第二篇 汽轮机（第一章）

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第二篇 汽轮机 绪 论

一、汽轮机在国民经济中的地位

汽轮机又称“蒸汽透平”，是以水蒸气为工质，将蒸汽热能转换成转子旋转的机械能的动力机械，它具有单机功率大、效率高、转速高、运转平稳、单位功率制造成本低和使用寿命长等优点，在现代工业中得到广泛的应用。汽轮机的主要用途是在热力发电厂中作原动机。在以煤、石油和天然气为燃料的火力发电厂、核电站和地热电厂中，都采用以汽轮机为原动机的汽轮发电机组，其发电量约占总发电量的80%左右。另外，汽轮机的排汽或中间抽汽还可以用来满足生产和生活的供热需要，这种既供热、又供电的汽轮机称为热电合供汽轮机，这种汽轮机在热能的综合利用方面具有较高的经济性。由于汽轮机能够变速运行，故还可以用它直接驱动各种泵、风机、压缩机和船舶螺旋桨等。在生产过程中有余能、余热的各种工厂企业中，可以利用各种类型的工业汽轮机，使不同品位的热能得到合理有效的利用，从而提高企业的节能和经济效益。

电力工业是现代化国家的基础工业，为适应电力工业的发展，汽轮机的单机容量不断增大，目前世界上运行的最大双轴汽轮机为瑞士ABB公司制造的1300MW机组，最大单轴汽轮机组为前苏联制造的1200MW机组。在我国，目前的主力机组为300MW的汽轮机组，国产亚临界600MW汽轮机组和引进超临界600MW汽轮机组也已投入运行，在最近几年，我国建成投产的主力机组，仍将为单机容量300~600MW的机组。

生产电能的工厂称为发电厂(如火力发电厂、水电厂、核电站等)。火力发电厂简称为火电厂，它是利用化石燃料(煤、石油、天然气)中蕴藏的化学能，在锅炉内通过燃烧转换为蒸汽的热能，然后在汽轮机内将蒸汽的热能转换成机械能带动发电机发电的工厂。在世界范围内火电厂中，燃煤电厂所占比例最大，如英国和德国高达70%，美国和前苏联几乎占50%，我国超过70%。

二、汽轮机的发展简史

1883年瑞典工程师拉伐尔（Laval）首先发明、制造了世界上第一台单级冲动式汽轮机，功率是3.7KW，转速高达26000r/min，相应的圆周速度为475m/s。在这台单级汽轮机中，拉伐尔解决了等强度叶轮、挠性转子和缩放喷嘴等较复杂的汽轮机技术，为汽轮机的发展作出了贡献。

1884~1894年，英国工程师柏生氏（C2A2Parsons）相继创造出了轴流式多级反动式汽轮机、辐流式汽轮机和背压式汽轮机。1900年前后，美国工程师寇蒂斯（Curtis）创造出了复速级单级汽轮机。与此同时，法国工程师拉托（Rateau）和瑞士工程师崔利（Zoelly）分别在拉伐尔单级汽轮机的基础上制造出了多级汽轮机。在前后十几年的时间里，已形成了汽轮机的两种基本类型——多级冲动式汽轮机和多级反动式汽轮机。1903~1907年间，出现了热能、电能联合生产的汽轮机，即背压式及调节抽汽式汽轮机以满足其他工业部门对蒸汽的需要。1920年左右，随着蒸汽动力装置循环的改进，出现了给水回热式汽轮机。这种汽轮机的应用提高了装置的循

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环效率，也提高了汽轮机本身的相对内效率，特别是创造了提高单机功率的条件。所以，此后给水回热式汽轮机几乎完全代替了原来的纯凝汽式汽轮机，一直使用到现在。1925年，出现了第一台中间再热式汽轮机。这种汽轮机的优点是减少了末级的蒸汽湿度，能提高汽轮机的相对内效率和循环效率。1921年瑞典的容斯特罗姆兄弟创造了具有两个反向转子的辐流式汽轮机，这种汽轮机的缺点是不能制造成大功率机组。1930年德国西门子公司将辐流式高压级与普通的任何一种轴流式低压级结合起来，制造成一种能适应较高蒸汽参数的汽轮机。至此，今天所能见到的电站汽轮机主要类型已经基本齐备。

汽轮机制造技术的发展已有一百余年的历史。近几十年汽轮机的发展尤为迅速，其发展的主要特点是:

1、单机功率增大。世界工业发达国家的汽轮机生产在60年代已达到500～600MW机组等级水平。1972年瑞士BBC公司制造的1300MW双轴全速汽轮机(24MPa/538℃/538℃，n=3600r/min)在美国投入运行，1976年西德KWU公司制造的单轴半速(n=1500r/mn)1300MW饱和蒸汽参数汽轮机投入运行，1982年世界最大1200MW单轴全速汽轮机(24MPa/540℃/540℃)在前苏联投入运行。增大单机功率不仅能迅速发展电力生产，而且具有下列优点:

１）单位功率投资成本低。如前苏联800MW机组的单位功率成本比500MW机组降低17%，而1200MW机组的单位功率成本又比800MW机组降低15%～20%。

２）单机功率越大，机组的热经济性越好。如法国的600MW机组的热耗率比125MW机组的热耗率降低了276.3KJ/kw·h，即每年可节约标准煤4万吨。

３）加快电站建设速度，降低电站建设投资和运行费用。

２、蒸汽初参数提高。增大单机功率后适宜采用较高的蒸汽参数，当今世界上300MW及以上容量的机组均采用亚临界(16～18MPa)或超临界压力(23～26MPa)的机组，甚至采用超超临界压力(32MPa)的机组。蒸汽初温度多采用535～565℃，即尽量控制在珠光体钢所允许的565℃以下，力求不用或少用奥氏体钢。

３、普遍采用一次中间再热。采用中间再热后可降低低压缸末级排汽湿度，减轻末级叶片水蚀程度，为提高蒸汽初压创造了条件，从而提高机组内效率、热效率和运行可靠性。

４、采用燃气一蒸汽联合循环，以提高电厂效率。

５、机组的运行水平提高。为了提高机组的运行、维护和检修水平，现代大机组增设和改善了保护、报警和状态监测系统，有的还配置了智能化故障诊断系统。

６、发展核电站用的汽轮机。发展核电，是解决能源不足问题的主要途径。

单机功率的增大必然导致汽轮机的热力系统、自动调节系统、保护系统及监测和控制系统进一步复杂，计算机技术的应用，提高了大功率机组运行的自动化水平，目前300MW以 上的机组，一般均采用机、炉、电协调控制运行方式。

新中国建立时，我国没有汽轮机制造业。建国后相继建成了上海、哈尔滨和东方三大汽轮机厂，它们主要生产大功率的电站汽轮机，并于1955年由上海汽轮机厂制造了国产第一台中压

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6000KW冲动式汽轮机。此后，我国汽轮机制造工业得到迅速发展，已经陆续生产中压12MW、25MW，高压50MW、100MW，超高压中间再热125MW、200MW，以及亚临界参数300MW、600MW的汽轮机。此外还建立了北京重型电机厂、武汉汽轮机厂和青岛汽轮机厂，以及生产工业汽轮机和燃气轮机为主的杭州汽轮机厂和南京汽轮发电机厂。从而使我国的汽轮机制造业形成了独具特色的一套完整的生产体系。 三、汽轮发电机组的容量

