汽轮机

汽轮机（Steam Turbine）是以蒸汽为工质并将蒸汽的热能转化为机械功的热力透平机械。^[3][2]

汽轮机的基本工作原理及其很不完善的原始结构在很早以前就已产生，如中国的走马灯、古埃及的希罗球等。1883年，瑞典工程师拉伐尔制造了单级冲动式汽轮机。次年，英国工程师帕森斯制造了多级反动式汽轮机。1896年，美国工程师冠蒂斯制造出速度级汽轮机。1902年，法国拉托教授制造出多级冲动式汽轮机。这些以不同理论制造的各种形式原型汽轮机建立了汽轮机发展的基础。20世纪30年代，汽轮机在动力工业和舰船上作为主机得到广泛应用。^[4]1955年，中国第一台6000千瓦汽轮机在上海汽轮机厂试制成功。^[1]截至2000年，汽轮机发电占全球发电量的近三分之二。^[4]

汽轮机的工作原理是以蒸汽为工质，并将蒸汽的热能转换为机械功。^[5]汽轮机主要分为静止部分、转动部分和附属装置等三大部分，可根据工作原理、工质流动、转子轴线位置、汽缸数目等标准分类。^[6][4]该机器的优点是工作稳定、维护简单、工作寿命长、工质流速高、制作工艺成熟等，缺点是装置复杂、耗油率高、相对重量指标高、机动性差等。^[4] 汽轮机在能源、电力与动力工程等领域占据重要地位，其主要技术发展趋势包括采用大容量机组、提高主蒸汽初压和初温、采用燃气-蒸汽联合循环、提高机组的运行可靠性等。^[3]

汽轮机的基本工作原理及其很不完善的原始结构在很早以前就已产生。如中国具有悠久历史的走马灯和风车等，就是原始的冲动式汽轮机雏形。走马灯中被灯火加热而上升的气流，冲击叶轮旋转做功，带动灯筒旋转。风车、水车、水磨等，则是利用自然界中存在的流动工质，冲击叶轮旋转做功的冲动式轮机的原型。^[4]

公元前150年，古埃及制造出的希罗球和中国烟火中的火轮，则是工质不同的反动式汽轮机的原始型式。然而，由于当时的经济条件和技术发展条件所限制，这几种形式的汽轮机原型都没能发展成为工业上的发动机，只成为有趣的玩具，长期停留在原始状态的动力机械原型。^[4]

在西方进行工业革命之后，资本主义国家出现了许多大的工厂和作坊，迫切需要强大的动力源，而工业技术的发展也为新型发动机的制造提供了技术条件。1883年，瑞典工程师拉伐尔制造了一台单级冲动式汽轮机，转速高达25000r/min，却只有3.8kW，然而确是制造现代大功率工业汽轮机的开始，在以后不断的改进提高过程中得到了发展和完善。1884年，英国工程师帕森斯制造了一台多级反动式汽轮机，转速为17000r/min，有7.5kW。1896年，美国工程师冠蒂斯制造了速度级汽轮机。1902年，法国拉托教授制造出了多级冲动式汽轮机。这些以不同理论制造的各种形式原型汽轮机，建立了汽轮机发展的基础。^[4]

之后，汽轮机在原理、结构、工艺等各方面得到迅速发展。20世纪30年代，汽轮机在动力工业和舰船上作为主机得到广泛应用，二次大战后空气动力学理论的发展成果应用于汽轮机设计，提高了它的工作效率。新的结构、材料及强度理论等现代科学的发展成就，促进了汽轮机制造工艺的飞速发展，生产出高参数、高效率的大功率机组。满足了各个领域对动力的需求，特别是促进了电力工业的飞速发展，为社会经济技术的进一步发展提供了强大的电力。^[4]

1951年年初，大连一家发电厂一台1.5万千瓦的汽轮机突然发生故障，造成整个东北电网供应紧张。上海通用机器厂（上海汽轮机厂前身）立即展开抢修工作，在缺少图纸、缺少设备和缺少经验的条件下，使几乎报废的汽轮机重新工作。1953年，国家实行第一个五年计划，决定在上海成立发电设备制造基地，上海通用机器厂因曾抢修过汽轮机，被国家命名为“上海汽轮机厂”，这是新中国第一家汽轮机厂。当时的上海汽轮机厂只能生产电动葫芦、小型水泵等产品。^[1]

上海汽轮机厂建厂伊始，工厂接到试制中国第一台6000千瓦汽轮机的任务。当时只有捷克斯洛伐克专家组提供的汽轮机图纸。加工设备除了批准引进一台动平衡机外，一律使用工厂原有旧设备。图纸要求汽轮机叶根公差仅为0.009毫米，而工厂最好的铣床公差也在0.02毫米以上。一台汽轮机由七万多个零件组成，关键零件加工精度要精确到一个头发丝的七分之一。而且，汽轮机要在高温、高压下高速运转，制造非常困难。之后，朱顺余、万定国等发明了“半自动靠模工具”，装在普通铣床进行试验，经过十九次改进，最终获得成功。加工出来的叶片，质量完全达到设计要求。^[1]

