多级汽轮机的工作原理解析

(一)

汽轮机有静子和转子两大部分。在工作时转子高速旋转，静子固定，因此转子和静子之间必须保持一定的间隙，不使相互摩擦。蒸汽流过汽轮机各级工作时，压力、温度逐级下降，在隔板两侧存在着压差。当动叶片有反动度时，动叶片前后也存在着压差。蒸汽除了绝大部分从导叶、动叶的通道中流过做功外，一小部分会从各种间隙中流过而不做功，成为一种损失，降低了机组的效率。

(二)

转子还必须穿出汽缸，支撑在轴承上，此处也必然要留有间隙。对于高压汽缸两端和中压汽缸的前端，汽缸内的蒸汽压力大于外界大气压力，此处将有蒸汽漏出来，降低了机组效率，并造成部分凝结水损失。在中压缸的排气端和低压缸的两端因汽缸内的蒸汽压力低于外界的大气压力，在主轴穿出汽缸的间隙中，将会有空气漏入汽缸中。由于空气在凝汽器中不能凝结，从而降低了真空度，减小了蒸汽做功能力。

(三)

为了减小上述各处间隙中的漏气，又要保证汽轮机正常安全运行，特设置了各种汽封。这些汽封可分为通流部分汽封、隔板汽封和轴端汽封三大类。就工作原理来讲，这三类汽封均属迷宫式汽封。

1--隔板汽封

2--围带汽封

编辑本段二.汽封的结构

汽封的结构形式一般可分为曲径汽封(迷宫汽封)、碳精汽封和水封三种。由于后两种在现代的汽轮机中很少应用，所以下面仅介绍曲径汽封的结构。

迷宫式汽封的结构(表2-1)

迷宫式汽封按其齿形可分为平齿、高低齿和枞树形等多种形式， 按汽封齿的加工方法又可分为整车式、镶嵌式和薄片式等。 右图是各种迷宫式汽封齿的结构形式。

(a)--整车式平齿汽封,(b)(c)--整车式高齿汽封, (d)--镶嵌片式汽封,(e)(f)--整车式棕树形汽封(g)(h)(i)--薄片式汽封

(一).轴端汽封

轴端汽封多为高低齿汽封，都设计成多段结构，每段由若干个汽封环组成，相邻两段之间设置汽室，如下图所示。汽封齿是加工或镶嵌在汽封弧段上的，汽封弧段又分可嵌装在汽封体内壁的环形槽道内形成汽封环，整个汽封环由6~8段汽封弧段组成。汽封弧段采用弹性支承，即在每个弧段的外圆面上用销子连接一个弹簧片，嵌入槽道后弹簧后弹簧片使弧段与槽道的支承面贴合。上汽封体中分面处装有压块，以防汽封弧段沿周向滑移和脱落。下汽封体靠挂耳在汽缸凹槽两侧铣出的凹台上，其底部通过焊接在汽缸凹槽内的定位键同汽缸配合。汽封体上、下两半部销钉和螺钉固定在一起，在其水平接合面处的进汽侧，每个环形槽道都开有进汽通道。汽封体在汽缸端部的固定方法与隔板套基本相同，但大型汽轮机最外端的汽封体一般用螺钉紧固在汽缸端面上，其中高温高压端的汽封体通过膨胀圈固定在汽缸上。薄片式汽封片用紧丝嵌在转子上，或同时嵌在汽封环和转子上。对于套装转子或组合转子的套装端，其汽封凸肩一般在汽封套上加工，然后热套在主轴上。而整锻转子、焊接转子或组合转子的整锻端，其汽封凸肩或汽封片直接在主轴上加工或镶嵌，此时应在主轴上对应两汽封环的轴向间隙处加工出膨胀槽。另外，某些汽轮机也采用枞树形、游标式、斜切式或径向式等多种迷宫汽封作为轴端汽封。

汽轮机工作原理

什么是汽轮机？

汽轮机是将蒸汽的热能转换成机械能的一种旋转式原动机，有转子（即转动部分的总称，包括：转轴、叶轮、叶片、联轴器及其附件）和静子（即不转动部分的总称，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）组成，如图：

