汽輪機(jī)（一種旋轉(zhuǎn)式蒸汽動(dòng)力裝置）
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汽輪機(jī)
一種旋轉(zhuǎn)式蒸汽動(dòng)力裝置
汽輪機(jī)也稱蒸汽透平發(fā)動(dòng)機(jī)，是一種旋轉(zhuǎn)式蒸汽動(dòng)力裝置，高溫高壓蒸汽穿過(guò)固定噴嘴成為加速的氣流后噴射到葉片上，使裝有葉片排的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，同時(shí)對(duì)外做功。汽輪機(jī)是現(xiàn)代火力發(fā)電廠的主要設(shè)備，也用于冶金工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、艦船動(dòng)力裝置中。
基本信息
| 中文名 | 汽輪機(jī) |
| 外文名 | The steam turbine |
| 別名 | 蒸汽透平發(fā)動(dòng)機(jī) |
| 運(yùn)用領(lǐng)域 | 發(fā)電或動(dòng)力裝置 |
| 來(lái)源 | 公元1世紀(jì) |
| 動(dòng)力源 | 高溫高壓蒸汽做功于葉片 |
收起
發(fā)展歷史
公元1世紀(jì)，亞歷山大的希羅記述的利用蒸汽反作用力而旋轉(zhuǎn)的汽轉(zhuǎn)球，又稱為風(fēng)神輪，是最早的反動(dòng)式汽輪機(jī)的雛形。1629年，意大利的Gde布蘭卡提出由一股蒸汽沖擊葉片而旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)輪。1882年，瑞典的C.G.Pde拉瓦爾制成第一臺(tái)5馬力（3.67千瓦）的單級(jí)沖動(dòng)式汽輪機(jī)。1884年，英國(guó)的C.A.帕森斯制成第一臺(tái)10馬力（7.35千瓦）的單級(jí)反動(dòng)式汽輪機(jī)。1910年，瑞典的B.& F.容克斯川兄弟制成輻流的反動(dòng)式汽輪機(jī)。
19世紀(jì)末，瑞典拉瓦爾和英國(guó)帕森斯分別創(chuàng)制了實(shí)用的汽輪機(jī)。拉瓦爾于1882年制成了第一臺(tái)5馬力（3.67千瓦）的單級(jí)沖動(dòng)式汽輪機(jī)，并解決了有關(guān)的噴嘴設(shè)計(jì)和強(qiáng)度設(shè)計(jì)問(wèn)題。單級(jí)沖動(dòng)式汽輪機(jī)功率很小，已很少采用。
20世紀(jì)初，法國(guó)拉托和瑞士佐萊分別制造了多級(jí)沖動(dòng)式汽輪機(jī)。多級(jí)結(jié)構(gòu)為增大汽輪機(jī)功率開(kāi)拓了道路，已被廣泛采用，機(jī)組功率不斷增大。帕森斯在1884年取得英國(guó)專利，制成了第一臺(tái)10馬力的多級(jí)反動(dòng)式汽輪機(jī)，這臺(tái)汽輪機(jī)的功率和效率在當(dāng)時(shí)都占領(lǐng)先地位。
20世紀(jì)初，美國(guó)的柯蒂斯制成多個(gè)速度級(jí)的汽輪機(jī)，每個(gè)速度級(jí)一般有兩列動(dòng)葉，在第一列動(dòng)葉后在汽缸上裝有導(dǎo)向葉片，將氣流導(dǎo)向第二列動(dòng)葉。速度級(jí)的汽輪機(jī)只用于小型的汽輪機(jī)上，主要驅(qū)動(dòng)泵、鼓風(fēng)機(jī)等，也常用作中小型多級(jí)汽輪機(jī)的第一級(jí)。
國(guó)際發(fā)展?fàn)顩r
（1）1882年瑞典工程師拉瓦爾設(shè)計(jì)制造出了第一臺(tái)單級(jí)沖動(dòng)式汽輪機(jī)，隨后在1884年英國(guó)工程師帕森斯設(shè)計(jì)制造了第一臺(tái)單級(jí)反動(dòng)式汽輪機(jī)，雖然那時(shí)的汽輪機(jī)與現(xiàn)代汽輪機(jī)相比結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，但是推動(dòng)了汽輪機(jī)在世界范圍內(nèi)的應(yīng)用，被廣泛應(yīng)用在電站、航海和大型工業(yè)中。
（2）在60年代，世界工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家生產(chǎn)的汽輪機(jī)已經(jīng)達(dá)到500—600MW等級(jí)水平。1972年瑞士ABB公司制造的1300MW雙軸全速汽輪機(jī)在美國(guó)投入運(yùn)行，設(shè)計(jì)參數(shù)達(dá)到24Mpa，蒸汽溫度538°C，3600rpm；1974年西德KWU公司制造的1300MW單軸半速（1500 rpm）飽和蒸汽參數(shù)汽輪機(jī)投入運(yùn)行；1982年世界上最大的1200MW單軸全速汽輪機(jī)在前蘇聯(lián)投入運(yùn)行，壓力24 Mpa，蒸汽溫度540°C。
