汽轮机是用蒸汽来作功的旋转式原动机。来自锅炉或热网的蒸汽，经脱扣节流法阀或事故切断阀、调速阀进入汽轮机，依次高速流经一系列环形配置的喷嘴(或静叶栅)和动叶栅而膨胀作功推动汽轮机转子旋转，将蒸汽的动能转换成机械功。这便是汽轮机简单的工作原理。汽轮机可按工作原理分为：冲动式、反动式、冲动式与反动式的组合式汽轮机。
首先，我们对这几类汽轮机的工作原理作一下介绍。
1 汽轮机的工作原理
(1) 冲动式汽轮机
冲动式汽轮机的最简单的结构如图4所示。叶轮上装配一圈动叶片与喷嘴配合在一起，构成一个做功的简单机械。我们把由喷嘴和与其配合的动叶片构成的汽轮机作功的单元称级。
由一个级组成的汽轮机叫单级汽轮机。
喷嘴又叫静叶片。它是一个截面形状特殊且不断变化的通道。蒸汽进入喷嘴后发生膨胀、消耗了蒸汽的压力能，即消耗了蒸汽的热能，蒸汽的压力及温度都下降了，而蒸汽的流速却增加了，获得了高速气流。喷嘴的作用就是将蒸汽的热能转变为动能。
???????????? 动叶片又称工作叶片。在叶轮的外圆周上装满的一整圈叶片，常叫动叶栅。由喷嘴流出的高速气流流至动叶片时，其速度的大小及方向是一定的，之后气流由于受到动叶片的阻碍（作用力），改变其原来的速度的大小及方向，这时候气流必然给动叶片一个反作用力，推动叶片运动，将一部分动能转换成叶轮旋转的机械功。
???????????? 由上述可知，在汽轮机连续工作过程中有两次能量转换，即:热能→蒸汽动能→转子机械能。
???????????? 为了更好的理解汽轮机的工作原理，下面分析一下冲动式汽轮机的动叶片型式。
如果我们用一个直立的平板，让高速气流冲击到它的表面上，平板由于受到气流的冲击作用而发生运动。但因在平板的表面附近产生了很大的扰动和涡流损失，如图5-a所示，使蒸汽中大量的有用能量不能得到很好的利用以至造成浪费。所以经过大量的实践改进，现在汽轮机的动叶片做成弯曲形。如果要产生最大的作用力，就要使蒸气的喷射方向与动叶片的运动方向一致，然后再转一个180°而离开动叶片，如图5-b所示，这时动叶片受到的冲击力如图6所示。
??????????????图5 冲动式汽轮机动叶片的分析图???????????? 图6 蒸汽微团作用在叶片上的离心力
气流以C1的速度流向曲面，它相当于汽轮机的动叶片，并能沿平行于气流的方向移动。气流进入弯曲流道内弧所构成的汽道后,便沿着内弧逐步改变其流动方向，最后流出汽道时的速度为C2方向恰与C1方向相反。当气流流过曲面时，实际上作圆周运动，因此组成气流的每一个蒸汽微团都受到叶片所作用给它的一个向心力，同时叶片受到汽流给它一个大小相等、方向相反的反作用力。假如气流微团的离心力用向量表示。在1点处的离心力P1可分解成轴向分力P1Z及运动方向上的分力P1U、在2点处的离心力P2也可以分解成渝P2Z和P2U。轴向分离P1Z和P2Z恰好相互抵消，因为此二力大小相等、方向相反，且共同作用在一个叶片的同一条支线上。同样，其它点的轴向分离也相互抵消，因此气流的离心力在轴向上的分力之和为零，即
P1Z+P2Z+…..=0
在弯曲面运动方向上的分力之和等于P，即
?????????????? P1U+P2U+…..=0
在这个P力的作用下，弯曲面（叶片）向右运动，通过叶轮及轴产生旋转运动。若带动压缩机和泵、风机等机械，就可以输出机械功。这就是冲动式汽轮机的工作原理。
实际上，由于机械结构等方面的限制，从喷嘴流出来的气流不能与动叶片的运动方向完全相同，而成一个夹角。动叶片也不是一个半圆弧，而是由好几段曲线组成，一般是圆弧和抛物线弧。如图所示7所示。
(2) 速度级和压力级
前面已经介绍级的概念，从结构上看，汽轮机的一个级是有喷嘴（几个或整个圆周布置的喷嘴）和一列动叶片组合起来的装置，从动作原理来看，就是能造成高速气流、能将速度能转换成机械能，并产生推力对外做功的基本单元。级可以分成压力级和速度级，简单介绍如下。
A 压力级