（一）、国际电工委员会（IEC）1985年版对汽轮发电机组功率（或出力）等术语的一般定义。

1、发电机功率。发电机接线端（输出端）处的功率。若采用非同轴励磁时，还需扣掉外部励磁的功率。

2、净电功率。发电机功率减去厂用电功率。

3、经济功率（ECR）。机组在此功率下，汽轮机热耗率或汽耗率为最小值。

4、保证最大连续功率（T-MCR）。在规定的端部条件（合同中规定的各端部条件下，典型包括有主蒸汽和热再热蒸汽参数、冷再热蒸汽压力、最终给水温度、排汽压力、转速、抽汽要求等）及运行寿命期内，机组在发电机输出端连续输出的功率。通常在该功率下考核机组所保证的热耗率。在此功率下，调节汽阀不一定要全开。

5、调节汽阀全开工况的功率（VWO工况的功率）。在规定的主蒸汽参数条件下，汽轮机调节汽阀全开，机组所能输出的功率。

6、最大过负荷能力。在规定的过负荷条件下，如末级给水加热器停运或提高主蒸汽压力，汽轮机调节汽阀全开时，机组所能输出的最大功率。

（二）、国际上对大容量汽轮发电机组功率等术语的一般定义。

1、额定功率（铭牌功率，铭牌出力）。通常是指汽轮机在额定主蒸汽和再热蒸汽参数工况下，额定排汽压力、额定补水率时，能在发电机接线端输出的保证功率。汽轮机的保证进汽量与额定工况相对应。

2、机组的保证最大连续功率（T-MCR）。是指汽轮机在通过铭牌功率所保证的进汽量、额定主蒸汽和再热蒸汽参数工况下，排汽压力为４.９Kpa（a）、补水率为０％，机组能保证达到的功率。它一般比额定功率大３％～６％。

3、汽轮机的设计流量（计算最大进汽量）。在所保证的进汽量基础上增加一定的裕量，即（1.03～1.05）3保证进汽量，且调节汽阀全开。近代由于制造水平的提高，裕量取前者，即3%。

4、调节汽阀全开（VWO）时计算功率。机组在调节汽阀全开时，通过计算最大进汽量和额定主蒸汽、再热蒸汽参数下，并在额定排汽压力为4.9 Kpa、补水率为0%条件下计算所能达到的功率。

（三）、美国设计的大容量汽轮发电机组各项功率的术语和定义。

1、汽轮发电机组额定功率。即在额定的主蒸汽和再热蒸汽参数工况下、额定排汽压力、额

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定补水率时汽轮发电机组的保证功率（出力）。

2、进汽量。在额定工况下汽轮发电机组发出保证功率所需的主蒸汽量。

3、保证最大功率。即汽轮机在额定主蒸汽和再热蒸汽参数工况以及额定的排汽压力与补水条件下，通过对应于额定功率时进汽量的机组功率。

4、最大计算功率（或VWO功率）。即汽轮发电机组在额定的进汽参数和额定背压与补水率条件下，调节汽阀全开时，通过最大计算进汽量时的计算功率（非保证值）。一般比最大保证功率高出4.5%，等于1.0453最大保证功率。

5、超压5%的连续运行功率。除核电机组外，汽轮发电机组能安全地在调节汽阀全开和所有回热加热器投运下，超压5%连续运行的功率。这种运行方式下汽轮机通流能力比额定主蒸汽压力下的通流能力增加5%。

美国设计的机组以VWO工况为运行基础推荐可超压5%连续运行，采用VWO+5%OP工况的计算功率或最末级高压加热器停运时以适应日间峰值负荷之需要。

日本或其他欧洲国家所设计的大容量机组以VWO工况下的功率为汽轮机最大功率，而以超压5%为最大负荷能力，即每天可超压5%运行的时间需加以规定，也就是超压5%仅作为机组短时间过负荷的能力。

（四）机、炉、电容量匹配

1、发电机容量：一般发电机的功率应与VWO工况的功率相匹配，即等于VWO工况功率/功率因数（MVA）。若采用美国机组，则发电机的功率应与汽轮机VWO+5%OP工况的功率相匹配。在我国，考虑汽轮机和发电机功率匹配时，除了功率因数外，还应合理确定发电机的效率。

2、锅炉最大连续蒸发量（B-MCR）：应与汽轮机的设计流量（即计算最大进汽量）相匹配，不必再加裕量。若汽轮机按VWO工况计算最大功率，B-MCR蒸发量等于汽轮机VWO工况的最大进汽量；若采用美国设计的机组，则B-MCR蒸发量可等于汽轮机VWO+5%OP工况最大进汽量。日本生产的机组通常在铭牌功率或T-MCR工况下运行，其锅炉最大连续蒸发量比汽轮机VWO工况时的进汽量约大0～3.3%。

（五）东方汽轮机厂N300—16.7/537/537—8型汽轮机各项功率的定义：

1、 铭牌功率（TRL）

汽轮发电机组能在下列条件下安全连续运行，发电机输出铭牌功率300MW （扣除非同轴励磁、润滑及密封油泵等所消耗的功率），此工况称为铭牌工况（TRL），此工况下的进汽量称为铭牌进汽量，此工况为出力保证值的验收工况。

1） 额定主蒸汽参数、再热蒸汽参数及所规定的汽水品质； 2） 汽轮机低压缸排汽压力为11.8kPa（a）； 3） 补给水率为3％； 4） 额定给水温度275.5℃；

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5） 全部回热系统正常运行，但不带厂用辅助蒸汽； 6） 两台汽动给水泵投运；

7） 发电机效率不低于98.8％，额定功率因数0.85（滞相），额定氢压。 2．最大连续功率（T-MCR）

汽轮机进汽量等于铭牌工况（TRL）进汽量，在下列条件下安全连续运行，此工况下发电

机输出的功率（扣除非同轴励磁、润滑及密封油泵等所消耗的功率）称为最大连续出力（T－MCR）：

1） 额定主蒸汽、再热蒸汽参数及所规定的汽水品质；

2） 汽轮机低压缸排汽压力为额定值（4.9KPa(a)），汽轮机进汽量为铭牌进汽量； 3） 补给水率为0％； 4） 额定给水温度275.8℃；

5） 全部回热系统正常运行，但不带厂用辅助蒸汽； 6） 两台汽动给水泵投运；

7） 发电机效率不低于98.8％，额定功率因数0.85（滞相），额定氢压。 8） 最大连续功率313MW。 3、阀门全开工况（VWO）

汽轮发电机组能在调节阀全开， 其它条件同T-MCR时，汽轮机进汽量不小于1.05倍铭

牌进汽量，此工况称为阀门全开（VWO）工况。此时汽轮机进汽量为1025t/h。

4、热耗率验收工况（THA）

当机组功率（当采用非同轴励磁、润滑及密封油泵等时扣除所消耗的功率）为300MW时，

除进汽量以外其它条件同T-MCR时称为机组的热耗率验收（THA）工况，此工况为热耗率保证值的验收工况，在此工况下发出铭牌功率时的热耗率值为保证热耗率。保证热耗率值，不大于7857kJ／kW.h。

（六）东方汽轮机厂N300—16.7/537/537—8型汽轮机主要技术规范和经济指标： N300—16.7/537/537—8型（合缸）汽轮机是东方汽轮机厂引进和吸收国内外先进技术设计制造的最新第八代亚临界300MW优化机型之一，为一次中间再热两缸两排汽凝汽式汽轮机，与相应容量的锅炉和汽轮机发电机配套，构成大型火力发电机组，在电网中以基本负荷为主，也可承担部份调峰任务。

该机型采用引进高压抗燃油数字电液控制系统，简称DEH，从美国Bailey集团的ETSI公司引进，它可以和其他上位机取得联络实现机电炉的协调控制。控制系统具备如下基本功能：

汽轮机自动启动功能 汽轮机自同期功能

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转子应力监控功能 阀门管理功能 转速调节功能 负荷控制功能 超速保护功能 阀门活动试验功能 CCS接口功能

