线沿着熵增的方向呈扩散状，则大于整机等熵线上的理想焓降。
同理也s 2t h Δ2t h ′Δ有＞、＞3t h Δ3t h ′Δ4t h Δ4t h ′Δ、5t h Δ＞5t h ′Δ，则：54321t t t t t h h h h h Δ+Δ+Δ+Δ+′Δ＞54321t t t t t h h h h h ′Δ+′Δ+′Δ+′Δ+′Δ即 ＞∑Δt h t H Δ （2-2）可见，在多级汽轮机中，由于损失的存在，各级理想焓降之和∑Δt h 大于整机的理想焓降。
在汽轮机中，前级的损失能使其后面各级的理想焓降增大；或者说，前级的损失在后面各级中还能部分的得到利用，这种现象称为多级汽轮机的重热现象。
t H Δ 由于重热现象而增加的理想焓降占汽轮机理想焓降的比例称为重热系数，即：tt t H H h Δ∑Δ−Δ=α （2-3） 一般α为0.04～0.08。
设各级的平均内效率为rim η，汽轮机的内效率为ri η，则：∑Δ∑=Δ=Δ=Δt rim i t ri i h h H H ηη将式（2-3）代入上式得：t rim i H H Δ+=Δ)1(αη则 )1(αηη+=ΔΔ=rim ti ri H H （2-4） 式（2-4）说明，由于重热现象，使多级汽轮机的内效率大于各级的平均内效率。
可见，重热现象使前面级的损失在后面级中得到了部分利用，使整机内效率提高。
但不能说，重热系数越大，多级汽轮机的内效率就越高，因为α越大，说明各级的损失越大，重热只能回收利用总损失中的一小部分，而这一小部分远不能补偿损失的增大。
四、多级汽轮机各级段的工作特点一般情况下，沿着蒸汽的流动方向可把多级汽轮机分为高压段、中压段、低压段三部分，对于分缸的大型汽轮机则分为高压缸、中压缸和低压缸。
由于各部分所处的条件不同，因此各段有不同的特点。
1．高压段在多级汽轮机的高压段，工作蒸汽的压力、温度很高，比体积较小，因此通过该级段的蒸汽容积流量较小，所需的通流面积也较小。
在冲动式汽轮机的高压段，级的反动度一般不大，当静动叶根部间隙不吸汽、不漏汽时，根部反动度较小，由于叶片高度较小，故平均直径处的反动度较小。
在高压段的各级中，各级焓降不大，焓降的变化也不大。
这是因为通过高压段各级的蒸汽容积流量较小，为了增大叶片高度，以减小端部损失，叶轮的平均直径就较小，相应的圆周速度也较小；为保证各级在最佳速比附近工作，喷嘴出口汽流速度也较小，故各级焓降不大；由于高压段各级的比体积变化较小，因而各 图2-3揭示重热现象的热力过程级的直径变化不大，所以各级焓降变化也不大。
2．低压段低压段的特点是蒸汽的容积流量很大，要求低压段各级具有很大的通流面积，因而叶α取得片高度势必很大。
为了避免叶高太大，有时不得不把低压段各级的喷嘴出口汽流角1c相当大，使圆周方向分速与轮周功减小。
u级的反动度在低压段明显增大的原因有两方面：一方面是低压段叶片高度很大，为保证叶片根部不出现负反动度，则平均直径处的反动度较大；另一方面是级的焓降大，为避免喷嘴出口汽流速度超过音速过多而采用缩放喷嘴，只有增加级的反动度，减小喷嘴中承担的焓降。
低压段的蒸汽容积流量很大，故叶轮直径大大增加，圆周速度增加较快。
为了保证有较高的级效率，各级均应在最佳速比附近工作，这时各级的焓降相应增加较快。
3．中压段中压段的情况介于高压段和低压段之间。
为了保证汽轮机通流部分畅通，各级喷嘴叶高和动叶叶高沿蒸汽流动方向是逐级增大的，故中压段各级的反动度一般介于高压和低压段之间且逐级增加。
第二节汽轮机的损失及其装置的效率和热经济指标一、多级汽轮机的损失多级汽轮机的损失分为两大类，一类是指不直接影响蒸汽状态的损失，称为外部损失，另一类是指直接影响蒸汽状态的损失，称为内部损失。
