衝擊式汽輪機

汽輪機按工作原理的不同，有衝擊式汽輪機和反擊式汽輪機兩類。

衝擊式汽輪機亦稱“衝動式汽輪機”。主要依靠蒸汽從噴管中高速噴出時的衝擊力來推動葉輪旋轉的汽輪機。是近代汽輪機的基本結構型式。由噴管、隔板、動葉片、葉輪和汽缸等部件組成。蒸汽基本上只在噴管（或兩靜葉片間所形成的通道）中發生膨脹增速。

與反擊式汽輪機相比，具有下列特點：（1）級內壓力降和焓降大部分均發生在噴管中，僅小部分發生於帶有反擊度動葉片的通道內，適宜於使各工作級產生較大的焓降和較大的功率；（2）整機功率相同時所必需有的級數大為減少；（3）動葉片與汽缸等固定部件之間允許有稍大的徑向間隙；（4）製造成本降低；（5）級內漏汽損失較小，效率較高。目前，帶有某種反擊度的多級衝擊式汽輪機的套用範圍已日益廣泛。

基本介紹

• 中文名：衝擊式汽輪機
• 外文名：Impact turbine
• 別稱：衝動式汽輪機
• 組成部件：噴管、隔板、動葉片、葉輪和汽缸
• 汽輪機分類：衝擊式汽輪機和反擊式汽輪機
• 套用：大型火力、原子能發電廠和船舶

汽輪機簡史

早在公元前120年亞歷山大的希羅記述了古埃及利用空心球中蒸汽噴出的反作用力而使其旋轉的裝置，可稱為反動式汽輪機的雛型。公元1629年義大利科學家G.de布蘭卡(Giovanni de Branca)首先利用從加熱盛水容器中噴出的汽流推動一個輪盤旋轉，這便是衝動式汽輪機的原形，但這些只是玩物。直到1883年，瑞典工程師C.G.P.de拉伐爾(CarlGustaf Patrik de Laval)建造了第一台有實用價值、功率為3.67kW的汽輪機。這是一台單級衝動式汽輪機，轉速高達26000r/min。他解決了由於高轉速引起的機械強度和振動問題以及噴嘴設計問題。1884年英國的C.A.帕森斯(Charles Algernon Parsons)製成7.46kW的多級反動式汽輪機。這台汽輪機具有兩個葉輪組，每組共有15個葉輪，葉輪直徑僅有75mm，轉速為17000r/min。1900年美國的C.G.柯蒂斯(Charles Gordon Curtis)製成單壓力級多調節級的衝動式汽輪機。進入20世紀，法國A.拉托(Auguste Rateau)、瑞士H.佐萊製成了多級衝動式汽輪機；1910年容克斯脫萊姆(Ljungstrom)兄弟建議製成輻流式汽輪機，上述多級反動式和衝動式汽輪機便是現代大容量汽輪機的基形。

19世紀後期，隨著電動機和電燈的出現，電力負荷迅速增長，促使電力工業的發展。進入20世紀，電力工業的發展更加突飛猛進，原來作為發電廠原動機的往復式蒸汽機，因其固有的缺點——單機容量小、效率低、轉速低、運行不平穩，而讓位於汽輪機。

汽輪機的發展往往是伴隨著增大單機容量和提高蒸汽參數，但發展過程有反覆。1960年美國投入一台單機容量為325 MW的兩次中間再熱汽輪機，蒸汽參數為34.5MPa，649/566/566℃。但這台汽輪機的運行情況不理想，後降低參數為31MPa，610/566/566℃運行。目前世界上大機組的單機容量約為500～800MW，最大單軸汽輪機為1200MW，雙軸為1300MW，蒸汽壓力一般為16.5～18 MPa的亞臨界或24 MPa左右的超臨界，隨著超臨界壓力機組的更廣泛地被採用及超超臨界壓力機組的發展，新蒸汽溫度則從538℃提高到566℃，並有向更高溫度600～700℃發展的趨勢，中間再熱蒸汽溫度則從566℃向更高溫度發展。

