汽轮机简介

汽轮机简介

一、汽轮机的发展历史

汽轮机是将蒸汽的能量转换为机械功的旋转式动力机械，是蒸汽动力装置的主要设备之

一。汽轮机是一种透平机械（TURBIN），又称蒸汽透平（STEAM TURBIN）。

公元一世纪时，亚历山大的希罗记述了利用蒸汽反作用力而旋转的汽转球，又称为风神轮，这是最早的反动式汽轮机的雏形；1629年意大利的布兰卡提出由一股蒸汽冲击叶片而旋转的转轮。

19世纪末，瑞典拉瓦尔和英国帕森斯分别创制了实用的汽轮机。拉瓦尔于1882年制成了第一台5马力(3.67千瓦)的单级冲动式汽轮机，并解决了有关的喷嘴设计和强度设计问题。单级冲动式汽轮机功率很小，现在已很少采用。

20世纪初，法国拉托和瑞士佐莱分别制造了多级冲动式汽轮机。多级结构为增大汽轮机功率开拓了道路，已被广泛采用，机组功率不断增大。帕森斯在1884年取得英国专利，制成了第一台10马力的多级反动式汽轮机，这台汽轮机的功率和效率在当时都占领先地位。 20世纪初，美国的柯蒂斯制成多个速度级的汽轮机，每个速度级一般有两列动叶，在第一列动叶后在汽缸上装有导向叶片，将汽流导向第二列动叶。现在速度级的汽轮机只用于小型的汽轮机上，主要驱动泵、鼓风机等，也常用作中小型多级汽轮机的第一级。

与往复式蒸汽机相比，汽轮机中的蒸汽流动是连续的、高速的，单位面积中能通过的流量大，因而能发出较大的功率。大功率汽轮机可以采用较高的蒸汽压力和温度，故热效率较高。19世纪以来，汽轮机的发展就是在不断提高安全可靠性、耐用性和保证运行方便的基础上，增大单机功率和提高装置的热经济性。

汽轮机发展的主要特点有：

1．增大单机功率。20世纪初，电站汽轮机单机功率已达10兆瓦。随着电力应用的日益广泛，美国纽约等大城市的电站尖峰负荷在20年代已接近1000兆瓦，如果单机功率只有10兆瓦，则需要装机近百台，因此20年代时单机功率就已增大到60兆瓦，30年代初又出现了165兆瓦和208兆瓦的汽轮机。此后的经济衰退和第二次世界大战期间爆发，使汽轮机单机功率的增大处于停顿状态。50年代，随着战后经济发展，电力需求突飞猛进，单机功率又开始不断增大，陆续出现了325～600兆瓦的大型汽轮机；现在许多国家常用的单机功率为300～600兆瓦。世界工业发达国家的汽轮机生产在20世纪60年代已达到500MW～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／min)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；前苏联ЦКТИ正在全力推进2000MW的高参数全速汽轮机的开发工作。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机组的低17％，而1200MW机组的单位功率成本又比800MW机组的低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．提高蒸汽参数。汽轮机装置的热经济性用汽轮机热耗率或热效率表示。汽轮机热耗率是每输出单位机械功所消耗的蒸汽热量，热效率是输出机械功与所耗蒸汽热量之比。根据热力学原理，新蒸汽参数越高，热力循环的热效率也越高。早期汽轮机所用新蒸汽压力和温度都较低，热效率低于20％。随着单机功率的提高，30年代初新蒸汽压力已提高到3～4

兆帕，温度为400～450℃。随着高温材料的不断改进，蒸汽温度逐步提高到535℃，压力也提高到6～12.5兆帕，个别的已达16兆帕，热效率达30％以上。50年代初，已有采用新蒸汽温度为600℃的汽轮机。以后又有新蒸汽温度为650℃的汽轮机。 现代大型汽轮机通常采用新汽压力24兆帕，新汽温度和再热温度为535～565℃的超临界参数,或新汽压力为16.5兆帕、新汽温度和再热温度为535℃的亚临界参数，甚至采用超超临界压力的机组(P0＝32MPa、t0＝600℃)。使用这些汽轮机的电站热效率约为40％左右。

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，从而可提高机组内效率、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．提高机组的运行水平。为了提高机组运行、维护和检修水平，以增强机组运行的可靠性，现代大机组大大改善了保护、报警和状态监测系统，甚至配置智能化故障诊断系统。随着电网容量的不断增大，大机组在结构、系统上应能满足变工况运行的性能要求以适应调峰任务的需要，因此，经常保持主辅设备和系统的优化运行，以提高机组运行的经济性，并保证规定的设备使用寿命，这是评价大容量机组技术水平的重要标尺。