在可以利用的蒸汽能量很大的情况下，只有一个级不能充分利用这些能量。这时，我们把由喷嘴和动叶片组成的级串联在同一根轴上，将蒸汽的能量分别在若干个级中加以利用。从结构来看，就是一列喷嘴和一列动叶片，其后又是一列喷嘴和一列动叶片，这样逐次排列下去。在第一列喷嘴进口处的蒸汽压力最高，以后逐级降低，这就是常见的多级汽轮机的结构形式，其中的每个级，都叫做压力级。
B 速度级
压力级外，在有些汽轮机上还设有速度级。速度级又叫复速度级或寇蒂斯级。速度级比压力级在结构上复杂一点。
图8是具有双列速度级的单级冲动式汽轮机示意图，它比单级冲动式汽轮机对蒸汽能量的利用更充分一点，由轴1、叶轮2、双列动叶片3及6构成转子；由喷嘴4、导向叶片7、气缸5、排气气管8等组成的静子部分。
?????????????????????? 图8????????????具有双列速度级的单级冲动式汽轮机示意图
如果冲动式级在工作时，离开动叶片的速度仍很大，这就说明还没有充分利用蒸汽的动能来作功。为了利用这部分能量，在同一叶轮的轮缘上在要装置第二动叶栅，使蒸汽流过两列转动的叶栅，第一列动叶栅通道中蒸气能量中的一部分转换为机械能，而其余的蒸汽能则由第二列动叶栅继续将能量转换为机械能。为了使蒸汽流以一定的方向流入第二动叶栅，在第一、二列动叶栅之间装一列固定的叶片，起导向作用，称之为导向叶片，它是装在气缸上的。
速度级与冲动式压力级的工作原理是一样的，不同的就是蒸汽的速度在第一、二列动叶栅中分别加以利用。
除双列速度级以外，还有三列速度级，但常用的是双列速度级。经常用它做成小功率的汽轮机，带动风机及其它各种泵等，也可以用它做多级汽轮机的头一级。
(3) 反动式汽轮机
反动式汽轮机是利用反作用力与冲击力将蒸汽的速度能转换为机械能的。反动式汽轮机的工作原理同样是基于惯性定律和作用力与反作用力定律的。
图9是反动式汽轮机的结构示意图。动叶片安装在转鼓上，轴、平衡活塞及转鼓组成了转子。静叶片安装在气缸上，与进、排气管等组成静子 。
反动式的级仍然是由一列静叶栅和一列动叶栅组成。它的工作原理是：在静叶栅中气流与经过喷嘴时相似，压力降低，容积膨胀，速度增加；而它的动叶栅也做成截面渐收缩的汽道，气流在动叶栅中进一步降压，膨胀加速。根据惯性定律可知，运动的物体如果不受外力的作用的话，则一定按照它原来的速度大小及方向运动下去。气流既然在动叶栅之中获得了加速度，那必然有外力作用在其气流上，这个力是由于在动叶栅中降低了气流的压力和温度，即气流的热能转换为动能所获得的。在动叶栅中进一步使气流降压、增速并以高速离开，这时气流必然给动叶栅一个大小相等、方向相反的作用力，使动叶栅转动带动轴旋转的对外做功。这就是反动式汽轮机的工作原理。
反动原理在汽轮机中的实际应用，如图10所示。这是反动式汽轮机中的一个级的断面示意图。蒸汽在静叶栅中膨胀后达到较高的速度，蒸汽离开静叶栅后，进入动叶栅气道，沿着气道壁的内弧改变方向，因此动叶片就受到由于冲动原理产生的冲击力，记为P冲；又由于气流在动叶栅气道内从P1膨胀降压至P2，因而动叶片上又受到由于反动原理而引起的反作用力P反的作用。P冲与P反的合力为Pu。此外，动叶片前后有压差也引起一个轴向力P轴。Pu与P轴的合力为P总，这就是作用在动叶片上的力。沿动叶片运动方向的分力，使动叶片向右移动，并做机械功，因此，作用在反动式汽轮机的级的动叶片上的力，既有冲动力，也有反作用力。
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图9?????????? 单级反动式汽轮机示意图????????????????????图10????????????反动式汽轮机的级
实用的反动式汽轮机，都采用多级型式，其工作原理与前面分析的单级反动式汽轮机的工作原理基本一样。
为了分析方便，前述冲动式级，实际上是指在动叶栅中没有膨胀发生的情况，有人把它叫做纯冲动式级。
近代常用的汽轮机，实际上用的是带反动度的冲动式汽轮机。在这种汽轮机中，动叶栅中也有汽流膨胀，但比喷嘴中的膨胀程度小些。
所谓反动度，就是在动叶栅中蒸气膨胀的程度占级中总的应该膨胀程度的比例数，或是在动叶栅中的理想焓降之比，常用ρ表示反动度。