中國第一台用於發電的汽輪機於1907年在上海投運，是英國帕森斯(Parsons)公司製造的800kW機組。1949年前容量最大的機組是1941年在撫順發電廠投產的53 MW中壓機組，蒸汽參數最高的是1947年在上海楊樹浦電廠投運的15MW前置式汽輪機，汽壓為8.4MPa，汽溫為496℃。50年代初期引進捷克和蘇聯技術，中國製造的第一台汽輪機，容量為6MW，1956年首先在淮南電廠投運。以後陸續製造出12、25、50MW中壓和高壓機組，1959年投運了100MW汽輪機。再後中國自行設計製造了125、200、300MW汽輪機，分別在1969年、1972年和1974年投入運行。以後1982年和1985年分別投運了日本三菱(Mitsubishi) 公司 350 MW 和法國阿爾斯通(Alsthom) 公司 600MW機組。引進美國西屋(Westinghouse，WH)公司技術自行製造的亞臨界壓力300MW和600MW機組分別於1987年和1989年投運。90年代初又相繼引進了ABB (Asea Brown Boveri)超臨界壓力600MW汽輪機及蘇制300、500和800MW超臨界壓力汽輪機和西門子(Siemens)公司超臨界壓力900MW汽輪機。

工作原理

蒸汽在汽輪機級內的能量轉換過程，是先將蒸汽的熱能在其噴嘴葉柵中轉換為蒸汽所具有的動能，然後再將蒸汽的動能在動葉柵中轉換為軸所輸出的機械功。具有一定溫度和壓力的蒸汽先在固定不動的噴嘴流道中進行膨脹加速，蒸汽的壓力、溫度降低，速度增加，將蒸汽所攜帶的部分熱能轉變為蒸汽的動能。從噴嘴葉柵噴出的高速汽流，以一定的方向進入裝在葉輪上的動葉柵，在動葉流道中繼續膨脹，改變汽流速度的方向和大小，對動葉柵產生作用力，推動葉輪旋轉作功，通過汽輪機軸對外輸出機械功，完成動能到機械功的轉換。由上述可知，汽輪機中的能量轉換經歷了兩個階段：第一階段是在噴嘴葉柵和動葉柵中將蒸汽所攜帶的熱能轉變為蒸汽所具有的動能，第二階段是在動葉柵中將蒸汽的動能轉變為推動葉輪旋轉機械功，通過汽輪機軸對外輸出。

汽輪機的級

一列噴嘴葉柵和其後面相鄰的一列動葉柵構成的基本作功單元稱為汽輪機的級，它是蒸汽進行能量轉換的基本單元。根據蒸汽在汽輪機內能量轉換的特點，可將汽輪機的級分為純衝動級、反動級、帶反動度的衝動級和復速級等幾種。
各類級的特點：
（1）純衝動級：蒸汽只在噴嘴葉柵中進行膨脹，而在動葉柵中蒸汽不膨脹。它僅利用衝擊力來作功。在這種級中：p1=p2；Dhb=0；Ωm=0。
（2）反動級：蒸汽的膨脹一半在噴嘴中進行，一半在動葉中進行。它的動葉柵中不僅存在衝擊力，蒸汽在動葉中進行膨脹還產生較大的反擊力作功。反動級的流動效率高於純衝動級，但作功能力較小。在這種級中：p1>p2；Dhn≈Dhb≈0.5Dht；Ωm=0.5。
（3）帶反動度的衝動級：蒸汽的膨脹大部分在噴嘴葉柵中進行，只有一小部分在動葉柵中進行。這種級兼有衝動級和反動級的特徵，它的流動效率高於純衝動級，作功能力高於反動級。在這種級中：p1>p2；Dhn>Dhb>0；Ωm=0.05～0.35。
（4）復速級：復速級有兩列動葉，現代的復速級都帶有一定的反動度，即蒸汽除了在噴嘴中進行膨脹外，在兩列動葉和導葉中也進行適當的膨脹。由於復速級採用了兩列動葉柵，其作功能力要比單列衝動級大。

衝擊式多級汽輪機

如果將衝動式單級葉輪一個接一個連線起來，就組成衝動式多級汽輪機。

衝動式多級汽輪機通流部分示意圖(如右圖所示)。衝動式多級汽輪機由四級組成，第一級為調節級，其餘三級為壓力級。調節級一般為部分進汽，其噴嘴組裝於蒸汽室中。從鍋爐來的新蒸汽，經過自動主汽門流入依次開啟的幾個調節汽門，每個調節汽門控制一個噴嘴組。當新蒸汽從調節汽門流出來便進入與其對應的噴嘴中，通過調節汽門控制進汽量，以滿足外界負荷的需求。（其中1—轉子；2—隔板；3—噴嘴；4—動葉柵；5—汽缸；6—蒸汽室；7—排汽管；8—軸封；9—隔板汽封）