汽轮机本体左、右定义为：从汽轮机朝发电机方向看去，左手侧为左、右手侧为右。前后定义为：靠近汽机为前，靠近发电机为后。

1．主要技术规范和经济指标

型号：N300-16.7/537/537—8型（合缸） 型式：亚临界中间再热两缸两排汽凝汽式汽轮机 额定功率：300MW（ECR工况） 最大功率：333MW（VWO工况） 额定蒸汽参数

新蒸汽：（高中主汽阀前）16.7MPa/537℃ 再热蒸汽：（中压联合汽阀前）3.181MPa/537℃ 背压：5.80KPa（设计冷却水温22℃） 额定新汽流量：899.6t/h 最大新汽流量：1025t/h 配汽方式：全电调（阀门管理）

转向：从汽机向发电机方向看为顺时针方向 转速：3000 r/min 轴系临界转速（计算值） QFSN—300—2—20B型电机

第一阶：（发电机转子一阶） 1370r/min 第二阶：（低压转子一阶） 1688r/min 第三阶：（高中压转子一阶） 1750r/min 第四阶：（发电机转子二阶） 3517r/min 第五阶：（低压转子二阶） 3654r/min 第六阶： >4000r/min *电机临界转速值以电机厂提供的数据为准。

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通流级数

总共27级，其中： 高压缸：1调节级+8压力级 中压缸：6压力级 低压缸：2*6压力级

给水回热系统：3高加+1除氧+4低加（除氧器采用滑压运行） 给水泵拖动方式 有两种配置

第一种：1*100%B—MCR的小汽轮机带动；1*50%B—MCR电动调速给水泵作为备用。 第二种：2*50%B—MCR的小汽轮机带动；1*50%B—MCR电动调速给水泵作为备用（我公司采用第二种）。

汽封系统：自密封系统（SSR） 末级动叶片高度：851mm

末级动叶片环形排汽面积：2*6.69m2 汽轮机本体外形尺寸（长*宽*高）：

18055mm*7464mm*6634mm(高度指从连通管吊环最高点到运行平台距离) 主机重量：

~630t（包括高、中压阀门及其支吊架，高、中压主汽管和主汽管支吊架及基架等） 最大吊装重量

~125t（安装时，低压外缸下半组合） ~62.5t（检修时，低压转子包括起吊工具） 最大起吊高度

≈9.68m（吊装低压外缸时）

运行平台高度：12.6m

汽轮机与凝汽器连接方式：弹性

汽轮机布置方式；左手布置（从电气侧（A列柱）向锅炉侧（B列柱）看去，汽轮机机头位于左手侧）

2．技术经济指标及保证条件 符合下列条件时可发额定功率：

新蒸汽压力：16.7±0.49MPa 新蒸汽和再热蒸汽温度：537±5℃ 冷却水温不超过33℃，冷却水流量不小于额定值 加热器按规定投入

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汽轮机在额定工况下，计算热耗为： 7891KJ/KW.h(1884.7kcal/kw.h)

保证热耗以各工程《热力特性书》提供的数据为准。 达到这一保证的必要条件是： 新蒸汽和再热蒸汽参数为额定值： 背压不高于额定值； 按规定的回热系统运行； 主给水流量等于主蒸汽流量；

发电机效率不低于98.8%;发电机功率因数0.85.

如果机组投运后未及时进行热力鉴定试验，应按IEC 953—2国际电工委员会参考资料进行老化折扣；汽轮机效率老化折扣如下：

3~12个月，每月0.07%; 13~24个月，每月0.042%.

热力鉴定试验的方法、测试仪表精度、测试数据的误差修正、实测热耗的计算方法应符合GB117—87《电站汽轮机热力性能验收试验规程》的规定，经过误差修正的热耗试验值相对于保证热耗的允许偏差为+1%。

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第一章 汽轮机工作原理

第一节 汽轮机的基本工作原理和类型

汽轮机是一种以具有一定温度和压力的水蒸汽为工质，将热能转变为机械能的回转式原动机。它在工作时先把蒸汽的热能转变为动能，然后再将蒸汽的动能转变为机械能。 一、冲动作用原理和反动作用原理 冲动作用原理：当运行物体碰到另一个静止的或速度较低的物体时，就会受到阻碍而改变其速度和方向，同时给阻碍它运行的物体一个作用力，通常称这种作用力为冲动力，如右图所示。蒸汽在喷嘴1上发生膨胀，压力降低，速度增加，蒸汽的热能转换为动能，高速汽流冲击台面上的木块3，这时蒸汽的速度发生改变，就会有一个冲动力作用于木块，使其向前运动，这种作功的原理，称为冲动作用原理。 反动作用原理：由牛顿第三定律可知，一物体对另一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、方向相反的作用力。例如火箭就是利用燃料燃烧时产生大量高压气体从尾部高速喷出，对火箭产生的反作用力使其高速飞行的，这个反作用力就是反动力。可见，反动力的产生与冲动力产生的原因不同，反动力是由原来静止或运动速度较小的物体，在离开或通过另一物体时，骤然获得的一个较大的速度增加而产生的。在反动式汽轮机中蒸汽在喷嘴中产生膨胀压力降低速度增加，汽流进入动叶后，一方面由于速度方向的改变而产生冲动力，另一方面蒸汽同时在动叶中继续膨胀，压力降低，汽流加速产生一个反动力，动叶则在这两种力的合力作用下将蒸汽动能转换成旋转的机械能，这种利用反动力作功的原理，称为反动作用原理。

在汽轮机中蒸汽的动能到机械能的转变都是通过上述两种不同作用原理来实现的。通常我们将利用冲动原理作功的汽轮机称为冲动式汽轮机，将利用反动原理作功的汽轮机称为反动式汽轮机。 二、汽轮机的基本工作原理

最简单的汽轮机如右图所示，它由喷嘴、动叶片、叶轮和轴等基本部件组成。从图可见，当有一定压力和温度的蒸汽通过喷嘴膨胀加速时，

123F冲 冲动力作用原理3-木块2-蒸汽1-喷嘴８６

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蒸汽的压力温度降低，速度增加，使热能转变为动能。然后，有较高速度的蒸汽由喷嘴流出，进入动叶通道，在弯曲的动叶通道内，改变汽流方向，给动叶片以冲动力，如右图所示，产生了动叶旋转动力矩，带动主轴旋转，输出机械功，即在动叶中蒸汽推动叶片旋转做功，完成动能到机械能的转换。

由上述可知，汽轮机在工作时，首先在喷嘴叶栅中蒸汽的热能转变为动能，然后在动叶栅中蒸汽的动能转变为机械能，喷嘴叶栅和与它相配合的动叶片完成了能量转换的全过程，于是便构成了汽轮机的基本工作单元——级。 三、汽轮机的分类

汽轮机的类型很多，在实际运用当中，常按下列方法对汽轮机进行分类。

１、按工作原理分类

１）冲动式汽轮机：按冲动作功原理工作的汽轮机称为冲动式汽轮机。它在工作时，蒸汽的膨胀主要在喷嘴中进行，少部分在动叶片中膨胀。

２）反动式汽轮机：按反动作功原理工作的汽轮机称为反动式汽轮机。它在工作时，蒸汽的膨胀在喷嘴及动叶片中各进行大约一半。

３）冲动反动联合式汽轮机：由冲动级和反动级组合而成的汽轮机称为冲动反动联合式汽轮机。

２、按热力过程分类

１）凝汽式汽轮机：进入汽轮机作功的蒸汽，除少量的漏气外，全部或大部分排入凝汽器的汽轮机。蒸汽全部排入凝汽器的汽轮机又称纯凝汽式汽轮机；采用回热加热系统，除部分抽气外，大部分蒸汽排入凝汽器的汽轮机，称为凝汽式汽轮机