（3）世界各國(guó)都在研究大容量、高參數(shù)汽輪機(jī)的研究和開(kāi)發(fā)，如俄羅斯正在研究2000MW汽輪機(jī)。主要是大容量汽輪機(jī)有如下特點(diǎn)：
1）降低單位功率投資成本。如800MW機(jī)組比500MW汽輪機(jī)的千瓦造價(jià)低17%；1200MW機(jī)組比800MW機(jī)組的千瓦造價(jià)低15%—20%。
2）提高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。如法國(guó)的600MW機(jī)組比國(guó)產(chǎn)的125MW機(jī)組的熱耗率低276kj/kW.h，每年可節(jié)約燃煤4萬(wàn)噸。加快電網(wǎng)建設(shè)速度，滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要，提高電網(wǎng)的調(diào)峰能力。
汽輪機(jī)是一種以蒸汽為動(dòng)力，并將蒸氣的熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械功的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，是現(xiàn)代火力發(fā)電廠中應(yīng)用最廣泛的原動(dòng)機(jī)。汽輪機(jī)具有單機(jī)功率大、效率高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。
——沖動(dòng)式汽輪機(jī)蒸汽主要在靜葉中膨脹，在動(dòng)葉中只有少量的膨脹。
——反動(dòng)式汽輪機(jī)蒸汽在靜葉和動(dòng)葉中膨脹，而且膨脹程度相同。
由于反動(dòng)級(jí)不能作成部分進(jìn)汽，因此第一級(jí)調(diào)節(jié)級(jí)通常采用單列沖動(dòng)級(jí)或雙列速度級(jí)。如中國(guó)引進(jìn)美國(guó)西屋（WH）技術(shù)生產(chǎn)的300MW、600MW機(jī)組。
汽輪機(jī)
沖動(dòng)式汽輪機(jī)為隔板型，如國(guó)產(chǎn)的300MW高中壓合缸汽輪機(jī)；反動(dòng)式汽輪機(jī)為轉(zhuǎn)鼓型（或筒型），如上海汽輪機(jī)廠引進(jìn)的300MW、600MW汽輪機(jī)。
—— 低壓汽輪機(jī)：主蒸汽壓力小于1.47Mpa；
—— 超高壓汽輪機(jī)：主蒸汽壓力在11.77—13.93Mpa；
—— 亞臨界壓力汽輪機(jī)：主蒸汽壓力在15.69—17.65Mpa；
—— 超臨界壓力汽輪機(jī)：主蒸汽壓力大于22.15Mpa；
—— 超超臨界壓力汽輪機(jī)：主蒸汽壓力大于32Mpa；
由于冶金技術(shù)的不斷發(fā)展，使得汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)也有了很大改進(jìn)。大機(jī)組普遍采用了高中壓合缸的雙層結(jié)構(gòu)，高中壓轉(zhuǎn)子采用一根轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，高、中、低壓轉(zhuǎn)子全部采用整鍛結(jié)構(gòu)，軸承較多地采用了可傾瓦結(jié)構(gòu)。各國(guó)都在進(jìn)行大容量、高參數(shù)機(jī)組的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)，如俄羅斯正在開(kāi)發(fā)的2000MW汽輪機(jī)。日本正在開(kāi)發(fā)一種新的合金材料，將使高中、低壓轉(zhuǎn)子一體化成為可能。
中國(guó)發(fā)展?fàn)顩r
郵票上的125MW汽輪機(jī)組
（2）1987年采用引進(jìn)技術(shù)生產(chǎn)的300MW機(jī)組在石橫電廠投入運(yùn)行；1989年采用引進(jìn)技術(shù)生產(chǎn)的600MW機(jī)組在平圩電廠投入運(yùn)行；2000年從俄羅斯引進(jìn)兩臺(tái)超臨界800MW機(jī)組在綏中電廠投入運(yùn)行。