大型汽轮机组的研制是汽轮机未来发展的一个重要方向，这其中研制更长的末级叶片，是进一步发展大型汽轮机的一个关键；研究提高热效率是汽轮机发展的另一方向，采用更高蒸汽参数和二次再热，研制调峰机组，推广供热汽轮机的应用则是这方面发展的重要趋势。

二、汽轮机的分类及型号

1． 汽轮机的分类。

汽轮机种类很多，并有不同的分类方法。

按用途分：有电站、工业、船用汽轮机。

按结构分：有单级汽轮机和多级汽轮机，各级装在一个汽缸内的单缸汽轮机，和各级分装在几个汽缸内的多缸汽轮机；各级装在一根轴上的单轴汽轮机，和各级装在两根平行轴上的双轴汽轮机等。

按工作原理分：有蒸汽主要在各级喷嘴(或静叶)中膨胀的冲动式汽轮机；蒸汽在静叶和动叶中都膨胀的反动式汽轮机；以及以及由按冲动原理工作的级和按反动原理工作的级组合而成的混合式汽轮机。

按热力特性分：有凝汽式、供热式、背压式、抽汽式、 中间再热式和饱和蒸汽汽轮机等类型。凝汽式汽轮机排出的蒸汽流入凝汽器，排汽压力低于大气压力，因此具有良好的热力性能，是最为常用的一种汽轮机；供热式汽轮机既提供动力驱动发电机或其他机械，又提供生产或生活用热，具有较高的热能利用率；背压式汽轮机的排汽压力大于大气压力的汽轮机；抽汽式汽轮机是能从中间级抽出蒸汽供热的汽轮机；中间再热式汽轮机是新蒸汽经汽轮机前几级作功后，全部引至加热装置再次加热到某一温度，然后再回到汽轮机继续作功；饱和蒸汽轮机是以饱和状态的蒸汽作为新蒸汽的汽轮机。

按主蒸汽参数（压力）分如表1-1-1所示：

表1-1-1

2．汽轮机产品型号组成

(1)产品型号组成

MW）

（2）汽轮机型号的汉语汉音代号

表1-1-2

三、汽轮机设备的经济性及可靠性

1．汽轮机运行的经济指标

（1）循环热效率

汽轮机设备的循环热效率，即在理想情况下1kg蒸汽在汽轮机内可转换为机械功的热量Eo与蒸汽在锅炉内吸热量o之比，即

rEo

o （1-1-1）

随着汽轮机蒸汽参数的提高和机组结构的完善，目前大功率汽轮发电机组的热效率已达40%以上。

（2）内效率

汽轮机的相对内效率（简称内效率）为蒸汽在汽轮机内的有效比焓降hi与等熵比焓降ht之比，即

ihi

ht （1-1-2）

汽轮机内效率是评价汽轮机内部结构是否合理，技术是否先进的一个重要指标。

（3）汽耗率

汽耗率是汽轮发电机组每生产1kW·h电所需要的蒸汽量，即

SR = qo / Pel （1-1-3）

（4）热耗率

热耗率是指汽轮发电机组每生产1kW·h电所消耗的热量，即

HR0/Pd （1-1-4） 式中：HR是热耗率，kJ/(kW·h)；o是蒸所从锅炉内吸收的总热量，kJ/h。

对于不同型式的汽轮发电机组，式（1-1-4）在具体应用中将所有差别。

2．汽轮机运行的可靠性

汽轮机运行的可靠性是指其在额定功率下连续运行的性能。是以统计时间为基准的表示机组所处状态的各种性能指标来表征。主要指标有可用率、等效可用率、强迫停机率和等效强迫停机率等。

（1）可用率

机组的可用率（AF）是指在统计期间内，机组运行累计小时数（SH）及备用停机累计小

时数（RH）之和与该期间日历小时数（PH）的百分比，即 AF

或 SHRH100%PH （1-1-5）

AF

PH(UOHPOH)100%PH （1-1-6） 即在统计期间内（如一年）要扣除事故停机时间（UOH）、检修停机时间（POH）。

（2）等效可用率

等效可用率（EAF）即机组计及降低出力量影响后的可用率，可按下式计算 EAF

或 SHRHEDH100%PH （1-1-7）

EAF

PH(UOHPOH)EDH100%PH （1-1-8）

上两式中，EDH为机组在运行中降低出力小时数折算至机线全停的等效小时数。

（3）强迫停机率

强迫停机率（FOR）是指在统计期间，机线的强迫停运小时数（FOH）与机组的运行小时数（SH）及强迫停运小时数之间和的百分比，即 FOR

（4）等效强迫停机率 FOH100%SHFOH （1-1-9）

等级强迫停机率（EFOR），累计及降低出力的影响后的强迫停机率，即

EFORFOH1,2,3类等效非计划降低出力小时数之和100%SHFOH1,2,3类等效非计划降低出力备用停机小时数之和

（1-1-10）

汽轮机简介

一、汽轮机的发展历史

汽轮机是将蒸汽的能量转换为机械功的旋转式动力机械，是蒸汽动力装置的主要设备之

一。汽轮机是一种透平机械（TURBIN），又称蒸汽透平（STEAM TURBIN）。

公元一世纪时，亚历山大的希罗记述了利用蒸汽反作用力而旋转的汽转球，又称为风神轮，这是最早的反动式汽轮机的雏形；1629年意大利的布兰卡提出由一股蒸汽冲击叶片而旋转的转轮。

