深度了解沖動式與反動式汽輪機的區(qū)別

一、基本原理噴嘴柵和與其相配的動葉柵組成了汽輪機中最基本的工作單元“級”，不同的級順序串聯(lián)構(gòu)成多級汽輪機。當(dāng)蒸汽通過汽輪機時，首先在噴嘴柵中將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽埽缓笤趧尤~中將其動能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，使得葉輪和軸轉(zhuǎn)動，從而完成汽輪機利用蒸汽熱能做功的任務(wù)。蒸汽在級中以不同的方式進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，便形成不同工作原理的汽輪機，即沖動式汽輪機和反動式汽輪機。沖動式汽輪機主要有沖動級組成，在級中蒸汽主要在噴嘴柵中膨脹，在動葉柵中只有少量膨脹。反動式汽輪機，主要有反動級組成，蒸汽在汽輪機的噴嘴柵和動葉柵中都有相當(dāng)程度的膨脹。二、主要結(jié)構(gòu)特點2.1動靜葉柵沖動式汽輪機的動、靜葉柵型線是不同的。氣流在動葉柵中膨脹量少，所以動葉柵的截面形狀是近似對稱的。蒸汽在靜葉柵中轉(zhuǎn)折角較小，進(jìn)入動葉的速度較大，在動葉中轉(zhuǎn)折角較大，動葉損失較大。反動式汽輪機由于級的比焓降是在噴嘴和動葉柵中平均分配的，所以噴嘴葉柵和動葉柵可采用相同的葉形，且葉型是不對稱的，構(gòu)成噴嘴和動葉的收縮形通道。沖動式與反動式葉形及蒸汽在級中流動過程中壓力和速度變化如圖1、圖2所示:

2.2轉(zhuǎn)子及隔板對于沖動式，動葉前后壓差較小，沒有太大的軸向力作用在轉(zhuǎn)子上，所以沖動式汽輪機可以使用質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)緊湊的輪盤式轉(zhuǎn)子；為提高汽輪機的靈活性，可以采用較大的徑向間隙。噴嘴葉柵前后壓差較大，設(shè)置隔板結(jié)構(gòu)，把噴嘴裝在隔板的外環(huán)上，同時在隔板的內(nèi)孔裝氣封片，可以減少噴嘴葉柵與軸間的漏氣量，也減少了轉(zhuǎn)子摩擦的危險性。由于隔板保持中心，它與汽缸的變形無關(guān)，所以在整個使用期限內(nèi)可使汽輪機維持良好的對中性能對于反動式，動葉前后存在較大的壓差，為了減小氣流對轉(zhuǎn)子的軸向作用力，反動式汽輪機采用轉(zhuǎn)鼓式結(jié)構(gòu)，沒有葉輪；噴嘴直接安裝在汽缸內(nèi)壁上，沒有隔板，汽缸上安裝支撐靜葉的內(nèi)環(huán)，這種結(jié)構(gòu)大大減小了級的軸向尺寸。為使蒸汽泄漏量較小，應(yīng)盡量減小徑向間隙。動葉前后壓差較大，為避免過大的級內(nèi)損失一般不采用部分進(jìn)氣，而用全周進(jìn)氣。2.3級數(shù)差別在同樣蒸汽參數(shù)和功率條件下，沖動式汽輪機的級數(shù)一般比反動式的少，相應(yīng)的零部件數(shù)也少。但隨著機組功率的增大，級數(shù)的差別越來越小。大功率機組的低壓缸，末級葉片都較長，為防止氣流的撞擊和減少余速損失常采用葉形和動葉出氣角沿葉高變化的長扭葉片，以適應(yīng)圓周速度和蒸汽參數(shù)沿葉高變化的規(guī)律。而對于長扭葉片的葉根常設(shè)計成具有適當(dāng)反動度的沖動式葉形，葉頂靠近節(jié)圓處卻設(shè)計成反動式葉形，以適應(yīng)高效率的要求。因此，沖動式和反動式汽輪機葉形設(shè)計近乎一致，級數(shù)的差別被縮小了。尤其在大功率汽輪機機組中，級數(shù)的差別逐漸被淡化。2.4平衡軸向力的措施由于葉形及轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的不同，作用在汽輪機級上的軸向推力不相同，因此平衡軸向力的措施也不同。對于沖動式汽輪機，通常在葉輪上開5～7個平衡孔，減少蒸汽前后壓力差，以減少軸向推力。對于反動式汽輪機，常采用平衡活塞法，即在汽輪機轉(zhuǎn)子高壓軸封端加大第一段汽封套的直徑，以產(chǎn)生與主蒸汽在軸流方向相反的軸向推力。但隨著機組容量的增大，要求的平衡活塞的外徑也增大，隨之而來的軸封漏氣面積增大，軸封漏氣量增大，所以汽輪機機組的效率會下降。這是反動式汽輪機的主要缺點之一。反動式汽輪機轉(zhuǎn)子設(shè)計成轉(zhuǎn)鼓形式也是為了平衡軸向推力。對于沖動式和反動式汽輪機的汽缸對稱布置是大型多缸汽輪機平衡軸向力的最有效的辦法。