（3）上海汽輪機(jī)廠是中國(guó)第一家汽輪機(jī)廠，在1995年開(kāi)始與美國(guó)西屋電氣公司合作成立了STC，1999 年德國(guó)西門子公司收購(gòu)了西屋電氣公司發(fā)電部， STC 相應(yīng)股份轉(zhuǎn)移給西門子。哈爾濱汽輪機(jī)廠1956年建廠，先后設(shè)計(jì)制造了中國(guó)第一臺(tái)25MW、50MW、100MW和200MW汽輪機(jī)，80年代從美國(guó)西屋公司引進(jìn)了300MW和600MW亞臨界汽輪機(jī)的全套設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，于1986年制造成功了中國(guó)第一臺(tái)600MW汽輪機(jī)，自主研制的三缸超臨界600MW汽輪機(jī)已經(jīng)投入生產(chǎn)。東方汽輪機(jī)廠1965年開(kāi)始興建，1971年制造出第一臺(tái)汽輪機(jī)，主力機(jī)型為600MW汽輪機(jī)。北京北重汽輪電機(jī)有限責(zé)任公司做為后起之秀，以300MW機(jī)組為主導(dǎo)產(chǎn)品，它是由始建于1958年的北京重型電機(jī)廠通過(guò)資產(chǎn)轉(zhuǎn)型在2000年10月份成立的又一大動(dòng)力廠，2臺(tái)600MW汽輪機(jī)也已經(jīng)投入生產(chǎn)。
（4）中國(guó)四大動(dòng)力廠以600MW和1000MW機(jī)組為主導(dǎo)產(chǎn)品。
工作原理
汽輪機(jī)是能將蒸汽熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械功的外燃回轉(zhuǎn)式機(jī)械。來(lái)自鍋爐的蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)后，依次經(jīng)過(guò)一 系列環(huán)形配置的噴嘴和動(dòng)葉，將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)化為汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能。蒸汽在汽輪機(jī)中，以不同方式進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，便構(gòu)成了不同工作原理的汽輪機(jī)。
種類
汽輪機(jī)種類很多，根據(jù)結(jié)構(gòu)、工作原理、熱力性能、用途、氣缸數(shù)目的不同有多種分類方法。
按結(jié)構(gòu)
有單級(jí)汽輪機(jī)和多級(jí)汽輪機(jī)；各級(jí)裝在一個(gè)汽缸內(nèi)的單缸汽輪機(jī)，和各級(jí)分裝在幾個(gè)汽缸內(nèi)的多缸汽輪機(jī)；各級(jí)裝在一根軸上的單軸汽輪機(jī)，和各級(jí)裝在兩根平行軸上的雙軸汽輪機(jī)等。
按工作原理
有蒸汽主要在各級(jí)噴嘴（或靜葉）中膨脹的沖動(dòng)式汽輪機(jī)；蒸汽在靜葉和動(dòng)葉中都膨脹的反動(dòng)式汽輪機(jī)；以及蒸汽在噴嘴中膨脹后的動(dòng)能在幾列動(dòng)葉上加以利用的速度級(jí)汽輪機(jī)。
按熱力特性
有凝汽式、供熱式、背壓式、抽汽式和飽和蒸汽汽輪機(jī)等類型。凝汽式汽輪機(jī)排出的蒸汽流入凝汽器，排汽壓力低于大氣壓力，因此具有良好的熱力性能，是最為常用的一種汽輪機(jī)；供熱式汽輪機(jī)既提供動(dòng)力驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)或其他機(jī)械，又提供生產(chǎn)或生活用熱，具有較高的熱能利用率；背壓式汽輪機(jī)的排汽壓力大于大氣壓力的汽輪機(jī)；抽汽式汽輪機(jī)是能從中間級(jí)抽出蒸汽供熱的汽輪機(jī)；飽和蒸汽輪機(jī)是以飽和狀態(tài)的蒸汽作為新蒸汽的汽輪機(jī)。
按用途
按汽缸數(shù)目
可分為單缸汽輪機(jī)、雙缸汽輪機(jī)和多缸汽輪機(jī)。
其他
配套設(shè)施
結(jié)構(gòu)部件
汽輪機(jī)
汽缸
汽缸是汽輪機(jī)的外殼，其作用是將汽輪機(jī)的通流部分與大氣隔開(kāi)，形成封閉的汽室，保證蒸汽在汽輪機(jī)內(nèi)部完成能量的轉(zhuǎn)換過(guò)程，汽缸內(nèi)安裝著噴嘴室、隔板、隔板套等零部件；汽缸外連接著進(jìn)汽、排汽、抽汽等管道。
汽缸的高、中壓段一般采用合金鋼或碳鋼鑄造結(jié)構(gòu)，低壓段可根據(jù)容量和結(jié)構(gòu)要求，采用鑄造結(jié)構(gòu)或由簡(jiǎn)單鑄件、型鋼及鋼板焊接的焊接結(jié)構(gòu)。
高壓缸有單層缸和雙層缸兩種形式。單層缸多用于中低參數(shù)的汽輪機(jī)。雙層缸適用于參數(shù)相對(duì)較高的汽輪機(jī)。分為高壓內(nèi)缸和高壓外缸。高壓內(nèi)缸由水平中分面分開(kāi)，形成上、下缸，內(nèi)缸支承在外缸的水平中分面上。高壓外缸由前后共四個(gè)貓爪支撐在前軸承箱上。貓爪由下缸一起鑄出，位于下缸的上部，這樣使支承點(diǎn)保持在水平中心線上。