19世纪末，瑞典拉瓦尔和英国帕森斯分别创制了实用的汽轮机。拉瓦尔于1882年制成了第一台5马力(3.67千瓦)的单级冲动式汽轮机，并解决了有关的喷嘴设计和强度设计问题。单级冲动式汽轮机功率很小，现在已很少采用。

20世纪初，法国拉托和瑞士佐莱分别制造了多级冲动式汽轮机。多级结构为增大汽轮机功率开拓了道路，已被广泛采用，机组功率不断增大。帕森斯在1884年取得英国专利，制成了第一台10马力的多级反动式汽轮机，这台汽轮机的功率和效率在当时都占领先地位。 20世纪初，美国的柯蒂斯制成多个速度级的汽轮机，每个速度级一般有两列动叶，在第一列动叶后在汽缸上装有导向叶片，将汽流导向第二列动叶。现在速度级的汽轮机只用于小型的汽轮机上，主要驱动泵、鼓风机等，也常用作中小型多级汽轮机的第一级。

与往复式蒸汽机相比，汽轮机中的蒸汽流动是连续的、高速的，单位面积中能通过的流量大，因而能发出较大的功率。大功率汽轮机可以采用较高的蒸汽压力和温度，故热效率较高。19世纪以来，汽轮机的发展就是在不断提高安全可靠性、耐用性和保证运行方便的基础上，增大单机功率和提高装置的热经济性。

汽轮机发展的主要特点有：

1．增大单机功率。20世纪初，电站汽轮机单机功率已达10兆瓦。随着电力应用的日益广泛，美国纽约等大城市的电站尖峰负荷在20年代已接近1000兆瓦，如果单机功率只有10兆瓦，则需要装机近百台，因此20年代时单机功率就已增大到60兆瓦，30年代初又出现了165兆瓦和208兆瓦的汽轮机。此后的经济衰退和第二次世界大战期间爆发，使汽轮机单机功率的增大处于停顿状态。50年代，随着战后经济发展，电力需求突飞猛进，单机功率又开始不断增大，陆续出现了325～600兆瓦的大型汽轮机；现在许多国家常用的单机功率为300～600兆瓦。世界工业发达国家的汽轮机生产在20世纪60年代已达到500MW～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／min)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；前苏联ЦКТИ正在全力推进2000MW的高参数全速汽轮机的开发工作。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机组的低17％，而1200MW机组的单位功率成本又比800MW机组的低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．提高蒸汽参数。汽轮机装置的热经济性用汽轮机热耗率或热效率表示。汽轮机热耗率是每输出单位机械功所消耗的蒸汽热量，热效率是输出机械功与所耗蒸汽热量之比。根据热力学原理，新蒸汽参数越高，热力循环的热效率也越高。早期汽轮机所用新蒸汽压力和温度都较低，热效率低于20％。随着单机功率的提高，30年代初新蒸汽压力已提高到3～4

兆帕，温度为400～450℃。随着高温材料的不断改进，蒸汽温度逐步提高到535℃，压力也提高到6～12.5兆帕，个别的已达16兆帕，热效率达30％以上。50年代初，已有采用新蒸汽温度为600℃的汽轮机。以后又有新蒸汽温度为650℃的汽轮机。 现代大型汽轮机通常采用新汽压力24兆帕，新汽温度和再热温度为535～565℃的超临界参数,或新汽压力为16.5兆帕、新汽温度和再热温度为535℃的亚临界参数，甚至采用超超临界压力的机组(P0＝32MPa、t0＝600℃)。使用这些汽轮机的电站热效率约为40％左右。

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，从而可提高机组内效率、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．提高机组的运行水平。为了提高机组运行、维护和检修水平，以增强机组运行的可靠性，现代大机组大大改善了保护、报警和状态监测系统，甚至配置智能化故障诊断系统。随着电网容量的不断增大，大机组在结构、系统上应能满足变工况运行的性能要求以适应调峰任务的需要，因此，经常保持主辅设备和系统的优化运行，以提高机组运行的经济性，并保证规定的设备使用寿命，这是评价大容量机组技术水平的重要标尺。