２）背压式汽轮机：蒸汽在汽轮机作功后，以高于大气压的压力排出，供工业或采暖使用。这种汽轮机称为背压式汽轮机。若排汽供给中低压汽轮机使用时，又称为前置式汽轮机。

３）调整抽汽式汽轮机：将部分作过功的蒸汽在一种或两种压力下抽出，供工业或采暖用汽，其余蒸汽仍排至凝汽器，这类汽轮机叫调整抽汽式汽轮机。调整抽汽式汽轮机和背压式汽轮机统称为供热式汽轮机。

４）中间再热式汽轮机：将在汽轮机高压缸部分作过功的蒸汽，引至锅炉再热器再次加热到一定温度，然后再重新返回汽轮机的中低压缸部分继续做功，这类汽轮机叫中间再热式汽轮

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机。再热次数可以是一次，两次或多次，但一般采用一次中间再热。

３、按蒸汽初参数分类

１）低压汽轮机：新蒸汽压力为1.176～1.47MPa; ２）中压汽轮机：新蒸汽压力为1.96～3.92 MPa; ３）高压汽轮机：新蒸汽压力为5.88～9.8 MPa; ４）超高压汽轮机：新蒸汽压力为11.76～13.72 MPa; ５）亚临界压力汽轮机：新蒸汽压力为15.68～17.64 MPa; ６）超临界压力汽轮机：新蒸汽压力大于22.06 MPa。 ４、按蒸汽流动方向分类

１）轴流式汽轮机：蒸汽流动整体方向大致与轴平行； ２）辐流式汽轮机：蒸汽流动整体方向大致与轴垂直； ３）周流式汽轮机：蒸汽大致沿叶轮轮周方向流动。

此外，还有一些分类方法，例如按汽缸的数目分为单缸、双缸和多缸汽轮机，按汽轮机的转轴数目分为单轴、双轴汽轮机等。 四、汽轮机的型号

表示汽轮机基本特征的符号叫汽轮机的型号。我国目前采用汉语拼音和数字来表示汽轮机的型号，其表示方法由三段组成：

Χ ΧΧ－ΧΧΧ／ΧΧΧ／ΧΧΧ－Χ 第一段 第二段 第三段

第一段表示汽轮机型式（见表）及额定功率（MW），第二段表示蒸汽参数（见表），第三段表示改型序号。

汽轮机型号表示其型式的代号

我国汽轮机新型号中型式代号 汽轮机型式 第一个拼音字母 凝汽式 一次调整抽汽式 二次调整抽汽式 背压式 调整抽汽背压式 N C CC B CB ８８

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我国汽轮机新型号中蒸汽参数的表示方法 汽轮机型式 凝汽式 中间再热式 一次调整抽汽式 二次调整抽汽式 背压式 进汽压力／进汽温度 进汽压力／进汽温度／中间再热温度 进汽压力／调整抽汽压力 进汽压力／高压调整抽汽压力／低压调整抽汽压力 进汽压力／排汽压力 蒸汽参数表示方法 下面举例说明我厂机组型号：“ DN300-16.7/537/537－8型”表示东方汽轮机厂设计制造的凝汽式汽轮机，额定功率为300MW，主蒸汽压力为16.7MPa，主、再蒸汽温度为537℃，属于东汽厂第八代产品。

第二节 汽轮机级的工作原理 一、级的反动度与级的类型 在汽轮机中，一列喷嘴和其后的动叶栅，组成了将热能转换为机械能的汽轮机的基本作功单元，通常称这个做功单元为汽轮机的级。由一个级构成的汽轮机称为单级汽轮机，由若干个级构成的汽轮机称为多级汽轮机。 蒸汽流经级做功时，有的级中蒸汽仅在喷嘴中膨胀，有的级中蒸汽不仅在喷嘴中膨胀，而且在动叶中膨胀，在实际应用中，常依据蒸汽在动叶中是否发生膨胀及膨胀程度的大小，来区分级的类型。 右图表示没有损失时，蒸汽在喷嘴和动叶中都发生膨胀的理想热力过程，蒸汽在喷嘴中的理想焓降为0sh２c０２0*p０p０*0Δhｔ*１ΔhｔΔhｔp１1t2tp２＇ｔΔh２'?h1t，在动叶中的理想焓降为?h2t，级的理想焓降 级的理想热力过程为?ht。 '?ht=?h1t+?h2t 假想汽流被等熵地滞止到初速为零的状态时，蒸汽在级内等熵膨胀所具有的焓降称为级的滞止理想焓降，即?ht。蒸汽在动叶中的理想焓降与级的理想滞止焓降之比称为级的反动度，

*８９

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以?表示，

??'?h2t?ht*

按照反动度的不同，汽轮机的级可分为：

1) 纯冲动级。当级的反动度?=0时，称为纯冲动级。级内能量转换特点是，蒸汽只在喷嘴中发生膨胀，在动叶中不发生膨胀，只改变速度和方向。动叶的进出口截面接近相等。

２）反动级。级的反动度?=0.5左右时，称为反动级，级内能量转换特点是，蒸汽在喷嘴、动叶中的膨胀程度接近相等,p1?p2。反动级的结构特点是，喷嘴与动叶的形状相似，流道均为收缩型。这种级多用于反动式汽轮机及冲动式汽轮机的最末几级。

３）带有反动度的冲动级，级的反动度?=0.15左右，简称冲动级。级内能量转换特点是，蒸汽在动叶中有一定的膨胀，但小于在喷嘴中的膨胀量，蒸汽对动叶的作用力以冲动力为主，

|因此有p1?p2，?h2t?0。喷嘴和动叶的结构介于纯冲动级和反动级之间。这种级在冲动式汽轮

机中应用较广，一般在高压端的级反动度较小，低压端的级反动度较大。 二、蒸汽在喷嘴中的流动

1. 蒸汽在喷嘴中的膨胀过程 （1）滞止状态与滞止参数

在汽轮机的多数级（除调节级和末级）中，喷嘴入口的初速度是不可忽略的（c0?0）,为了便于分析计算，引入滞止状态与滞止参数的概念。所谓滞止状态就是假想汽流被等熵滞止到初速度等于零的状态。滞止状态点计为“0”点，此状态下的参数被称为滞止参数。与喷嘴入口实际状态参数P0、t0、h0相应的滞止参数为p、t、h,由已h**0*0*0p*0*t*知的P0、t0、h0便可求得滞止状态焓， 2c0即 h?h0? 2*02c0在h?s图上，从初状态点“0”向上等熵截取数值，2h*hcpht**即得到“0*”点，进而由0*查出p0数值，见右图。 、t0（2）蒸汽在喷嘴中的膨胀过程 蒸汽滞止状态和滞止参数９０ 甘电投张掖发电有限责任公司 2×300MW汽机专业培训教材

蒸汽流经喷嘴时，压力逐渐降低，流速逐渐升高，将蒸汽的热能逐渐转化成动能。蒸汽在喷嘴中膨胀的热力过程如右图所示。 0点是喷嘴前蒸汽状态点，0点是滞止状态点。蒸汽初压力p0,初焓h0，以c0的初速度进入喷嘴膨胀至P1压力。如果不考虑损失，膨胀沿等熵线0-1t进行，喷嘴出口理想状态点为1t点，对应比焓值为h1t,喷嘴的滞止理想比焓降为?h1?t。若考虑损失，膨胀沿0-1线进行。1点在h-s图上的准确位置，取决与喷嘴蒸汽在喷嘴中膨胀的热力过程线*hhh*△h0*p*pt△ht△ht*△hp1*△hs损失?hn的大小。

2. 蒸汽在喷嘴中的流动速度 １）喷嘴出口的理想速度

在已知喷嘴入口参数和出口压力时，对喷嘴进行计算。因喷嘴是不动的，因而蒸汽流经喷嘴时不对外作功，又因蒸汽在喷嘴中没有损失的流动为等熵过程，则喷嘴进出口处的能量方程为

2c0c12th0??h1t?