纯冲动式级的ρ=0；反动级的ρ=0.5；带反动度的冲动式级的0<ρ<0.5。带有不大反动度的冲动级使用最广泛，它可以提高冲动式汽轮机的效率。
(4) 冲动反动组合式汽轮机
这类汽轮机的前一级或前几级为冲动式，后面的即为反动式。
2 汽轮机的结构及用途
汽轮机实现能量转换，主要是通过喷嘴把热能转换为动能，通过动叶栅把动能转换为机械能。因此，喷嘴一般做成静止零件，用各种不同的方法固定在气缸上，形成汽轮机的静止部分；而动叶栅则安装在转动轴上，形成汽轮机的转子部分。所以汽轮机的主要是有转子、静子两大部分组成。
(1)?????????? 转子部分
也就是汽轮机的转动部件，靠固定于汽缸上的前后两个轴承支撑，由主轴、叶轮、叶片组成，并通过联轴器与被驱动机械相连。转子做高速旋转，把蒸汽作用到叶片上力矩传动给驱动机械，达到对外做功的目的。
转子的性能要求
???????????? 为使转子能安全可靠的运行，必然满足下列条件：
A 必然有一定的强度，以满足支持自身重量和传动转矩的要求。
B 必须经过严格的动平衡，以免高速旋转时产生过大的离心力引起汽轮机振动和损坏
C 必须使汽轮机的临界转速和运行转速避开一定距离，以免发生共振。
D 必须安装平衡盘、推力盘和轴套，用以平衡转子的轴向推力和并使转子在轴向定位。
转子的结构形式，一般有整锻式、套装式、组合式、焊接式、转鼓式等。
转子的轴向推力及其平衡
蒸汽在汽轮机的通流部分膨胀做功时，转子上受两部分力，一部分叫做轮周力，是产生转矩对外做功的有益力；另一部分沿叶轮轴从高压端指向低压端，企图推动转子向汽流方向运动，所有叶轮轴向力之代数和，就是整个转子的轴向推力。转子的轴向推力一般要采取措施平衡掉大部分，剩余的部分由推力轴承承担。如果推力过大，就会影响轴承寿命，严重时会烧坏轴瓦，引起转子上动静部分碰撞，以致损坏机器，因此，在运行中必须严密监视转子轴向推力变化，确保机组安全运行。
???????????? 一般来说，作用与汽轮机转子的轴向推力来源于以下几种因素：
a 叶轮两侧的压力差.
b 动叶片上的轴向力.
c 轴上各处直径不同引起的受力.
汽轮机转子所受轴向推力很大，高压汽轮机（反动式）可达到几百吨，为确保机组的安全运行，一般采取下列措施平衡轴向力.
a 使用推力轴承。目的是固定转子在气缸中的位置，承受转子上的少部分轴向推力.
b 使用平衡活塞或平衡盘。如图11所示，在转子通流部分对侧，将转子做成阶梯形，以产生相反的轴向推力，此阶梯凸台就叫平衡活塞。其右侧为高压蒸汽，左侧与汽室相同，受低压蒸汽作用，因而产生向左的轴向力，以平衡部分轴向力。对冲动式汽轮机因其总的轴向推力不大，一般将高压汽封套直径做大些，也可以起到类似的作用.
c 开平衡孔。由于汽轮机叶片两侧存在压力差，在轮盘上开有贯通两侧的小孔，即平衡孔，可减少轮盘上的轴向推力。平衡孔一般开5-7个奇数孔，以免在叶轮同一直径上形成对称孔，影响叶轮强度。另外开奇数孔对减轻叶轮震动也有好处。但此法会使汽轮机效率有所降低。
??????????????图11?????????? 平衡活塞
d 采用相反流量布置。如图12所示，使蒸汽在高低压缸或各区域内流向相反，而产生反方向的轴向推力，以相互抵消而达平衡。
(2) 静子部分
即汽轮机的静止部分，包括汽缸、前后支承轴承、推力轴承、喷嘴组、隔板、支撑与滑销系统、汽封系统和机座等。
????????????????????????????????图12???????????? 相反流动的布置方案
A 汽缸（机壳）
其缸的作用是支撑转子、容纳并通过蒸汽，将汽轮机通流部分（喷嘴、转子、隔板等）与大气隔开，保证蒸汽在机内完成其做功过程。
在运行中，气缸会承受蒸汽与大气压力差、轴向拉应力、部件重量、振动及热应力等多种作用，一般作为薄壳双层，既要可靠的固定在机座上，又要有一定的自由膨胀裕度。
B 支撑与滑销系统：
目的是承受汽缸重力，并使汽缸在受热状况下的热膨胀有一定方向。
C 喷嘴组和隔板：
喷嘴作用如前所述，它是将蒸汽热能转化为动能的重要部件；隔板则使各组叶轮在单独的蒸汽室中运行，达到热能的充分利用。
D 汽封装置：