大型汽轮机组的研制是汽轮机未来发展的一个重要方向，这其中研制更长的末级叶片，是进一步发展大型汽轮机的一个关键；研究提高热效率是汽轮机发展的另一方向，采用更高蒸汽参数和二次再热，研制调峰机组，推广供热汽轮机的应用则是这方面发展的重要趋势。

二、汽轮机的分类及型号

1． 汽轮机的分类。

汽轮机种类很多，并有不同的分类方法。

按用途分：有电站、工业、船用汽轮机。

按结构分：有单级汽轮机和多级汽轮机，各级装在一个汽缸内的单缸汽轮机，和各级分装在几个汽缸内的多缸汽轮机；各级装在一根轴上的单轴汽轮机，和各级装在两根平行轴上的双轴汽轮机等。

按工作原理分：有蒸汽主要在各级喷嘴(或静叶)中膨胀的冲动式汽轮机；蒸汽在静叶和动叶中都膨胀的反动式汽轮机；以及以及由按冲动原理工作的级和按反动原理工作的级组合而成的混合式汽轮机。

按热力特性分：有凝汽式、供热式、背压式、抽汽式、 中间再热式和饱和蒸汽汽轮机等类型。凝汽式汽轮机排出的蒸汽流入凝汽器，排汽压力低于大气压力，因此具有良好的热力性能，是最为常用的一种汽轮机；供热式汽轮机既提供动力驱动发电机或其他机械，又提供生产或生活用热，具有较高的热能利用率；背压式汽轮机的排汽压力大于大气压力的汽轮机；抽汽式汽轮机是能从中间级抽出蒸汽供热的汽轮机；中间再热式汽轮机是新蒸汽经汽轮机前几级作功后，全部引至加热装置再次加热到某一温度，然后再回到汽轮机继续作功；饱和蒸汽轮机是以饱和状态的蒸汽作为新蒸汽的汽轮机。

按主蒸汽参数（压力）分如表1-1-1所示：

表1-1-1

2．汽轮机产品型号组成

(1)产品型号组成

MW）

（2）汽轮机型号的汉语汉音代号

表1-1-2

三、汽轮机设备的经济性及可靠性

1．汽轮机运行的经济指标

（1）循环热效率

汽轮机设备的循环热效率，即在理想情况下1kg蒸汽在汽轮机内可转换为机械功的热量Eo与蒸汽在锅炉内吸热量o之比，即

rEo

o （1-1-1）

随着汽轮机蒸汽参数的提高和机组结构的完善，目前大功率汽轮发电机组的热效率已达40%以上。

（2）内效率

汽轮机的相对内效率（简称内效率）为蒸汽在汽轮机内的有效比焓降hi与等熵比焓降ht之比，即

ihi

ht （1-1-2）

汽轮机内效率是评价汽轮机内部结构是否合理，技术是否先进的一个重要指标。

（3）汽耗率

汽耗率是汽轮发电机组每生产1kW·h电所需要的蒸汽量，即

SR = qo / Pel （1-1-3）

（4）热耗率

热耗率是指汽轮发电机组每生产1kW·h电所消耗的热量，即

HR0/Pd （1-1-4） 式中：HR是热耗率，kJ/(kW·h)；o是蒸所从锅炉内吸收的总热量，kJ/h。

对于不同型式的汽轮发电机组，式（1-1-4）在具体应用中将所有差别。

2．汽轮机运行的可靠性

汽轮机运行的可靠性是指其在额定功率下连续运行的性能。是以统计时间为基准的表示机组所处状态的各种性能指标来表征。主要指标有可用率、等效可用率、强迫停机率和等效强迫停机率等。

（1）可用率

机组的可用率（AF）是指在统计期间内，机组运行累计小时数（SH）及备用停机累计小

时数（RH）之和与该期间日历小时数（PH）的百分比，即 AF

或 SHRH100%PH （1-1-5）

AF

PH(UOHPOH)100%PH （1-1-6） 即在统计期间内（如一年）要扣除事故停机时间（UOH）、检修停机时间（POH）。

（2）等效可用率

等效可用率（EAF）即机组计及降低出力量影响后的可用率，可按下式计算 EAF

或 SHRHEDH100%PH （1-1-7）

EAF

PH(UOHPOH)EDH100%PH （1-1-8）

上两式中，EDH为机组在运行中降低出力小时数折算至机线全停的等效小时数。

（3）强迫停机率

强迫停机率（FOR）是指在统计期间，机线的强迫停运小时数（FOH）与机组的运行小时数（SH）及强迫停运小时数之间和的百分比，即 FOR

（4）等效强迫停机率 FOH100%SHFOH （1-1-9）

等级强迫停机率（EFOR），累计及降低出力的影响后的强迫停机率，即

EFORFOH1,2,3类等效非计划降低出力小时数之和100%SHFOH1,2,3类等效非计划降低出力备用停机小时数之和

（1-1-10）