1955年，中国第一台6000千瓦汽轮机在上海汽轮机厂试制成功。1958年9月，中国第一台2.5万千瓦汽轮机在哈尔滨汽轮机厂设计制造成功。此后，哈尔滨汽轮机厂相继设计制造了中国第一台5万千瓦、第一台10万千瓦、第一台20万千瓦汽轮机；及中国第一台30万千瓦热电联供汽轮机、第一台60万千瓦超临界汽轮机，哈汽公司成功地为秦山核电站研制了两台65万千瓦核电汽轮机，积累了丰富的设计制造经验，为进一步发展百万等级核电汽轮机准备了必要条件。^[1]

20世纪60年代后期，先进的工业国家制造了超临界参数（23.52MPa/565℃）、单机功率为400-600MW的汽轮发电机组。20世纪70年代，又制造出1200MW的汽轮发电机组。截至2000年，汽轮机发电仍占全球发电量的近三分之二。^[4]

2019年6月，杭州汽轮机股份有限公司制造的年产150万吨乙烯装置用汽轮机试车成功，这套装置配套用工业汽轮机机组，最大功率达90万千瓦，标志着世界最大的驱动用工业汽轮机在杭州诞生（截至2021年）。杭州汽轮设备的成功试车，意味着中国工业驱动用汽轮机的制造已达到全球顶尖水平。截至2021年，中国可以生产百万千瓦以上的超超临界汽轮机、百万千瓦等级的核电汽轮机、舰船主动力蒸汽汽轮机和重型燃气轮机组。中国已成为全球火力发电设备销量第一的制造强国。^[1]

汽轮机以蒸汽为工质，并将蒸汽的热能转换为机械功。蒸汽在汽轮机中将热力势能转换成机械功的全过程是需要在喷嘴叶栅和动叶栅内共同完成的，一列喷嘴叶栅和相应的一列动叶栅便组成了汽轮机中能量转换的基本单元，称为“级”。一台汽轮机可由一级或若干级串联组合而成为单级汽轮机或多级汽轮机。^[5]

蒸汽在汽轮机中的能量转换包括两个过程。首先，当一定温度和压力的蒸汽经过喷嘴叶栅时，将热能转换成蒸汽高速流动的动能；然后，当高速汽流经过动叶栅时，将动能转换成转子旋转的机械能，从而完成利用蒸汽热能驱动各类机械做功的任务。^[5]

蒸汽在固定不动的喷嘴中流动，其压力降低，流速增加，将蒸汽的热力始能转换成动能。从喷嘴出口喷出的高速汽流，进入动叶流道，在流动过程中对动叶产生作用力，推动其作圆周运动，带动叶轮和轴旋转，对外做机械功。^[5]

汽轮机主要分为静止部分、转动部分和附属装置等三大部分。静止部分由上下两半个汽缸组成，汽缸里面装有喷嘴、隔板、隔板汽封等。转动部分主要是转子，转子包括大轴及大轴上的叶轮和叶轮边缘上装有的叶片；大轴一端装有蜗杆吊动调速器，一端装有靠背轮联接发电机转子。附属装置包括主汽门、调节汽门、包急保安器、调速器、汽动油泵、油箱、冷油器、抽汽门、仪表盘及仪表等。^[6]

反动式汽轮机指蒸汽不仅在喷嘴中，而且在动叶片中也进行膨胀的汽轮机。反动式汽轮机与冲动式相反，在总功率相同时，其级数比冲动式多，但效率较高。由于蒸汽在反动级动叶栅中继续膨胀，在动叶栅存在压力差，因此反动级不能部分进汽，所以反动式汽轮机的第一级（也即调节级）通常是冲动级或速度级，在结构上，由于反动级动叶栅两侧有压力差，为避免过大的轴向推力，一般采用转鼓形转子，这也可以使机组的轴向尺寸有所减少。此外，反动式汽轮机转子上一般都装有平衡盘，以平衡部分轴向推力。^[3]

冲动式汽轮机指蒸汽仅在喷嘴中进行膨胀的汽轮机，在冲动式汽轮机的动叶片中，蒸汽并不膨胀做功，而只是改变流动方向，其特点是：蒸汽主要在喷嘴中进行膨胀，在动叶片中不再膨胀或膨胀很少，而主要改变流动方向，现代冲动式汽轮机各级均具有一定的反动度，即蒸汽在动叶片中也发生很小的一部分膨胀，从而使气流得到一定的加速作用，但仍算作冲动式汽轮机。^[3]

参考资料：^[4]

世界上已投运的火电用汽轮机，最大单机功率双轴为1300MW（24.7MPa，538℃/538℃），单轴为1200MW（24.0MPa，540℃/540℃）.核电机组大多数采用5.0-7.0MPa的饱和蒸汽轮机与轻水反应堆配套，其最大单机功率达1500MW。大型饱和蒸汽轮机通常设计成单轴半速（1500r/min或1800r/min），采用外部水分离和新汽再热装置以及特殊的内部去湿、疏水和恶防蚀措施，以提高汽轮机的效率和可靠性。^[2]

参考资料：^[7]