中壓缸由中壓內(nèi)缸和中壓外缸組成。中壓內(nèi)缸在水平中分面上分開(kāi)，形成上下汽缸，內(nèi)缸支承在外缸的水平中分面上，采用在外缸上加工出來(lái)的一外凸臺(tái)和在內(nèi)缸上的一個(gè)環(huán)形槽相互配合，保持內(nèi)缸在軸向的位置。中壓外缸由水平中分面分開(kāi)，形成上下汽缸。中壓外缸也以前后兩對(duì)貓爪分別支撐在中軸承箱和1號(hào)低壓缸的前軸承箱上。
低壓缸為反向分流式，每個(gè)低壓缸由一個(gè)外缸和兩個(gè)內(nèi)缸組成，全部由板件焊接而成。汽缸的上半和下半均在垂直方向被分為三個(gè)部分，但在安裝時(shí)，上缸垂直結(jié)合面已用螺栓連成一體，因此汽缸上半可作為一個(gè)零件起吊。低壓外缸由裙式臺(tái)板支承，此臺(tái)板與汽缸下半制成一體，并沿汽缸下半向兩端延伸。低壓內(nèi)缸支承在外缸上。每塊裙式臺(tái)板分別安裝在被灌漿固定在基礎(chǔ)上的基礎(chǔ)臺(tái)板上。低壓缸的位置由裙式臺(tái)板和基礎(chǔ)臺(tái)板之間的滑銷固定。
轉(zhuǎn)子
轉(zhuǎn)子是由合金鋼鍛件整體加工出來(lái)的。在高壓轉(zhuǎn)子調(diào)速器端用剛性聯(lián)軸器與一根長(zhǎng)軸連接，此節(jié)上軸上裝有主油泵和超速跳閘結(jié)構(gòu)。
所有轉(zhuǎn)子都被精加工，并且在裝配上所有的葉片后，進(jìn)行全速轉(zhuǎn)動(dòng)試驗(yàn)和精確動(dòng)平衡。
套裝轉(zhuǎn)子：葉輪、軸封套、聯(lián)軸節(jié)等部件都是分別加工后，熱套在階梯型主軸上的。各部件與主軸之間采用過(guò)盈配合，以防止葉輪等因離心力及溫差作用引起松動(dòng)，并用鍵傳遞力矩。中低壓汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)子和高壓汽輪機(jī)的低壓轉(zhuǎn)子常采用套裝結(jié)構(gòu)。套裝轉(zhuǎn)子在高溫下，葉輪與主軸易發(fā)生松動(dòng)。所以不宜作為高溫汽輪機(jī)的高壓轉(zhuǎn)子。
整鍛轉(zhuǎn)子：葉輪、軸封套、聯(lián)軸節(jié)等部件與主軸是由一整鍛件削而成，無(wú)熱套部分，這解決了高溫下葉輪與軸連接容易松動(dòng)的問(wèn)題。這種轉(zhuǎn)子常用于大型汽輪機(jī)的高、中壓轉(zhuǎn)子。結(jié)構(gòu)緊湊，對(duì)啟動(dòng)和變工況適應(yīng)性強(qiáng)，宜于高溫下運(yùn)行，轉(zhuǎn)子剛性好，但是鍛件大，加工工藝要求高，加工周期長(zhǎng)，大鍛件質(zhì)量難以保證。
焊接轉(zhuǎn)子：汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子質(zhì)量大，承受的離心力大，采用套裝轉(zhuǎn)子時(shí)葉輪內(nèi)孔在運(yùn)行時(shí)將發(fā)生較大的彈性形變，因而需要設(shè)計(jì)較大的裝配過(guò)盈量，但這會(huì)引起很大的裝配應(yīng)力，若采用整鍛轉(zhuǎn)子，質(zhì)量難以保證，所以采用分段鍛造、焊接組合的焊接轉(zhuǎn)子。它主要由若干個(gè)葉輪與端軸拼合焊接而成。焊接轉(zhuǎn)子質(zhì)量輕，鍛件小，結(jié)構(gòu)緊湊，承載能力高，與尺寸相同、有中心孔的整鍛轉(zhuǎn)子相比，焊接轉(zhuǎn)子強(qiáng)度高、剛性好，質(zhì)量輕，但對(duì)焊接性能要求高，這種轉(zhuǎn)子的應(yīng)用受焊接工藝及檢驗(yàn)方法和材料種類的限制。
組合轉(zhuǎn)子：由整鍛結(jié)構(gòu)套裝結(jié)構(gòu)組合而成，兼有兩種轉(zhuǎn)子的優(yōu)點(diǎn)。
聯(lián)軸器
聯(lián)軸器用來(lái)連接汽輪機(jī)各個(gè)轉(zhuǎn)子以及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，并將汽輪機(jī)的扭矩傳給發(fā)電機(jī)。現(xiàn)代汽輪機(jī)常用的聯(lián)軸器常用三種形式：剛性聯(lián)軸器，半撓性聯(lián)軸器和撓性聯(lián)軸器。
剛性聯(lián)軸器：
半撓性聯(lián)軸器