22由此知喷嘴出口的理想速度为

c1t?2**2(h0?h1t)?c0?1.414h0?h1t?1.414?h1t

动量方程的形式为

k?1??2k????p1?k??p0v01?? ?????k?1?p0?????c1t? ?k?1?2k???k? p0v0?1??n??k?1??计算时，蒸汽的比焓值在h-s图上查取，?n为喷嘴压力比，即?n?p1。 ?p0９１

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随着蒸汽在喷嘴中膨胀，蒸汽的流速不断增加，但压力、温度等参数逐渐降低。因此，会出现蒸汽流速与当地音速相等的临界状态，处于临界状态时的喷嘴压力比为临界压力比。

?c?pc?2?????p0?k?1?kk?1

由上式可以看出，?c的大小仅与蒸汽性质有关。由于水蒸气不是理想气体，其绝热指数k不是常数，而由试验确定。对过热蒸汽，k＝1.3，则?c?0.546；对于饱和蒸汽，k＝1.135，则

?c?0.577；对湿蒸汽k?1.035?0.1x(x为蒸汽干度)，则?c由上式计算。

2． 喷嘴出口实际速度

蒸汽在喷嘴中流动产生摩擦、涡流等损失，喷嘴出口的实际汽流速度c1要比理想速度clt小，损失的这部分动能转换成了热能，并重新被蒸汽所吸收，所以出口比焓值提高。一般用喷嘴的速度系数?来考虑这个损失。这样喷嘴出口的实际速度为：

*c1???c1t???1.414h0?h1?1.414??h1*t

喷嘴中流动的能量损失(简称喷嘴损失)，可以表示为

?Δhn ＝ c1t／2－c 1／2＝（１－φ）?h1t

２

２

２

由此推出

?n??hn?1??2 ??h1t式中 ?hn、?n——分别为喷嘴损失及喷嘴能量损失系数。

?值的大小一般由试验来确定，在喷嘴宽度Bn一定的条件下，?随ln的增高而增加，当ln小于10～12mm时，?值急剧下降。故设计时，要求ln不小于10～12mm为宜；在满足强度要求条件下，尽量选择窄喷嘴，以减小损失。?的大小除与喷嘴高度和宽度密切相关外，还与汽道形状、喷嘴表面粗糙度，流动速度等诸多因素有关。?值一般在0.95～0.98左右，为了计算方便，可取?＝0.97，把与ln有关的损失另用经验公式计算。

３．喷嘴的流量

当不考虑流动损失时，由连续性方程式可导出喷嘴理想流量的计算式如下：

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Gnt?Anc1t v1t式中 c1t——喷嘴出口处的理想速度，m/s

v1t——喷嘴出口处理想比容，m3／kg A1——喷嘴出口处的截面积，m2

实际流动中，由于存在流动损失，不仅使喷嘴出口的汽流实际速度降低，也使通过喷嘴的实际流量Gn1小于理想流量Gnlt，喷嘴实际流量的计算式如下： Gn?Anc1 v1式中 c1——喷嘴出口处的实际速度，m/s

v1——喷嘴出口处实际比容，m3／kg A1——喷嘴出口处的截面积，m2

通常用流量系数μ理想流量之比，即

n

来表示实际流量比理想流量减小的程度，它等于通过喷嘴的实际流量与

Anc1 μn=Gn1/Gnlt=

v1v1tAnc1t=

vc1v1t=?1t c1tv1v1由上式可以看出，μ

n

值不仅与?有关，还与流动损失时的比体积变化有关，即与蒸汽状态

有关。一般情况下，蒸汽在过热区膨胀时，流动损失转换成热能加热了蒸汽，使v1＞v1t，即

v1tv1＜1，而?＜1，故流量系数μn＜1，且过热区流动损失引起的比体积变化较小，所以μn基本不变。而在湿蒸汽区膨胀时，由于蒸汽流过喷嘴时间极短，一部分蒸汽来不及凝结，使大部分蒸汽未吸收这部分汽化潜热而出现过饱和现象，其实际比体积v1反而小于理想比体积v1t，即

v1t＞v11，因而可能出现μn＞1的情况。由于影响流量系数的关系较复杂，很难用理论计算准确确定，故流量系数往往采用经验公式求得。

即Gn1=0.648An

P0?V0? 可见，实际流量的大小仍取决于滞止参数。

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3． 蒸汽在渐缩斜切喷嘴中的膨胀

下图由于汽轮机结构方面的要求，喷嘴的出口部分都做成斜切形，这种喷嘴称为斜切喷嘴，见下图。

0p0pc0p0tnc1g1p1p1dc1g1p1dδδp1c1tc1t蒸汽在斜切喷嘴中的膨胀 斜切部分几何尺寸：（b） 斜切部分压力分布图中，?1g

为喷嘴出口结构角，即喷嘴出口的中心线与动叶运动方向间的夹角。?1为喷嘴

出口射汽角，即喷嘴出口汽流速度方向与动叶运动方向间的夹角。?为汽流偏转角，tn为叶片节距。

1）渐缩斜切喷嘴的膨胀特点

当喷嘴压力比大于临界压力比时，其膨胀过程只在渐缩部分发生，斜切部分只起导流作用；当喷嘴的压力比小于临界压力比时（?n??c）,最小截面ab上的汽流保持临界压力，流速为临界流速。由于p1?pc,故在斜切部分蒸汽将继续膨胀，流速增加，达到超音速，同时汽流发生偏转。

2）汽流偏转原因

渐缩斜切喷嘴只相当于一个不完整的缩放喷嘴，蒸汽在斜切部分膨胀时，最小截面上的压力为pc,而出口截面上的压力为

p1。a点之和因无喷嘴壁面，其压力由pc骤降至p1，之后保持

p1压力流动，而bc侧汽流压力从pc逐渐降至p1，两侧压力分布见图（b）。由于两侧压力分布

不均，汽流偏转?。膨胀程度越大，偏转角越大。

3) 汽流偏转角计算

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若将蒸汽在斜切部分的流动看成一元流动，且忽略汽流的偏转现象，则汽流偏转角可用下式计算

sin?1?sin(?1g??)?4) 斜切部分的膨胀极限

由上述分析可知，对于渐缩斜切喷嘴，只要p1?pc，蒸汽就将在斜切部分膨胀，汽流发生偏转；若进一步降低p1，蒸汽在斜切部分也进一步膨胀，速度进一步增加，偏转角也进一步增大。但蒸汽在斜切部分的膨胀不是无限度的，当喷嘴斜切部分利用完毕时，再降低p1将在喷嘴外发生膨胀，造成能量损失。

渐缩斜切喷嘴所能膨胀到的最低压力为极限压力p1l,对应的压力比为极限压力比?nl。因此，只有当?n??nl时，采用渐缩斜切喷嘴才合理。

极限压力比可由下式求得

ccv1tsin?1g c1tvct?nl?2????k?1??kk?1?sin??1g2kk?1

由上式可知，极限压力比?nl与喷嘴出口角?1g有关。?1g越小，?nl就越小，一般

?1g＝10～20°。斜切喷嘴中能够膨胀到低于临界压力，获得超音速汽流，因而扩大了它的应用

范围。特别是它具有制造工艺比缩放喷嘴简单，和在变工况时它比缩放喷嘴工作稳定的优点，因此在实际应用中尽可能用渐缩斜切喷嘴代替缩放喷嘴，只有在特殊情况下（?n?0.3）时，才不得已采用缩放喷嘴。 三．蒸汽在动叶中的流动