在汽缸两端、叶轮和隔板处，为避免动静部件碰撞而留有间隙。由于这些间隙前后压力差存在，主轴通过间隙处必然有漏气，从而降低机组运行的经济性并造成损失。汽封装置作用就是减少漏气，确保机组安全运行。
轴端漏气不但造成部分蒸汽热能的浪费，影响汽轮机经济性，还会破坏润滑、造成油中带水、轴承润滑不良等后果。另外，汽缸后侧漏入空气，对排气温度和凝汽设备的真空建立也有一定危害。
汽轮机的汽封装置有多种形式，最常用的是迷宫式汽封，通过蒸汽的节流流动降低密封齿前后的流动压差和流速，从而减少漏气量，达到密封的目的。
E 轴承：
按其所起的作用可分为支持轴承（又叫径向轴承）和推力轴承。支持轴承的作用是承受径向力，保持主轴与汽缸中心线一致，确保转子的正常运转。推力轴承则用来承受转子轴向力，限制转子轴向串动，保持转子轴向位置。目前汽轮机和离心式压缩机绝大多数采用的是油润滑动压轴承，通过建立油膜压力承受载荷。
3汽轮机的功率和效率
(1) 汽轮机的功率
我们知道，汽轮机的功是热能转换来的，而功率则表示单位时间的功。在汽轮机运行管理工作中，将接触到以下几种功率：
A 理想功率
表示不考虑任何损失，蒸汽在汽轮机中作理想膨胀，单位时间内将全部热能都转换为功。
1公斤蒸汽具有的能量可用热量表示为：
g=io-i排=Ht
G公斤蒸汽具有的能量表示为热量：
Q=G（io-i排）=GHt
式中：io---在入口状态参数下的新蒸汽的焓
?????????????? i排---排气压力、温度下的蒸汽的焓
?????????????? Ht-----理想焓降
在理想的情况下，蒸汽能量都转化为机械功应为：
?????????????? L=427Q=427 GHt
在实际工作中，知道每小时的重量流量，就可相应算出相应的理想功率。
B 内功率
从理想功率中扣除内部损失后得到的功率叫做内功率。它表示汽轮机通流部分可以发出的功率。（所谓通流部分就是流经汽轮机的蒸汽经过各级喷嘴和动叶栅的流道完成二次能量转换，这条汽道叫做通流部分）。
C 轴功率
从内功率中扣除外部损失消耗后的功率，叫做轴功率，它表示汽轮机轴端输出功率，是可以被利用的功率，所以也叫有效功率。
D 汽轮机的效率
效率是衡量经济性的重要指标，由于汽轮机实际工作有各种损失，所以热能并不能全部转变为功。实际发出的功率与理论上应发出的功率之比，就是汽轮机的效率，叫做相对效率。
相对内效率：内效率与理想功率之比叫做相对内效率，它说明内部损失的大小。
相对有效效率：汽轮机的轴功与理想功之比叫做相对有效效率。
有效效率明汽轮机内部及外部损失的大小，表示汽轮机的综合经济指标，汽轮机的功率越大，有效功率就越大，有效效率就越大。实际工作中还用实际有效汽耗率表示汽轮机的经济性．汽耗率，它表示单位轴功率所消耗的蒸汽量。
实际上用的汽轮机汽耗率是用实验或计算的方法求得。
汽轮机的机械效率反映了汽轮机在机械方面的工作效能，它是轴功率和内功率之比，一般为0.96~0.995。
汽轮机按照热力过程分为:
1、凝汽式汽轮机
蒸汽在汽轮汽机中作功后全部排入凝汽器冷凝，凝汽器内部压力比大气压低。
2、抽气凝汽式汽轮机
蒸汽在汽轮机膨胀至某级时，将其中一部分蒸汽从汽轮机中抽出来，供给其它的蒸汽用户；其余蒸气在后面级中作功后排入凝汽器。双甲车间的空气压缩机/增压机及发电机驱动透平就是抽气凝汽式的。
3、背压式汽轮机
蒸汽进入汽轮机膨胀作功后，在大于1个大气压的压力下排出气缸，其排气供其它低压用户。
4、多压式(注入式)汽轮机
若工艺过程中有某一压力的蒸汽用不完时，就把这些多余的蒸汽用管道注入汽轮机中的某个中间级内并同原来的蒸汽一起在透平内膨胀作功，从而回收能量。
汽轮机也可按蒸汽压力分为低压(2.0 Mpa以下)、中压(2.0～5.0Mpa)、高压(5.0～10.0Mpa)、超高压(12.0～14.0Mpa)及超临界(22.5Mpa以上)的汽轮机。
此外，也可按工作原理分为：冲动式、反动式、冲动式与反动式的组合式汽轮机等。
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