右側(cè)聯(lián)軸器與主軸鍛成一體，而左側(cè)聯(lián)軸器用熱套加雙鍵套裝在相對(duì)的軸端上。兩對(duì)輪之間用波形半撓性套筒連接起來(lái)，并以配合兩螺栓堅(jiān)固。波形套筒在扭轉(zhuǎn)方向是剛性的，在變曲方向剛是撓性的。這種聯(lián)軸器主要用于汽輪機(jī)－發(fā)電機(jī)之間，補(bǔ)償軸承之間抽真空、溫差、充氫引起的標(biāo)高差，可減少振動(dòng)的相互干擾，對(duì)中要求低，常用于中等容量機(jī)組
撓性聯(lián)軸器
撓性聯(lián)軸器通常有兩種形式，齒輪式和蛇形彈簧式。這種聯(lián)軸器，可以減弱或消除振動(dòng)的傳遞。對(duì)中性要求不高，但是運(yùn)行過(guò)程中需要潤(rùn)滑，并且制作復(fù)雜，成本較高。
靜葉片
隔板用于固定靜葉片，并將汽缸分成若干個(gè)汽室。
動(dòng)葉片
動(dòng)葉片安裝在轉(zhuǎn)子葉輪或轉(zhuǎn)鼓上，接受噴嘴葉柵射出的高速氣流，把蒸汽的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。
汽輪機(jī)
葉型是葉片的工作部分，相鄰葉片的葉型部分之間構(gòu)成汽流通道，蒸汽流過(guò)時(shí)將動(dòng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。按葉型部分橫截面的變化規(guī)律，葉片可以分為等截面直葉片、變截面直葉片、扭葉片、彎扭葉片。
等截面直葉片：斷面型線和面積沿葉高是相同的，加工方便，制造成本較低，有利于在部分級(jí)實(shí)現(xiàn)葉型通用等優(yōu)點(diǎn)。但是氣動(dòng)性能差，主要用于短葉片。
彎扭葉片：截面型心的連線連續(xù)發(fā)生扭轉(zhuǎn)，可很好地減小長(zhǎng)葉片的葉型損失，具有良好的波動(dòng)特性及強(qiáng)度，但制造工藝復(fù)雜，主要用于長(zhǎng)葉片。
葉根是將葉片固定在葉輪或轉(zhuǎn)鼓上的連接部分。它應(yīng)保證在任何運(yùn)行條件下的連接牢固，同時(shí)力求制造簡(jiǎn)單、裝配方便。
T形葉根：加工裝配方便，多用于中長(zhǎng)葉片。
菌形葉根：強(qiáng)度高，在大型機(jī)上得到廣泛應(yīng)用。
叉形葉根：加工簡(jiǎn)單，裝配方便，強(qiáng)度高，適應(yīng)性好。
樅樹(shù)型葉根：葉根承載能力大，強(qiáng)度適應(yīng)性好，拆裝方便，但加工復(fù)雜，精度要求高，主要用于載荷較大的葉片。
汽輪機(jī)的短葉片和中長(zhǎng)葉片通常在葉頂用圍帶連在一起，構(gòu)成葉片組。長(zhǎng)葉片剛在葉身中部用拉筋連接成組，或者成自由葉片。
圍帶的作用：增加葉片剛性，改變?nèi)~片的自振頻率，以避開(kāi)共振，從而提高了葉片的振動(dòng)安全性；減小汽流產(chǎn)生的彎應(yīng)力；可使葉片構(gòu)成封閉通道，并可裝置圍帶汽封，減小葉片頂部的漏氣損失。
拉筋：拉筋的作用是增加葉片的剛性，以改善其振動(dòng)特性。但是拉筋增加了蒸汽流動(dòng)損失，同時(shí)拉筋還會(huì)削弱葉片的強(qiáng)度，因此在滿足了葉片振動(dòng)要求的情況下，應(yīng)盡量避免采用拉筋，有的長(zhǎng)葉片就設(shè)計(jì)成自由葉片。
汽封
轉(zhuǎn)子和靜體之間的間隙會(huì)導(dǎo)致漏汽，這不僅會(huì)降低機(jī)組效率，還會(huì)影響機(jī)組安全運(yùn)行。為了防止蒸汽泄漏和空氣漏入，需要有密封裝置，通常稱為汽封。
優(yōu)點(diǎn)
與往復(fù)式蒸汽機(jī)相比，汽輪機(jī)中的蒸汽流動(dòng)是連續(xù)的、高速的，單位面積中能通過(guò)的流量大，因而能發(fā)出較大的功率。大功率汽輪機(jī)可以采用較高的蒸汽壓力和溫度，故熱效率較高。19世紀(jì)以來(lái)，汽輪機(jī)的發(fā)展就是在不斷提高安全可靠性、耐用性和保證運(yùn)行方便的基礎(chǔ)上，增大單機(jī)功率和提高裝置的熱經(jīng)濟(jì)性。
發(fā)展前景
汽輪機(jī)的出現(xiàn)推動(dòng)了電力工業(yè)的發(fā)展，到20世紀(jì)初，電站汽輪機(jī)單機(jī)功率已達(dá)10兆瓦。隨著電力應(yīng)用的日益廣泛，美國(guó)紐約等大城市的電站尖峰負(fù)荷在20年代已接近1000兆瓦，如果單機(jī)功率只有10兆瓦，則需要裝機(jī)近百臺(tái)，因此20年代時(shí)單機(jī)功率就已增大到60兆瓦，30年代初又出現(xiàn)了165兆瓦和208兆瓦的汽輪機(jī)。