衝動式汽輪機通流部分示意圖

汽輪機級內損失

蒸汽在級內流動產生的能量損失，主要包括葉柵損失、余速損失、葉輪摩擦損失、鼓風損失、斥汽損失、漏氣損失、濕氣損失等項。

葉柵損失：包括型面損失和端面損失，前者有葉型表面附面層的摩擦損失，附面層脫離引起的渦流損失，葉片出口邊的尾跡損失以及汽流接近聲速和超聲速時產生的衝波損失。後者有葉柵汽道上下兩個端面附面層中的摩擦損失和附面層內自凹面向背面橫向流動產生的二次流損失。葉柵中的各項損失可由葉柵風洞試驗確定，可用速度係數來表示損失大小，或用能量損失係數或葉柵中總壓力損失係數表示。影響葉柵損失的重要因素是型線、型面光滑度、葉片高度、相對柵距、安裝角、汽流角、沖角和馬赫數。

速度係數是實際速度與理想速度之比。現代汽輪機的靜葉柵速度係數ᵠ可達0.95～0.98。 ᵠ值隨靜葉高度增高而加大。動葉柵速度係數ψ為0.90～0.97。ψ值與級的反動度有一定關係。反動度越小，ψ值也越低。在衝動級中選用適當的反動度，可減少動葉柵中的損失。 當反動度等於50%時ψ=ᵠ。

余速損失：蒸汽從動葉出口流出時尚有一定的速度，其動能不能再利用時所造成的損失稱為余速損失。在多級汽輪機中，前一級余速可被下一級全部或部分利用，以余速利用係數μ來表示。一般μ=0～1。級後有抽汽口的級，μ=0.5。若前後二級的平均直徑無階躍性變化，μ值可達0.8～1，調節級的直徑通常大於其後的第一壓力級直徑，為充分利用其餘速，可加裝汽流導向板。末級的余速是無法再利用的。各級余速的利用提高了汽輪機的內效率。

葉輪摩擦損失：由於蒸汽的黏性在葉輪表面形成附面層，由葉輪帶動旋轉，與蒸汽黏附在隔板和汽缸壁上的附面層之間形成摩擦阻力；並由於葉輪離心力的帶動，在汽室內形成渦流。克服摩擦阻力和渦流所形成的能量損失叫做摩擦損失。摩擦損失通常由實驗確定，並可用斯托多拉 (Stodola) 經驗公式估算：

式中u為圓周速度，m/s；d為級平均直徑，m；v為汽室中蒸汽比容，m³/kg；K₁為係數，一般為1.02～1.3。

因葉輪摩擦損失與蒸汽比容成反比，汽輪機高壓各級比容小，該項損失較大，在低壓各級，由於比容很大，該項損失有時可忽略不計。

鼓風損失和斥汽損失：級的噴嘴組弧段占全圓周的比例，稱部分進汽度。當級的部分進汽度小於1時，動葉柵只在進入裝有噴嘴弧段時才有工作汽流通過。當動葉進入無噴嘴弧段時，動葉產生鼓風作用，消耗一部分有用功，形成鼓風損失。當動葉再度進入裝有噴嘴的弧段時，工作汽流需首先排斥並加速停滯在動葉汽道中的蒸汽，因而消耗一部分能量，稱為斥汽損失。

鼓風損失可由經驗公式估算：

式中K₂為係數，一般取0.4；e為部分進汽度；l為動葉高度。如果將不進汽弧段處的動葉片用護罩包住，使鼓風區域縮小，將可減少鼓風損失。

斥汽損失由下式估算：

式中B、l為動葉片寬度及高度，m；A為噴嘴出口面積，m²；m為噴嘴組數(當e=1時m=0)；Nu為輪周效率；△ht為級的理想焓降。

漏汽損失：衝動式汽輪機隔板兩側有較大壓差，在隔板與轉軸之間的間隙中，將有一部分蒸汽漏過，造成漏氣損失；具有反動度的衝動級和反動級，動葉兩側存在壓差，亦有一部分蒸汽由動葉頂端與汽缸之間的間隙漏過。

濕汽損失：凝汽式汽輪機的後幾級常在濕蒸汽區工作，存在著濕汽損失：濕蒸汽在靜葉柵中膨脹加速時，一部分蒸汽凝結成水滴，使做功蒸汽減少；水滴小於汽流流速，對高速汽流形成摩擦阻力；由於動葉片圓周速度較大，水滴集中撞擊在葉片進口邊背面上，對葉輪產生的制動作用；疏水排出級外所造成的流量損失等。這些損失不能準確直接計算。總的濕汽損失大小決定於蒸汽乾度，可由下式估算：