當(dāng)汽輪機組是有高壓缸、中壓缸和兩個低壓缸組成時，把高壓缸和低壓缸對稱布置，兩個低壓缸對稱布置，利用蒸汽軸向流動方向相反來抵消軸向推力。三、沖動式和反動式汽輪機的蒸汽流動特性3.1調(diào)節(jié)級多數(shù)汽輪機采用改變第一級噴嘴面積的方式調(diào)節(jié)進(jìn)氣量，稱之為噴嘴調(diào)節(jié)，噴嘴調(diào)節(jié)汽輪機的第一級為調(diào)節(jié)級。反動級不能采用部分進(jìn)氣，否則會有較大的漏氣損失；同時在部分進(jìn)氣下50%的反動度不能在級內(nèi)實現(xiàn)，調(diào)節(jié)級須承擔(dān)較大的焓降才能適應(yīng)機組變工況的要求，因此反動級不能作為調(diào)節(jié)級，只有沖動級才可以作為調(diào)節(jié)級。在部分進(jìn)氣下，采用噴嘴調(diào)節(jié)效率最高。機組功率較小時，常采用復(fù)速級作為調(diào)節(jié)級；大功率機組，常采用單列沖動級作為調(diào)節(jié)級。對于反動式汽輪機的調(diào)節(jié)級也必須采用沖動式，其后的各級采用反動式。3.2雙流與單流采用雙流的反動式汽輪機可不設(shè)平衡活塞，降低了泄漏損失。但葉片高度短了，會增加漏氣損失、葉片摩擦損失和端部損失?？偟膩碚f，在均采用雙流結(jié)構(gòu)的前提下，以反動式較有利。在相同的級數(shù)下，單流的質(zhì)量系數(shù)是雙流的兩倍，每級的氣動效率和漏氣效率都可得到改善，但單流必須設(shè)置平衡活塞。沖動式汽輪機由于軸向推力比較小，平衡活塞的漏氣損失較小，因此單流的經(jīng)濟(jì)性收益是正的。對于雙流的低壓缸，由于主要采用扭葉層，其經(jīng)濟(jì)性已與采用沖動式和反動式無關(guān)，主要取決于扭葉層級的特性和品質(zhì)。四、沖動式與反動式汽輪機的效率比較4.1葉柵損失葉柵的氣動特性影響到蒸汽的做功能力，對葉柵氣動特性的研究主要著力于葉柵的能量損失。沖動式葉柵對相對節(jié)距的變化和沖角的影響比反動式敏感，同時由于葉柵型式的影響，沖動式汽輪機的葉柵損失比反動式大。4.2級內(nèi)損失凡是級內(nèi)和流動能量轉(zhuǎn)換有直接聯(lián)系的損失稱為汽輪機的級內(nèi)損失。主要包括噴嘴損失、動葉損失、余速損失、葉高損失、撞擊損失、扇形損失、葉輪摩擦損失、部分進(jìn)氣損失、濕氣損失和漏氣損失。反動級的葉頂漏氣多，葉高損失比較大。對于反動式級，由于沒有葉輪，動葉直接安裝在輪轂上，所以不存在葉輪摩擦損失。反動級，動葉前后壓差較大，為減少漏氣損失，不采用部分進(jìn)汽，因此沒有部分進(jìn)氣損失。沖動式汽輪機的漏氣損失有隔板漏氣損失和葉頂漏氣損失組成；反動式主要有葉頂漏氣組成。對于反動級，由于動葉前后壓差較大且采用全周進(jìn)氣，所以反動式葉頂漏氣量比較大。同時由于反動級內(nèi)徑軸封直徑比沖動級的大，軸封齒數(shù)又相對少，因此反動級的葉片環(huán)氣封漏氣損失比沖動級的隔板漏氣損失大。4.3輪周效率單位蒸汽流過某級時所產(chǎn)生的輪周功Wu與蒸汽在該級中的理想可用能量之比，稱為該級的輪周效率。輪周效率是衡量汽輪機級的工作經(jīng)濟(jì)性的一個重要指標(biāo)。輪周效率與速比有關(guān)，反動級的最佳速比是純沖動級的兩倍，在相同圓周速度下，反動級承擔(dān)的比焓降小，做功能力也小。4.4級的效率動靜葉間的軸向間隙影響級的內(nèi)效率；開式軸向間隙越小效率越高，但太小，在機組啟停及變工況時由于熱膨脹會發(fā)生動靜葉摩擦；閉式軸向間隙的增大一方面使噴嘴出汽邊到動葉進(jìn)氣邊間距離增大，減少噴嘴出口尾跡的影響，從而使動葉柵進(jìn)口汽流均勻，另一方面增加了汽流與汽道上下斷面之間的摩擦，不利與級的效率。在葉頂加裝圍帶和徑向汽封可明顯地減少葉頂漏氣，提高級的效率。葉片寬度過大將增大端部損失，過小又會增加葉型能量損失，因此在最佳寬度范圍內(nèi)級的內(nèi)效率最高。沖動式葉輪上開設(shè)平衡孔可以平衡軸向力，但會增加漏氣損失，降低級的內(nèi)效率。長葉片中安裝拉筋是為了改善葉片的抗振性，但拉筋會影響蒸汽流動，降低級的內(nèi)效率。五、結(jié)語由于級數(shù)少，葉輪式轉(zhuǎn)子的熱彈性好，相對與加平衡活塞的反動式汽輪機整機長度較小以及采用單流的通流結(jié)構(gòu)，沖動式汽輪機在結(jié)構(gòu)上比較簡單，重量比較輕，運行