动叶片可看作为旋转的喷嘴，因为动叶在运动之中，所以讨论时应采用相对运动速度。

1．级的热力过程

蒸汽在级中的理想膨胀过程为等熵过程。由于蒸汽在级中的流动是具有损失的，故其实际膨胀过程并不是等熵的，而是有熵增的实际过程（s1?s1t，s2?s2t）。

h'2t'△hhh*0*c2/2△hp*t*p*1*p12w/21p1△h*p2△h*△h△h2△h's级的热力过程９５

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不同的级，其热力过程也不同，上图给出了一个一般级的热力过程。

图中0、0、1分别为级的入口状态点、级的入口滞止状态点和动叶入口滞止状态点；2t、1t、2t分别为级的出口理想状态点、喷嘴出口理想状态点和动叶出口理想状态点；1、2分别为喷嘴出口和动叶出口的实际状态点；?ht、?ht?分别为级的理想比焓降和理想滞止比焓降；

??|?h1t、?h2t分别为喷嘴和动叶的理想比焓降；?hn、?hb分别为喷嘴和动叶损失。

2．动叶进出口速度三角形

从喷嘴出来的高速汽流，进入动叶，推动叶轮旋转，所以动叶栅有一个切向速度，即圆周速度u。可用下式计算

u?式中 db——动叶的平均直径，mm n——汽轮机的转速，r/min。

由于动叶栅是以圆周速度在转动，所以动叶栅进口蒸汽速度不是喷嘴出口速度，而是相对动叶栅速度w1。

由力学可知，进入动叶栅的相对速度w1应为绝对速度c1与圆周速度u的向量差，即： w1?c1?u1 式中 c1——喷嘴出口绝对速度，m/s

?dbn60

u1——圆周速度，m/s。 如下图所示，c 、w和u之间关系的三角形叫速度三角形。 c1zα1β1c1w1c2β2α2w2c2z运用速度三角形，可在已知喷嘴出口速度大小和方向（c1和a1）、圆周速度的大小和方向（叶轮旋转方向），利用上图的入口三角形，求出入口相对速速的大小和方向，即

uuc+c1u2uw+w2u1u 动叶进出口三角形w1?c12?u2?2c1ucosa1 ９６

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?1?arcsinc1sina1?arctgc1sina1

c1cosa1?u?1在动叶出口速度三角形中，已知u，用能量方程式求出w2的值

w12 w2??2?h2t?w?1.414??h2t?221 再根据反动度的大小，选出汽角?2。一般?不大时，?2??2g??1g?(3?~5?)。反动度越大，?2g 越小，故?2也越小。当?＝0.5时，?2??2g?a1g。 利用动叶出口速度三角形图，可求出出口绝对速度的大小和方向，即

2c2?w2?u2?2w2ucos?2

a2?arctgw2sin?2

w2cos?2?u根据公式a2?arctgw2sin?2分析，当分母为正值时，?2取锐角，而为负值时，?2取

w2cos?2?u2c2钝角。?hc2?称为本级的余速损失。

2?为动叶速度系数。为了蒸汽流动顺利、无撞击，一般是动叶结构角与汽流角相等，即

同时为了充分利用余速、设计时尽量要使a2为90°。考虑使用的方便，通?1＝?1g，?2??2g。常将动叶进出口速度三角形绘在一起。

3． 蒸汽在动叶中的流动损失

与喷嘴类似，动叶中实际流动过程也存在损失，使得w2?w2t,出口实际比焓值增加。引入动叶速度系数?＝w2,来反映流动损失的大小，?值越小，说明损失越大。 w2t动叶速度系数?，一般由试验确定，通常取?＝0.85~0.95，它与叶型、叶高、反动度及叶片表面粗造程度有关，叶高及反动度对其影响尤其大。通常随着叶高的增加，速度系数增大，流动损失减小；在动叶片出口理想相对速度w2t一定时，通常随着反动度的增加，速度系数增大，流动损失减小。

四 、级的轮轴功率与轮周效率

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甘电投张掖发电有限责任公司 2×300MW汽机专业培训教材 1． 蒸汽作用在动叶片上的力 在动叶片施加给汽流的力F和流道进出口压差（p1?p2）共同作用下，汽流在动叶弯曲流道内转向并加速。根据牛顿第三定律，汽流对动叶片的作用力F与F是一对大小相等、方向相反的力，如右图： 假设在时间?内，有质量为m的蒸汽流||umc1p1FuFuFzp2a2c2mFa1z动叶中蒸汽流动汽流图经动叶，其速度由c1变成c2(方向角分别为a1和a2)。由于流动中蒸汽的动量发生改变，说明蒸汽受到了力的作用。根据动量定律，蒸汽动量的改变等于动叶对汽流的作用冲量。

由于蒸汽的流动方向与动叶的运动方向成一角度，因此蒸汽对动叶的作用力可以分解成沿动叶运动方向的圆周力Fu和与动叶运动方向垂直的轴向力Fz。圆周力推动叶轮旋转做功，轴向力使转子产生轴向位移。对于一个具有反动度的冲动式汽轮机动叶栅，它不仅受到蒸汽冲动力的作用，而且受到蒸汽在动叶片内膨胀加速所产生的反动力的作用，这两个力的合力F作用于动叶片上使叶轮旋转。

依据做功原理，Fz与运动方向相垂直，因而Fz不做功，只引起轴向推力；而周向力Fu与运动方向相同，是真正做功的力。

为了分析方便，以图示坐标方向为正方向，蒸汽在圆周速度方向的动量改变量

m??c1cosa1?c2cosa2?应等于圆周方向的冲量Fu|?,即

Fu|?＝m??c1cosa1?c2cosa2?

Fu|??m?(c1cosa1?c2cosa2)??G(c1cosa1?c2cosa2)

G?m?

式中：G为质量流量，kg/s。

则由牛顿第三定律知动叶所受的周向力Fu为

Fu??Fu|?G(c1cosa1?c2cosa2),N

轴向力Fz

同理，蒸汽在轴向的动量改变量应等于轴向的作用冲量，即

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?F|z?Ab?p1?p2???m?c2sina2?c1sina1?

m?Fz|????c1sina1?c2sina2??Ab?p1?p2?

故 Fz??Fz|?G?c1sina1?c2sina2??Ab?p1?p2?,N 式中：Ab为动叶流道轴向面积。 2．轮周功率

周向力Fu在动叶片上每秒钟所做的功叫级的轮周功率Pu，它等于周向力Fu与圆周速度之乘积

Pu= Fuu＝Gu(c1cosa1?c2cosa2),W

单位蒸汽（1kg）所做的功为轮轴功，用W表示

W?Pu?u(c1cosa1?c2cosa2),J/kg G由速度三角形的边角关系及余弦定理，上两式也可表示为

Pu= Gu(w1cos?1?w2cos?2)?W=u(w1cos?1?w2cos?2)?G222c1?c2?w2?w12,W 2??????1222c1?c2?w2?w12,J/kg 2??????通常W也被看成是级的做功能力，它与?1和?2有关。多数情况下，冲动级比反动级的转折较大，即（?1＋?2）相对较小，所以在不考虑其它因素时，冲动级就比反动级做功能力强。

3．轮周效率

人们把单位重量的蒸汽通过汽轮机某级所做轮周功w与其在该级的理想能量E0之比称为轮周效率，用?u表示

ηu＝

W E0轮周效率的大小直接反映了蒸汽在级中热能转换为机械能的程度。

E0??0?hc0??ht??2?hc2??ht???2?hc2

式中：?0、?2——分别为本级利用上级余速和本级余速被下级利用的系数。

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从级的理想能量E0中扣除喷嘴、动叶、余速损失后，剩下的能量即转换成轮周功。所以轮周功W用能量形式可以表示为