此后的經(jīng)濟(jì)衰退和第二次世界大戰(zhàn)期間爆發(fā)，使汽輪機(jī)單機(jī)功率的增大處于停頓狀態(tài)。50年代，隨著戰(zhàn)后經(jīng)濟(jì)發(fā)展，電力需求突飛猛進(jìn)，單機(jī)功率又開(kāi)始不斷增大，陸續(xù)出現(xiàn)了325～600兆瓦的大型汽輪機(jī)；60年代制成了1000兆瓦汽輪機(jī)；70年代，制成了1300兆瓦汽輪機(jī)。許多國(guó)家常用的單機(jī)功率為300～600兆瓦。
汽輪機(jī)在社會(huì)經(jīng)濟(jì)的各部門中都有廣泛的應(yīng)用。汽輪機(jī)種類很多，并有不同的分類方法。汽輪機(jī)的蒸汽從進(jìn)口膨脹到出口，單位質(zhì)量蒸汽的容積增大幾百倍，甚至上千倍，因此各級(jí)葉片高度必須逐級(jí)加長(zhǎng)。大功率凝汽式汽輪機(jī)所需的排汽面積很大，末級(jí)葉片須做得很長(zhǎng)。
大型汽輪機(jī)組的研制是汽輪機(jī)未來(lái)發(fā)展的一個(gè)重要方向，這其中研制更長(zhǎng)的末級(jí)葉片，是進(jìn)一步發(fā)展大型汽輪機(jī)的一個(gè)關(guān)鍵；研究提高熱效率是汽輪機(jī)發(fā)展的另一方向，采用更高蒸汽參數(shù)和二次再熱，研制調(diào)峰機(jī)組，推廣供熱汽輪機(jī)的應(yīng)用則是這方面發(fā)展的重要趨勢(shì)。
全世界利用地?zé)岬钠啓C(jī)的裝機(jī)容量，1983年已有3190兆瓦，不過(guò)對(duì)熔巖等深層更高溫度地?zé)豳Y源的利用尚待探索；利用太陽(yáng)能的汽輪機(jī)電站已在建造，海洋溫差發(fā)電也在研究之中。所有這些新能源方面的汽輪機(jī)尚待繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)就、研究。
一座汽輪發(fā)電機(jī)總功率為1000兆瓦的電站，每年約需耗用標(biāo)準(zhǔn)煤230萬(wàn)噸。如果熱效率絕對(duì)值能提高1%，每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤 6萬(wàn)噸。因此，汽輪機(jī)裝置的熱效率一直受到重視。為了提高汽輪機(jī)熱效率，除了不斷改進(jìn)汽輪機(jī)本身的效率，包括改進(jìn)各級(jí)葉片的葉型設(shè)計(jì)(以減少流動(dòng)損失)和降低閥門及進(jìn)排汽管損失以外，還可從熱力學(xué)觀點(diǎn)出發(fā)采取措施。
根據(jù)熱力學(xué)原理，新蒸汽參數(shù)越高，熱力循環(huán)的熱效率也越高。早期汽輪機(jī)所用新蒸汽壓力和溫度都較低，熱效率低于20%。隨著單機(jī)功率的提高，30年代初新蒸汽壓力已提高到3～4兆帕，溫度為400～450℃。隨著高溫材料的不斷改進(jìn)，蒸汽溫度逐步提高到535℃，壓力也提高到6～12.5兆帕，個(gè)別的已達(dá)16兆帕，熱效率達(dá)30%以上。50年代初，已有采用新蒸汽溫度為600℃的汽輪機(jī)。以后又有新蒸汽溫度為650℃的汽輪機(jī)。
現(xiàn)代大型汽輪機(jī)按照其輸出功率的不同，采用的新蒸汽壓力又可以分為各個(gè)壓力等級(jí)，通常采用新蒸汽壓力24.5～26兆帕，新蒸汽溫度和再熱溫度為535～578℃的超臨界參數(shù)，或新蒸汽壓力為16.5兆帕、新蒸汽溫度和再熱溫度為535℃的亞臨界參數(shù)。使用這些汽輪機(jī)的熱效率約為40%。
另外，汽輪機(jī)的排汽壓力越低，蒸汽循環(huán)的熱效率就越高。不過(guò)排汽壓力主要取決凝汽器的真空度，真空度又取決于冷卻水的溫度和抽真空的設(shè)備（通常稱為真空泵），如果采用過(guò)低的排汽壓力，就需要增大冷卻水流量、增大凝汽器冷卻水和冷卻介質(zhì)的換熱面、降低被使用的冷卻水的溫度和抽真空的設(shè)備，較長(zhǎng)的末級(jí)葉片，但同時(shí)真空太低又會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)汽缸（低壓缸）的蒸汽流速加快，使汽輪機(jī)汽缸（低壓缸）差脹加劇，危及汽輪機(jī)安全運(yùn)轉(zhuǎn)。凝汽式汽輪機(jī)常用的排汽壓力為5~10千帕（一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓是101325帕斯卡）。船用汽輪機(jī)組為了減輕重量，減小尺寸，常用0.006～0.01兆帕的排汽壓力。
此外，提高汽輪機(jī)熱效率的措施還有，采用回?zé)嵫h(huán)、采用再熱循環(huán)、采用供熱式汽輪機(jī)等。提高汽輪機(jī)的熱效率，對(duì)節(jié)約能源有著重大的意義。