Δh₂=(1-x_m)△h_u式中x_m為級前後平均蒸汽乾度，△h_u為級的有效焓降。對於凝汽式汽輪機排汽濕度應加以限制，控制在12%～14%。xm>14%後濕汽損失將會急劇增加。

由於蒸汽濕度不僅造成能量損失，而且形成的水滴對動葉片材料有磨蝕作用。為了減輕對動葉片的水蝕作用，通常在汽輪機末兩級採用去濕裝置。

衝動式汽輪機的技術派系

20世紀前期，世界工業已開發國家汽輪機製造業競爭激烈，許多派系已被淘汰，發電用汽輪機僅留下多級軸流的反動式和衝動式汽輪機。

(1)通用電氣公司汽輪機的特點：採用衝動式。單機容量在600MW以下時，高、中壓合缸，流向相反。600 MW以上高、中壓分缸，高壓第一級為分流，其餘為單流;中壓缸為分流。採用自由懸掛主汽門和調節汽門。外缸在中心線上支承。每個轉子有兩個軸承，採用普通橢圓瓦或可傾瓦。推力軸承為固定斜面瓦塊。大型汽輪機採用整鍛轉子。調節級葉片為雙層圍帶，第一層是整體圍帶，其上有鉚釘頭用以鉚接第二層圍帶。中間級葉片均為鉚接圍帶。用於50Hz的末級葉片頂部整體圍帶，連結成組。60Hz的末級葉片採用板形鉚接圍帶。末級葉片均有拉筋 (金)。噴嘴室為鍛造，配汽採用聯合調節方式，裝有進汽方式選擇器，運行人員可選擇噴嘴調節或節流調節方式。

(2)西屋電氣公司汽輪機特點： 容量大於150～200MW的汽輪機為反動式，中小容量機組為衝動式。小於550 MW的機組採用高中壓合缸，流向相反。550以上至900MW的機組則為四缸四排汽口，高中壓分缸，高壓缸為單流或分流，中壓缸均為分流。調節級為單列衝動式，其餘葉片均為反動式。調節級動葉片每三片的葉根連成一組，由整塊鍛件製成。高壓級為直葉片，中壓級所有動葉片均為75mm寬，鍛制錐形扭葉片，軸向插入樅樹形葉根。用於60Hz的末級葉片為自由葉片。中間再熱主汽門和調節汽門為聯合體，在快關時，可承受衝擊負荷。主蒸汽和再熱蒸汽進口處具有防止高溫蒸汽與轉子表面接觸的裝置，可降低轉子表面溫度。

製造衝動式汽輪機的除美國通用電氣公司之外，還有日本的東芝(Toshiba)、日立(Hitachi)，法國的阿爾斯通，義大利的安莎多(Ansaldo)，英國的通用電氣公司(GEC) 和前蘇聯的列寧格勒金屬工廠(ЛМ3)和哈爾科夫透平發電機廠(ХТГЗ)等。

汽輪機的套用

多級汽輪機從原理上說是將若干個單級串聯在一根機軸上。這樣，雖然蒸汽在汽輪機中總的等熵焓降很大(有時達2000kJ/kg)，但在各級中順序膨脹，每級的等熵焓降可減小到合理的程度，使各級都能在較理想的速度比下工作，獲得較高的效率。多級汽輪機的軸向長度比多列速度級大。

多級汽輪機在船舶上多用作推進裝置的主機，或用作經濟性要求較高的大型輔機的原動機(如船舶電站汽輪機)。

多級汽輪機在船舶上有多種形式的組合。常見的有兩大類：

(1)衝動式多級汽輪機：其中第一級常用復速級作為調節級(有的也用單級衝動級)，其後由若干個衝動級、純衝動級或復速級組成非調節級級組。為了提高效率，各級常帶有不大的反動度。

(2)混合式多級汽輪機：它有兩種形式：一種是第一級為復速級或單級衝動級，其後由若干個反動級組成非調節級級組；另一種形式是第一級是復速級，而非調節級級組由若干個衝動級和若干個反動級組成。

作為船舶主機的多級汽輪機由於級數多，常分成高、低壓缸汽輪機，平行配置，共同驅動減速器的第一級大齒輪。也有以高、中、低壓三缸汽輪機組成的船舶主機。

多級汽輪機中，如級組的等熵焓降一定，則由反動級組成的級數，遠較由衝動級組成的級數為多。