汽轮机具有转速高、运转平稳、功率大、结构简单、耐用可靠等特点，是现代火力发电站、核能发电站和大型船舶中最主要的原动机。^[8]

汽轮机工作稳定。汽轮机连续工作时其温度场和应力场稳定、工质流动连续不间断。在稳定工况时，汽轮机各部分的压力、温度、应力也都是稳定的，则主要部件的温度场和受力状态都是稳定的。因此，材料的使用、强度计算比较简单，并且是可靠的。而内燃机或蒸汽机不仅工质流动是脉动的，汽缸内的工质参数也是周期性变化的，各承力部件受到周期性冲击载荷作用。^[4]

汽轮机是高速回转机械。汽轮机的主要运动部件都做高速回转运动。运动部件的高速回转，可以使发动机设计得重量轻、尺寸小。另一方面回转运动是比较简单的运动方式，工作中除了轴承外没有机械磨损部件，工作平稳，振动噪音小。运行中维护操作简单，需更换部件少，所以工作寿命很长，一般可达20年以上，并可在现场进行检修。^[4]

汽轮机工质流速高。因为工质在汽轮机通流部分内运动是连续不断的，可以实现流动损失较小的高速流动，这样在单位时间进入汽轮机内参加工作的工质数量多，汽轮机就可以发出强大的功率，所以汽轮机的单机功率可以达到1500MW，这是任何其它种类发动机所望尘莫及的。^[4]

蒸汽轮机设计制造工艺成熟，工作安全可靠，可使用普通材料，各国都已标准化。汽轮机组可以燃用各种燃料：重油、渣油、煤、褐煤等，应用核燃料作为能源更是汽轮机应用的新途径，这是其他种类发电机所不能比拟的。^[4]

汽轮机的装置复杂。虽然汽轮机本体结构简单，维护运行方便，但汽轮机工作时需要蒸发器或锅炉及大量辅机配合进行，这就增加了运行岗位和维护工作量（虽然提高动力装置自动化使其得到改善），与柴油机相比则是一个很大的缺点。^[4]

蒸汽轮机装置耗油率较高。舰船用蒸汽轮机装置的耗油率比柴油机要高些。尽管与燃气轮机装置相比数值上相差不多，但燃气轮机燃用的是价格昂贵的煤油或柴油，而蒸汽轮机装置的燃料油是重油，价格要便宜得多，而电站蒸汽轮机装置燃用的主要是煤粉，经济型反而更好些。^[4]

汽轮机装置的相对重量指标较高，这主要是和高速柴油机及燃气轮机相比较。蒸汽轮机装置的相对重量为13.60-20.4kg/kW，中速柴油机约为16.32-23.12kg/kW，低速柴油机则达54.4-95.2kg/kW，燃气轮机中加速机组为0.816-27.2kg/kW。^[4]

蒸汽轮机机动性较差。常规蒸汽动力装置正常启动需要1小时，紧急启动时也需要20分钟才能离开码头，且不能全负荷工作。而内燃机和燃气轮机的机动性都很好，只需3-5分钟就可以达到全负荷工作。^[4]

汽轮机作为最主要的热力原动机，在能源、电力与动力工程等国民经济各领域以及国防方面都占有极其重要的地位。^[3]汽轮机是现代发电厂、冶金工业、化学工业、舰船动力等的主要动力装置。^[1]汽轮机主要用于发电厂，与锅炉、发电机组配套使用，是火力发电厂三大主件之一。此外，汽轮机也用作船舶动力；小功率汽轮机也有作带动鼓风机、压气机和水泵动力之用。^[6]

汽轮机的主要技术发展趋势如下：

单机功率不断增长，力求采用大容量机组。因为大容量机组可以减少新建电站数目，加快电力建设速度；造价低，单位功率机组成本低；效率高，大容量机组的电厂经济性好。^[9]提高主蒸汽的初压和初温，以此提高热力发电的效率。但蒸汽初参数的提高是受一定条件限制的，由于多采用珠光体钢，以提高机组的适应性，所以温度多稳定再560-570℃以下。至于压力，多采用亚临界和超临界两档。采用超临界压力，经济性更高一些，但机组的适应性和可靠性略差一些。^[9]采用燃气-蒸汽联合循环。世界上已有约2万MW机组以联合循环方式进行发电，大大提高了机组的热经济性和热力发电的效率。^[9]提高机组的运行可靠性。机组的容量增大、参数提高，必然使其零部件增多、尺寸增大，也相应地增加了事故因素。主要采用微机监控、计算机故障诊断等先进地电子装备和低负荷范围内地变压运行及滑参数启停等运行方式，以提高机组运行的可靠性，并改善其运行经济性。^[9]

世界上生产冲动式汽轮机的主要企业有：美国通用公司（GE）、英国通用公司（GEC）、日本东芝（TOSHIBA）、日本日立、俄罗斯彼得格勒金属工厂等。制造反动式汽轮机的企业主要包括：美国西屋公司（WH）、日本三菱、英国帕森斯公司、法国电器机械公司（CMR）、德国西门子公司（SIEMENS）等。^[1]

参考资料：^[9]

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