現(xiàn)代核電站汽輪機(jī)的數(shù)量正在快速增加，因此研究適用于不同反應(yīng)堆型的、性能良好的汽輪機(jī)具有特別重要的意義。
另外，在汽輪機(jī)設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行過(guò)程中，采用新的理論和技術(shù)，以改善汽輪機(jī)的性能，也是未來(lái)汽輪機(jī)研究的一個(gè)重要內(nèi)容。例如：氣體動(dòng)力學(xué)方面的三維流動(dòng)理論，濕蒸汽雙相流動(dòng)理論；強(qiáng)度方面的有限元法和斷裂力學(xué)分析；振動(dòng)方面的快速傅里葉轉(zhuǎn)換、模態(tài)分析和激光技術(shù)；設(shè)計(jì)、制造工藝、試驗(yàn)測(cè)量和運(yùn)行監(jiān)測(cè)等方面的電子計(jì)算機(jī)技術(shù)；壽命監(jiān)控方面的超聲檢查和耗損計(jì)算。此外，還將研制氟利昂等新工質(zhì)的應(yīng)用，以及新結(jié)構(gòu)、新工藝和新材料等。
發(fā)展瓶頸主要在材料上，材料問(wèn)題解決了，單片的功率就可以更大。MarketsandMarkets研究報(bào)告顯示，2014年全球汽輪機(jī)市場(chǎng)規(guī)模約為148億美元，預(yù)計(jì)到2020年將達(dá)到192.92億美元（約合人民幣1232億元），以4.4%的年均復(fù)合增長(zhǎng)率增長(zhǎng)。
常見(jiàn)問(wèn)題
在汽輪機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，汽輪機(jī)滲漏和汽缸變形是最為常見(jiàn)的設(shè)備問(wèn)題，汽缸結(jié)合面的嚴(yán)密性直接影響機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，檢修研刮汽缸的結(jié)合面，使其達(dá)到嚴(yán)密，是汽缸檢修的重要工作，在處理結(jié)合面漏汽的過(guò)程中，要仔細(xì)分析形成的原因，根據(jù)變形的程度和間隙的大小，可以綜合的運(yùn)用各種方法，以達(dá)到結(jié)合面嚴(yán)密的要求。
汽缸漏氣原因
1．汽缸是鑄造而成的，汽缸出廠后都要經(jīng)過(guò)時(shí)效處理，就是要存放一些時(shí)間，使汽缸在住鑄造過(guò)程中所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力完全消除。如果時(shí)效時(shí)間短，那么加工好的汽缸在以后的運(yùn)行中還會(huì)變形，這就是為什么有的汽缸在第一次泄漏處理后還會(huì)在以后的運(yùn)行中還有漏汽發(fā)生。因?yàn)槠走€在不斷的變形。
2．汽缸在運(yùn)行時(shí)受力的情況很復(fù)雜，除了受汽缸內(nèi)外氣體的壓力差和裝在其中的各零部件的重量等靜載荷外，還要承受蒸汽流出靜葉時(shí)對(duì)靜止部分的反作用力，以及各種連接管道冷熱狀態(tài)下對(duì)汽缸的作用力，在這些力的相互作用下，汽缸發(fā)生塑性變形造成泄漏。
3．汽缸的負(fù)荷增減過(guò)快，特別是快速的啟動(dòng)、停機(jī)和工況變化時(shí)溫度變化大、暖缸的方式不正確、停機(jī)檢修時(shí)打開(kāi)保溫層過(guò)早等，在汽缸中和法蘭上產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力和熱變形。
4．汽缸在機(jī)械加工的過(guò)程中或經(jīng)過(guò)補(bǔ)焊后產(chǎn)生了應(yīng)力，但沒(méi)有對(duì)汽缸進(jìn)行回火處理加以消除，致使汽缸存在較大的殘余應(yīng)力，在運(yùn)行中產(chǎn)生永久的變形。
5．在安裝或檢修的過(guò)程中，由于檢修工藝和檢修技術(shù)的原因，使內(nèi)缸、汽缸隔板、隔板套及汽封套的膨脹間隙不合適，或是掛耳壓板的膨脹間隙不合適，運(yùn)行后產(chǎn)生巨大的膨脹力使汽缸變形。
6．使用的汽缸密封劑質(zhì)量不好、雜質(zhì)過(guò)多或是型號(hào)不對(duì)；汽缸密封劑內(nèi)若有堅(jiān)硬的雜質(zhì)顆粒就會(huì)使密封面難以緊密的結(jié)合。
