汽轮机原理
汽轮机的由来与发展方向
汽轮机的基本概念
汽轮机是一种以蒸汽为工质，并将蒸汽的热能转换为机械能的一种旋转机械。高压高温的蒸汽具有相当高的能量，热力学上称之为焓，当蒸汽依次通过汽轮机的通流级时，汽轮机的焓逐渐减少，当蒸汽从汽轮机排出时，蒸汽所具有的焓已经基本不具备作功能力了。在汽轮机级内蒸汽减少的焓部分地转变成了机械功。 汽轮机的历史与发展方向
自从瓦特烧开水时发现蒸汽汽泡具有能量以来，仅过去了短短的百余年。汽轮机设计与制造技术已经取得了飞跃的发展。
1883年，瑞典工程师拉伐尔（Laval）创造出第一台轴流式汽轮机，3.7kW单级冲动式汽轮机；
1884~1894年，英国工程师巴森斯（C.A.Parsons）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）创造出了正在通常所谓的寇蒂斯（复速级）单级汽轮机；
1903年至1907年间，出现了热电联合生产的汽轮机，即背压式与调整抽汽式汽轮机；
1920年左右，随着蒸汽动力循环装置的改进，出现了给水回热式汽轮机； 1925年，出现了第一台中间再热式汽轮机；
至此，今天所能见到的电站汽轮机的主要类型差不多已经齐备。
上世纪40年代以来，汽轮机发展特别迅速。各种新技术与新材料层出不穷。材料科学的发展使得汽轮机向高参数发展成了可能；计算机技术的发展，全三维理论的出现，使得汽轮机通流级效率的提高成了各大制造厂家在市场竞争中制胜的法宝。
目前，汽轮机发展的方向是以提高单机功率为中心线索的。单MW的制造工时与运行成本(汽轮机效率)
在此基础上各种特型汽轮机也可以很好地占领市场。
汽轮机的应用与分类
按热力作功原理分类
a. 冲动式汽轮机 b. 反动式汽轮机 按进汽参数分类
按用途分类
a. 电站汽轮机 b. 工业汽轮机 c. 船用汽轮机
按热力特性分类
凝汽式汽轮机、调节抽汽式汽轮机、背压式汽轮机、抽汽背压式汽轮机、中间再热式汽轮机、 混压式汽轮机、空冷汽轮机。
汽轮机的工质—水与水蒸汽
水与水蒸汽是热力工程上应用极广的一种工质。
水变成水蒸汽的过程称为“汽化”，汽化有两种形式：蒸发与沸腾
当水在有限的密闭容器内汽化时，不仅液体表面有液体分子蒸发到空间去，而空间的蒸汽分子也会撞击到液体表面回到液体中。当液面上空的蒸气分子密度达到一定程度时，在单位时间内逸出液面与回到液面的蒸汽分子数量相等，这种处于两相动平衡的状态称为“饱和状态”。
水蒸汽的状态参数:压力、温度、焓、比容。 各种状态参数间的相互关系：焓熵图 汽化潜热 湿饱和蒸汽 干饱和蒸汽
过热蒸汽 蒸汽的温度高于其压力所对应的饱和温度，差值为过热度。
临界水的压力越高，水的沸点与比容就越高，另一方面，压力越高，干蒸汽的比容越小。达到某一压力时，水在沸点的比容等于干蒸汽的比容。在这一点，水与干饱和蒸汽具有相同的状态参数。这个点称为临界点。
临界压力22.064MPa；临界温度374℃；临界比容0.003106m3/kg;
热力发电厂的基本构成
蒸汽动力装置
朗肯循环及其热效率
工质在各设备中依次发生状态变化而形成一个循环，这一循环可理想化为两个等压过程与两个绝热过程所组成的基本循环，称为朗肯循环。
朗肯循环的热效率可表示为：η= 蒸汽动力装置的基本构成
蒸汽动力装置由锅炉、汽轮机、发电机、冷凝器及给水泵等四大主要设备构成。
属于汽轮机的主要辅机有：
凝汽器：将做完功的蒸汽凝结成水，并形成高度真空； 回热加热器：用来逐级加热给水以提高循环热效率； 给水泵：保证锅炉等压燃烧，并为汽轮机提供规定压力；
油系统：提供汽轮机及发电机等轴承润滑用油及调节系统用油，包括油泵、冷油器、油箱等。
汽轮机级的工作原理
级的工作过程
汽轮机级由静叶与动叶组成。蒸汽在静叶内在前后压差下加速，将速度由C0增加到出口处的速度C1。加速的过程是压力下降、比容增加、压力势能转化为速度动能的过程。高速流动的蒸汽由喷嘴出口进入动叶时，给予动叶以冲动力，通常蒸汽在动叶通道中继续膨胀，表现为压力下降，并转变方向，当蒸汽离开动叶通道时，它给叶片以反动力，这两个力的合力，推动动叶片，从而最终完成热能向机械能的转换。 流体力学分析法
汽轮机级的工作原理
叶栅的气动特性
叶栅的几何参数与汽流参数
反动式叶栅：喷嘴叶栅反动度较大的动叶栅。叶栅前后有静压差，汽道宽度自进口到出口明显缩小，故汽流通过时除改变方向外还有加速。
冲动式叶栅：冲动式动叶栅和导向叶栅。叶栅前后静压力近似相等，汽流通过时主要改变方向，基本不加速。实用中采取了一定的反动度。