就凝汽式汽轮机而言，从锅炉产生的新蒸汽经由主阀门进入高压缸，再进入中压缸，再进入低压缸，最终进入凝汽器。蒸汽的热能在汽轮机内消耗，变为蒸汽的动能，然后推动装有叶片的汽轮机转子，最终转化为机械能。

汽轮机本体结构详解图（示意图）：

汽轮机本体主要由转子、静子、轴承及轴承箱、盘车装置四大部分构成，如图：

1、转子:汽轮机通流中的转动部分,是汽轮机作功的关键部件,由主轴,叶轮,叶片,联轴器等主要零部件组成。

2、静子: 汽轮机通流中的静止部分及汽轮机的外壳部分,由汽缸、隔板及隔板套、进汽部分、排汽部分、端汽封等主要零部件组成。

3、轴承及轴承箱：支持轴承用来承受转子的重量并保持转子的径向位置，推力轴承用来固定转子的轴向位置，轴承箱用来安装轴承和轴承座。

4、盘车装置：在进汽冲转前及停汽停机后使汽轮机继续保持低速旋转的装置，由电动机、减速器、离合器、操纵机构构成。

汽轮机的工作原理：

汽轮机是用蒸汽做功的旋转式原动机，它将蒸汽的热能转变成透平转子旋转的机械能，这一转变过程需要经过两次能量转换，即蒸汽通过透平喷嘴（静叶片）时，将蒸汽的热能转换成蒸汽高速流动的动能，然后高速气流通过工作叶片时，将蒸汽的动能转换成透平转子旋转的机械能。

汽轮机工作原理分为两类：冲动式和反动式。

冲动式汽轮机的蒸汽热能转变成动能的过程，仅在喷嘴中进行，而工作叶片只是把蒸汽的动能转换成机械能，即蒸汽在喷嘴中膨胀，速度增大，温度压力降低，而在叶片中仅将其动能部分转变为机械能（汽体流速降低），而由于叶片沿流动方向的间槽道截面不变，因而蒸汽不再膨胀，压力也不再降低；

反动式汽轮机中的蒸汽在静叶片中膨胀，压力温度均下降，流速增大，然后进入动叶片（工作叶片），由于动叶片沿流动方向的间槽道截面形状与静叶片间槽道截面变化相同，所以蒸汽在动叶片中继续膨胀，压力也要降低，由于汽流沿着动叶片内弧流动时方向是改变的，因此，叶片既受到冲击力的作用，同时又受到蒸汽在动叶片中膨胀，高速喷离动叶片产生反动力的作用，冲动力和反动力的合力就是动叶片所承受的力，这就是说，在反动式汽轮机中，蒸汽热能转变成动能的过程，不仅在静叶片中进行，也在动叶片中进行。

1 汽轮机工作原理

汽轮机是将蒸汽的热能转换成机械能的蜗轮式机械。在汽轮机中，蒸汽在喷嘴中发生膨胀，压力降低，速度增加，热能转变为动能。如图1所示。高速汽流流经动叶片3时，由于汽流方向改变，产生了对叶片的冲动力，推动叶轮2旋转做功，将蒸汽的动能变成轴旋转的机械能。

图1 冲动式汽轮机工作原理图

1-轴；2-叶轮；3-动叶片；4-喷嘴

2 汽轮机结构

汽轮机主要由转动部分(转子)和固定部分(静体或静子)组成。转动部分包括叶栅、叶轮或转子、主轴和联轴器及紧固件等旋转部件。固定部件包括气缸、蒸汽室、喷嘴室、隔板、隔板套(或静叶持环)、汽封、轴承、轴承座、机座、滑销系统以及有关紧固零件等。