7．汽缸螺栓的緊力不足或是螺栓的材質(zhì)不合格。汽缸結(jié)合面的嚴(yán)密性主要靠螺栓的緊力來(lái)實(shí)現(xiàn)的。機(jī)組的起停或是增減負(fù)荷時(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)力和高溫會(huì)造成螺栓的應(yīng)力松弛，如果應(yīng)力不足，螺栓的預(yù)緊力就會(huì)逐漸減小。如果汽缸的螺栓材質(zhì)不好，螺栓在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行當(dāng)中，在熱應(yīng)力和汽缸膨脹力的作用下被拉長(zhǎng)，發(fā)生塑性變形或斷裂，緊力就會(huì)不足，使汽缸發(fā)生泄漏的現(xiàn)象。
8．汽缸螺栓緊固的順序不正確。一般的汽缸螺栓在緊固時(shí)是從中間向兩邊同時(shí)緊固，也就是從垂弧最大處或是受力變形最大的地方緊固，這樣就會(huì)把變形最大的處的間隙向汽缸前后的自由端轉(zhuǎn)移，最后間隙漸漸消失。如果是從兩邊向中間緊，間隙就會(huì)集中于中部，汽缸結(jié)合面形成弓型間隙，引起蒸汽泄漏。
漏油
在現(xiàn)代工業(yè)的連續(xù)生產(chǎn)中，由于介質(zhì)腐蝕、沖刷、溫度、壓力、震動(dòng)等因素的影響，設(shè)備、管道、閥門及容器等都不可避免的出現(xiàn)泄露問(wèn)題。帶壓堵漏技術(shù)是在不影響正常生產(chǎn)的前提下，帶溫、帶壓修復(fù)滲漏部位，達(dá)到重新密封的一種特殊技術(shù)手段。由于這種技術(shù)有事是在工藝介質(zhì)、壓力、流量均不降低，且有介質(zhì)外泄的情況下實(shí)施的，因此它與傳統(tǒng)的停車堵漏具有本質(zhì)的區(qū)別，其經(jīng)濟(jì)價(jià)值更加顯著。
常見(jiàn)故障
裂紋滲漏
汽輪機(jī)的油動(dòng)機(jī)等液壓設(shè)備，在工作過(guò)程中承受較大的壓力及振動(dòng)力。由于設(shè)備材質(zhì)為鑄鐵，鑄造過(guò)程中難免存在不易發(fā)現(xiàn)的鑄造缺陷，加上長(zhǎng)時(shí)間滿負(fù)荷運(yùn)行，在殼體的薄弱部位極容易出現(xiàn)砂眼滲漏或裂紋滲漏，使設(shè)備無(wú)法正常工作，液壓油的泄漏同時(shí)給現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境造成極大的安全隱患，嚴(yán)重威脅企業(yè)的安全連續(xù)化生產(chǎn)。
在出現(xiàn)此類問(wèn)題后，企業(yè)往往沒(méi)有及時(shí)有效的解決手段，由于鑄鐵的焊接性能非常差，加上液壓設(shè)備的密封性要求較高，傳統(tǒng)的焊補(bǔ)工藝根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)修復(fù)。而現(xiàn)場(chǎng)一般沒(méi)有此類設(shè)備的備品備件，購(gòu)買更換需要大量的停機(jī)時(shí)間。上述問(wèn)題已可以使用高分子復(fù)合材料進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)，其優(yōu)良的機(jī)械性能及良好的粘接力、耐壓性，使得該問(wèn)題得以有效解決。施工過(guò)程簡(jiǎn)單快速可滿足現(xiàn)場(chǎng)施工之要求，并可延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命、提高生產(chǎn)率。
氣缸變形
氣缸變形的原因與汽缸壁及法蘭金屬的厚度和結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)，與啟停工況時(shí)投入法蘭、螺栓加熱的操作有關(guān)，與汽缸保溫情況也有一定的關(guān)系，還與制造過(guò)程有關(guān)。由于汽缸鑄造時(shí)的時(shí)效問(wèn)題，以及復(fù)雜的受力情況，汽缸變形是不可避免的問(wèn)題，通常會(huì)表現(xiàn)為汽缸出現(xiàn)內(nèi)張口或外張口的情況，而且低壓缸更容易出現(xiàn)這個(gè)問(wèn)題。出現(xiàn)此問(wèn)題后，應(yīng)避免采用開(kāi)槽等破壞性的修復(fù)手法，目前西方國(guó)家應(yīng)用比較成熟的技術(shù)是采用德國(guó)西門子能源事業(yè)部采用的高溫平面密封劑修復(fù)技術(shù)對(duì)變形的結(jié)合面間隙進(jìn)行直接修復(fù)。
參考資料
[1]
《汽輪機(jī)汽缸滲漏高溫密封應(yīng)用資料 》[引用日期2011-03-16]
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這家伙太懶了，什么都沒(méi)寫(xiě)！
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