W?E0??hn??hb?(1??2)?hc2

代入式ηu＝

W，则有 E0?u?E0??hn??hb??1??2??hc2?1??n??b?(1??2)?c2

E0?n?式中

?hn?h?h,?b?b,?c2?c2 E0E0E0?n、?b、?c2——分别为喷嘴、动叶、及余速能量损失系数。

当本级余速损失不被下级利用时（?2＝0），E0=?ht?,则轮周效率的表达式为

?ht???hn??hb??hc2?u??1??n??b??c2 ??ht 减少各项损失，可以提高轮周效率，在多级汽轮机中，当各级叶型确定以后，主要靠余速利用程度的提高来提高轮周效率。反动式汽轮机效率较高的一个主要原因，就是级与级之间间隙较小，级间的余速可以充分得到利用。 五、最佳速比

叶轮圆周速度u与喷嘴出口汽流绝对速度c1之比称作速比，用符号x1表示，即 x1?uc1

速比对轮周效率有很大影响，对于每一级均有一个最佳x1使轮周效率?u最高。人们把轮周

imim效率?u最高的速比称作最佳速比x1通过推导可以得出：纯冲动级的最佳速比x1OP，OP＝0.5cos

α1；反动级的最佳速比x1op＝cosα1。

α1为喷嘴的安装位置角，即喷嘴出口蒸汽绝对速度的方向角。

若纯冲动级和反动级的平均直径相同，且均在最佳速比下工作，则它们的理想焓降之比为2: 1，即纯冲动级为反动级的２倍。也就是说，纯冲动级可耗用较大的焓降，做功能力大，常被作为调节级用；而反动级耗用焓降小，做功能力小，因而反动式汽轮机级数较多。

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六、级内损失

在级的能量转换过程中，凡是直接影响蒸汽状态的各种损失，称为级内损失。级内损失包括：喷嘴损失、动叶损失、余速损失、扇形损失、鼓风磨擦损失、湿汽损失及漏汽损失等。

以上各项损失并不一定在一级中同时存在。对全周进汽的级没有鼓风损失，在非湿蒸汽区工作的级没有湿汽损失，反动式汽轮机的级和冲动式汽轮机的低压级中，几乎没有鼓风摩擦损失，采用扭曲叶片的级没有扇形损失等。

1. 喷嘴损失?hn

蒸汽在喷嘴中流动时产生摩擦，涡流等损失，蒸汽损失的这部分动能转换成热能，并重新被蒸汽吸收，从而出口焓值升高，也就是说蒸汽在喷嘴中的实际焓降小于理想焓降?h1t。

2. 动叶损失?hb

蒸汽在动叶中流动同样会产生摩擦，涡流等损失，从而使动叶出口焓值升高，即蒸汽在动叶中的焓降小于理想焓降?h2t。

3. 余速损失Δhc2

因蒸汽离开动叶后仍具有一定的速度所引起的损失，这个损失叫余速损失。

４．扇形损失?h?

叶栅的相对节距沿径向不断增大造成附加流动损失。另外级间间隙中有径向压力梯度，产生径向流动损失。这是产生扇形损失的两个根本原因。

扇形损失的计算一般采用半经验公式

?h????E0

???0.7???lb?db??? ?，叶片??db/lb称为径高比。?越小，??越大，损失越多。一般??8~12时（短叶片）多为等截面直叶片，各参数沿径向变化较小，所以扇形损失可忽略不计；而??8~12(长叶片)，参数沿叶高变化较大，扇形损失明显增加。为了提高长叶片的做功效率，多将叶片加工成扭叶片，以保持良好的气动特性，当然这样做也给加工带来了困难，故应通过技术经济比较后确定。

5. 摩擦鼓风损失?hvf

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1) 摩擦损失

叶轮的两侧面和围带的表面并不是绝对光滑，而且实际做功蒸汽具有粘性，会附着在这些地方，当叶轮旋转时，自然造成速度分布的不均匀。蒸汽质点与隔板或汽缸之间以及质点与质点之间会因摩擦造成能量损失；另外，靠近叶轮侧质点，受离心力作用而产生径向流动，促使隔板或汽缸质点向中心填补，形成叶轮两侧的蒸汽涡流，这种涡流运动使摩擦阻力增加，本身也要消耗轴功。

为了减少这项损失，设计时，冲动式汽轮机应尽量减少叶轮与隔板间腔室的容积，即减少叶轮与隔板间的轴向间隙；降低叶轮表面粗造度。反动式汽轮机取消叶轮，采用鼓形转子，这样摩擦损失就可以忽略不计。

级的平均直径、圆周速度及蒸汽的比体积直接影响摩擦损失的大小。在低负荷特别是空负荷运行时，摩擦损失产生的热量将引起排汽温度升高，影响机组的安全运行，运行时应注意监视。对已投入运行的汽轮机来说，由于摩擦损失与Gv成反比，所以高压各级远比低压各级摩擦损失大的多。

2) 鼓风损失

在部分进汽的级中，装有喷嘴的弧段称为工作弧段，未装喷嘴的弧段称为非工作弧段，动叶片交替旋转在工作段和非工作段，在叶片由工作段进入非工作段时，轴向间隙中停滞的蒸汽就从动叶一侧鼓到另一侧，动叶就像风机叶片一样消耗轴功，这种损失称为鼓风损失。

鼓风损失与部分进汽度e（装有喷嘴的弧长与圆周长之比）有关，部分进汽度越大，则该项损失就越小，当e=1时，则该项损失就为零。因此可以考虑用加大部分进汽度来减少鼓风损失，因此部分进汽度应选择适中，使这三项损失的总和为最小。实践证明，在不装喷嘴的弧段采用护罩装置可以大幅度的减少鼓风损失。

此外，由于部分进汽还会在进汽弧段的两端产生斥汽损失，但因其数值较小，可以忽略不计。

鼓风损失和摩擦损失通常合并在一起，用下面经验公式计算

1.5?Pvf??Ad2?B?1?e?0.5ek?dlb???u?1?? 100??v3式中 ?Pvf——鼓风摩擦消耗的功率，KW；

?——与蒸汽状态有关的参数，过热蒸汽?＝1.0，饱和蒸汽?＝1.2～1.3；

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''节级喷嘴前的进汽状态点为A0，从A0开始画调节级包括所有级内损失的热力过程，从调节级的

出口状态点（即第二级的进口状态点）画出第二级的热力过程，然后依次画出各级热力过程。图中A1'表示末级动叶出口蒸汽状态点，A1为排汽管末端的蒸汽状态点，?Hi为汽轮机的有效焓降。显然多级汽轮机的有效焓降?Hi等于各级有效焓降之和。 四、多级汽轮机的重热现象

蒸汽在汽轮机级内进行能量转换过程中，由于级内各项损失的存在，这些损失转换成热量，并重新被蒸汽吸收，使得级后蒸汽焓值增大，这将使下一级的理想比焓降较没有损失时增大。也就是说在多级汽轮机中前面级的损失可以在后面级中部分得以利用，从而使汽轮机各级理想比焓降之和大于汽轮机的理想焓降，这种现象叫做汽轮机的重热现象。

前面级的损失能被后面级回收的量为??ht??Ht。

??式中： ?为重热系数。 则

??ht??Ht

?Ht??ht??Ht(1?a)