表征叶栅的主要几何参数：平均直径、叶片高度、节距、叶宽、进口宽度、出口宽度、弦长、出口边厚度等。
叶栅的主要汽流参数：叶型的几何进口角、汽流冲角（正冲角与负冲角） 叶栅的通流能力
汽轮机级的几何参数确定以后，级的通流面积就确定了。通流面积等于：叶高*出口宽度*喷嘴数。
当通流面积确定后，则汽轮机级的通流能力只与级前的滞止初参数有关。叶栅通过最大流量时前后压力比称为临界压比，该流量为临界流量。 _
汽轮机级的级内损失 级内损失
叶型损失
附面层中的摩擦损失
附面层脱离引起的涡流损失
尾迹损失（由于叶型出口边总有一定的厚度，两股汽流之间的空档必然产生涡流） 冲波损失（出现超音速汽流时，会产生冲波，使附面层增厚甚至脱离，因而增加了叶型损失）
端部损失（叶高损失）
端部损失就是汽流通过汽道时，在汽道上下端面上，由于蒸汽的粘性形成一层很薄的附面层，附面层内粘性力损耗汽流的动能，形成了端部附面层中的摩擦损失。 扇形损失
汽轮机叶栅成扇形布置（自叶根至叶顶叶栅的相对节距成正比增加，故相对节距必然会偏离最佳值，带来一项额外的流动损失） 叶轮摩擦损失
1. 叶轮两侧及围带表面的粗糙度引起的摩擦损失 2. 子午面内的涡流动力引起的损失
部分进汽损失 鼓风损失（发生在不装喷嘴的弧段内）与斥汽损失（与之相反） 漏汽损失
湿汽损失
汽轮机内效率
汽轮机内效率
前面分析了汽轮机级的各项损失，虽然汽轮机的各项损失计算非常复杂、繁琐，但由于现代计算机技术的进步，繁琐复杂的计算已经不是问题。扣除汽轮机级内的各项损失，汽轮机级的内效率就很容易计算出来了，汽轮机级的内效率最直观的反映，就是级前后蒸汽参数。
级的有效焓降与等熵焓降之比称为级的相对内效率，简称级效率。它表示级的能量转换的完善程度，是用来衡量级经济性的一个重要指标。 提高汽轮机内效率的措施
1. 合理选用叶型、反动度、速比及叶高； 2. 务使汽轮机通流部分汽道光顺、流畅；
2. 合理设计与选用主汽阀、调节阀及配汽结构； 3. 后汽缸排汽能力与排汽型线的设计。
汽轮机通流部分设计
汽轮机通流部分设计，就是我厂通称的“热力计算”。应该说，汽轮机热力计算是汽轮机设计的第一步，它的计算成功与否直接表现在下列方面： 1.汽轮机出力及各项供热参数能否满足用户需要； 2.系统配置是否合理，是否符合基本的科学精神； 3.汽轮机轴向推力；
4.各级叶型选型是否合理；
5.是否最有利于组织生产与尽可能地降低生产成本。
汽轮机通流部分的设计一旦完成，应该说汽轮机的主要性能就基本确定下来了。
汽轮机热力计算的基本思路 一、计算原始数据
1. 汽轮机转速 为什么定在3000rpm？ 2. 初参数 3. 终参数
二、整机焓降的确定，估算功率等级
估算汽轮机的功率等级，最直接的办法是按排汽量估算
三、整机级数的确定
确定汽轮机的级数，对于我厂汽轮机来说，多半是参照定型机组根据汽轮机焓降来确定，值得注意的是，调节级的选用问题，究竟是选用单列级还复速级。级的焓降分配是由级的通流面积来确定的。级的反动度是由一对动静叶的面积比确定的（面积比为1.5-1.8,反动度分别为0.5-0.05)
四、进行详细的热力计算以确定每级的通流尺寸、各工况下汽轮机级后各种热力参数、汽轮机热力系统配置情况及转子推力情况。
汽轮机热力系统平衡图
汽轮机热力系统平衡图
汽轮机工况图
汽轮机工况图
空冷汽轮机及其关键技术
目前，全国各地缺电严重，已成为阻碍经济发展的大间题。要建造火电站，煤和水是必需的，而大部分富煤地区却都缺水，例如我国三北地区。把煤送到富水地区也是不经济的，增加了运力和污染。最经济的办法是采用空冷型汽轮机，建坑口电站。空冷汽轮机与湿冷型汽轮机的主要差异表现在低压端。
由于汽轮机背压高，排汽压力变化范围大，要求级叶片刚性要足够大，一方面降低叶片蒸汽弯应力；另一方面增强叶片阻尼，采用具有大阻尼的结构形式，如自带围带结构等，降低小容积流量工况的动应力水平。空冷汽轮机未级叶片根部轴向宽度是同等长度的常规湿冷叶片的1.6-2.0倍。
空冷汽轮机排汽管与热井的设计 空冷汽轮机真空系统 空冷汽轮机后汽缸结构
空冷汽轮机保证安全运行的措施
超高压、一次中间再热式汽轮机
在同容量、同参数的情况下，本机组有如下优点： 1. 采用一次中间再热，可降低机组热耗4-5%；
2. 新蒸汽流量及给水泵容量可减小10-15%，电厂蒸汽及水循环系统建造、运行成本大大降低；
3. 排汽量及凝汽器容量可减小13-16%；
4. 排汽湿度可减小6%左右，这对汽轮机低压段长叶片的安全运行是非常有利的（减小了水蚀）；
5. 由于排汽量的减小，长叶片通流面积可以减小，同时减少了末级余速损失。