套装转子的结构如图2所示。套装转子的叶轮、轴封套、联轴器等部件和主轴是分别制造的，然后将它们热套(过盈配合)在主轴上，并用键传递力矩。

图2 套装转子结构 1-油封环 2-油封套 3-轴 4-动叶槽 5-叶轮 6-平衡槽

汽轮机主要用途是在热力发电厂中做带动发电机的原动机。为了保证汽轮机正常工作，需配置必要的附属设备，如管道、阀门、凝汽器等，汽轮机及其附属设备的组合称为汽轮机设备。图3为汽轮机设备组成图。来自蒸汽发生器的高温高压蒸汽经主汽阀、调节阀进入汽轮机。由于汽轮机排汽口的压力大大低于进汽压力，蒸汽在这个压差作用下向排汽口流动，其压力和温度逐渐降低，部分热能转换为汽轮机转子旋转的机械能。做完功的蒸汽称为乏汽，从排汽口排入凝汽器，在较低的温度下凝结成水，此凝结水由凝结水泵抽出送经蒸汽发生器构成封闭的热力循环。为了吸收乏汽在凝汽器放出的凝结热，并保护较低的凝结温度，必须用循环水泵不断地向凝汽器供应冷却水。由于汽轮机的尾部和凝汽器不能绝对密封，其内部压力又低于外界大气压，因而会有空气漏入，最终进入凝汽器的壳侧。若任空气在凝汽器内积累，凝汽器内压力必然会升高，导致乏汽压力升高，减少蒸汽对汽轮机做的有用功，同时积累的空气还会带来乏汽凝结放热的恶化，这两者都会导致热循环效率的下降，因而必须将凝汽器壳侧的空气抽出。凝汽设备由凝汽器、凝结水泵、循环水泵和抽气器组成，它的作用是建立并保持凝汽器的真空，以使汽轮机保持较低的排汽压力，同时回收凝结水循环使用，以减少热损失，提高汽轮机设备运行的经济性。

1 汽轮机工作原理

包括汽轮机级的工作原理和整个汽轮机组的工作原理。汽轮机工作原理涉及蒸汽的流动、叶片上作用力的产生和损失的形成，以及使汽轮机适应外界负荷变化的方法。

级的工作原理按照蒸汽所含能量在汽轮机级内转换为机械功的方式，汽轮机的级可分为冲动级、反动级和速度级3种。

冲动级图2为冲动级的工作原理示意图。蒸汽在喷嘴中膨胀，压力从进口的p0 降到出口的p1 （图2a）。随着喷嘴流道截面积的逐步减小（图2b），蒸汽在喷嘴中的速度逐渐增加。蒸汽所含能量转变为汽流的动能,流出喷嘴时绝对速度为c1，汽流角为α1。由于动叶的圆周速度为u,进入动叶的蒸汽相对速度为w1，汽流角为β1 。蒸汽流过动叶时压力没有变化，即动叶出口的压力p2等于进口的压力p1。动叶出口的相对速度为w 2,汽流角为β 2，绝对速度为c2，汽流角为α 2（图2c）。汽流通过动叶时，方向发生变化，汽流的动量也发生变化，因而对动叶片产生作用力，推动转子旋转作功。冲动级动叶的叶型接近于左右对称。在喷嘴和动叶的进、出口，汽流速度的大小和方向可按一定比例用矢量线段的大小和方向来表示，这些矢量线段构成所谓速度三角形。

在以焓 H为纵坐标，以熵S为横坐标的H-S图上（图2d），从喷嘴进口的蒸汽状态点到级后静压p2作一等熵线。此线起点的焓值为H 0,终点的焓值为H 2,差值H0-H2=I0称为等熵焓降。单位为千焦耳/千克。等熵焓降转换为汽流动能之后,相应喷嘴出口的汽流理想速度

。但喷嘴中的流动存在损失，故出口实际汽流速度c1＝嗞c1t，嗞称为喷嘴速度系数，一般为0.96～0.98。同样，由于流动损失，动叶出口汽流相对速度w2=

w1,

称为动叶速度系数,一般为0.92～0.95。由于汽流速度和方向的改变，质量流量为1千克/秒的蒸汽流过动叶时产生的轮周力为Fu=c1cosα1+c2cosα2牛顿，相应的功率称为轮周功率Pu，或用焓降Hu表示:Pu=Hu=Fu·u =u(c1cosα1+c2cosα2)。这样,通过H-S图和速度三角形图就可完成蒸汽能量转换为功的定量计算。