假定汽轮机各级的平均效率为ηim=

??h??hi?t?hi

??httim

即 ?Hi?整台汽轮机的效率为 ηi=

??h??Hi??Ht??h?tim?Ht??H（t1?a）?im?（1?a）?im ?Ht因为汽轮机中总是有损失的，所以a＞0。

由此我们可以得出以下结论：由于重热现象的存在，使得整台机组的效率高于各级的平均效率。但值得注意：并不能说a约大，汽轮机的效率约高。因为?的增大是由于各级损失的增加，使各级的平均效率下降而造成的，而重热只能回收损失的部分能量。因此，重热系数越大，汽轮机各级的平均效率越低，汽轮机的效率也越低。 五、多级汽轮机的余速利用

在多级汽轮机中，除调节级和末级外，上一级的余速动能可以全部或部分的被下一级所利用，从而提高了汽轮机的效率。这一点从多级汽轮机的热力过程图上可以看出，如下图：在相

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2c0|同的进汽参数和排汽压力下，当各级的余速动能都不被利用时，第一级的余速动能用线段dc2表示，第一级的实际排汽点为d点，abcd为第一级的热力过程（为简化问题，图中未表出喷嘴的实际过程）。以后各级依次类推，汽轮机末级排汽状态点为e点，整级有效比焓降为?hi。当各级余速全被利用时，第二级的进汽状态点为c点，进汽滞止状态点为d点，以后各级依次类推，则末级排汽状态点为e||adptdcbc?Hi?Hi?Hi?Hi?Hthepsec2e?Hi余速利用对汽轮机热力过程的影响点（末级余速余速不能被利用），此时整机的有效比焓降为?hi|,显然，余速利用后汽轮机的有效比焓降?hi|高于余速没有被利用时的有效比焓降?hi。即余速利用提高了汽轮机的相对内效率。 六、多级汽轮机的轴向推力及其平衡

（一）多级汽轮机的轴向推力

蒸汽在汽轮机级内流动时，除了产生推动叶轮旋转做功的周向力外，还产生与轴线平行的轴向推力，其方向与汽流在汽轮机内的流动方向相同。多级汽轮机的轴向推力即为各级轴向推力之和。每一级的轴向推力通常包括蒸汽作用在动叶栅上的轴向力、叶轮轮面上的轴向力和汽封凸肩上的轴向力三部分。

1. 作用在动叶栅上的轴向力 蒸汽作用在动叶栅上的轴向力为

Fz1?G?c1sina1?c2sina2???dblbe?p1?p2?

上式第一项为蒸汽流经动叶时，由于轴向分速度的变化所引起的轴向推力，其值一般很小，可以忽略不计。第二项为动叶前后由于存在压力差所引起的轴向力，对反动度不大的冲动级，在级的进口初速度不大时，可近似认为

p1?p2??p1?p2

因此作用在动叶栅上的轴向力可近似写成

??１０９

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Fz1??dblbe??p0?p2?

由此可知，作用在动叶栅上的轴向力与该级的反动度成正比。 2. 作用在叶轮轮面上的轴向力

在多级汽轮机中，当叶轮前后存在压力差时，作用在叶轮上的轴向力为

Fz2????d4b?lb??d12pd?2????d4?b2?lb??d2p2

2?式中pd为叶轮前的压力，如果d1?d2,则上式可以写成

Fz2????d4b?lb??d12?pd?p2?

2当叶轮上没有平衡孔，动叶根部与隔板间隙较大时，p1与pd相等；当叶轮上开有平衡孔，而且有足够的面积时，可认为pd与p2相等，此时FZ2=0。显然，平衡孔面积不够或运行中隔板汽封漏汽量增大时，将使FZ2增大，引起轴向推力增大。

3. 作用在汽封凸肩上的轴向力

采用高低齿形式的隔板汽封的机组，则转子汽封也相应做成凸肩结构，由于每个汽封凸肩前后存在压差，因而产生轴向推力FZ3,其值为

FZ3??dbh??p 式中：dp——汽封凸肩的平均直径； h——汽封凸肩高度；

?p——每个汽封齿的前后压差。 因此，每一级的轴向推力为

Fz?Fz1?Fz2?Fz3

每一级的轴向推力相加即为整台汽轮机的轴向推力。不同形式不同容量的汽轮机，其轴向推力的大小不同，冲动式汽轮机的轴向推力为数吨或数十吨，大型反动式汽轮机的轴向推力可达二三百吨。

（二）多级汽轮机轴向推力的平衡

汽轮机中的推力轴承是用来平衡转子轴向推力并确定转子轴向位置的，但是轴向推力过大时，若仅靠推力轴承来平衡，将使推力轴承尺寸过大，结构笨重，并且，运行时轴承摩擦损失

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和润滑冷却的耗油量增大，这不仅降低了汽轮机运行的经济性，也影响了汽轮机运行的安全性。因此，在设计制造汽轮机时，常在结构上采取措施，使大部分轴向推力被平衡，推力轴承只用来承担剩余的轴向推力。通常采取的措施有：

（1）开平衡孔，即在叶轮上开5～7个平衡孔，使叶轮前后的压力差减少，从而减少汽轮机的轴向推力。

（2）采用平衡活塞。即在汽轮机的高压端，加大其轴封套直径，以便在端面上产生平衡活塞的作用。平衡活塞两端环形面积上作用着不同的蒸汽压力（px?p）,在这个压差作用下产生了与汽流流动方向相反的轴向平衡力。

（3）采用相反流动布置，即采用汽缸对置，使不同汽缸中的汽流流动相反，抵消一部分轴向推力。这在大容量机组中得到普遍采用。

第四节 汽轮发电机组的效率和经济指标

一、汽轮发电机组的效率

汽轮发电机组是将蒸汽的热能转换成电能的装置，汽轮发电机组的各种效率表明在蒸汽热ptpepelpi能转换成电能的过程中，各种设备或部件的工作完善程度。

如左图所示：在不考虑任何损失时，蒸汽在汽轮机中的理想比焓降为?Ht,其对应的

汽轮发电机组功率汽轮机功率为理想功率Pt；考

虑了汽轮机的内部损失后，真正转换成机械功的比焓降为汽轮机的有效比焓降?Hi，其对应的功率为内功率Pi；从内功率扣除机械损失后的的功率才是拖动发电机的功率，称之为有效功率

Pe；发电机在将机械能转换成电能的过程中也存在一定的损失，扣除这部分损失后的功率才是

发电机输出的电功率Pel。由此可见Pt?Pi?Pe?Pel。

（一）汽轮机的相对内效率?i

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汽轮机的有效比焓降?Hi（或内功率Pi）与理想比焓降?Ht（或理想功率Pt）之比称为汽轮机的相对内效率?i，即

?i??HiP?i ?HtPt由于汽轮机的相对内效率考虑了蒸汽在汽轮机的所有内部损失，因此它表明了汽轮机内部结构的完善程度，目前大功率汽轮机的相对内效率已达到87％以上。

（二）汽轮机的相对有效效率?e

由于机械损失的存在，消耗了一部分机械功?Pm，故汽轮机拖动发电机的有效功率为Pe Pe?Pi??Pm

汽轮机的有效功率Pi与汽轮机内功率Pi之比为机械效率?m，即

?m?机械效率一般为（96~99）%左右。

Pe Pi汽轮机有效功率与汽轮机理想功率之比称为汽轮机相对有效效率?e，即

?e?Pe Pt或 ?e?PePiPe???i?m PtPtPi（三）汽轮发电机机的相对电效率?el

由于发电机在工作过程中存在机械损耗和电气损耗，所消耗功率为发电机损失?Pg，因此发电机输出的电功率小于汽轮机的有效功率。即

Pel?Pe??Pg

发电机输出的电功率Pel与汽轮机的有效功率Pe之比称为发电机效率?g，即

?g?Pel Pe１１２

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