第二节 多级汽轮机

一、多级汽轮机的技术特点

单级汽轮机更多的是作为理论分析的单元，实际应用的绝大多数是多级汽轮机。

（一）多级汽轮机的优越性

1.提高单机功率 为了增大汽轮机的容量，即提高汽轮机的单机功率，除应增大进入汽轮机的蒸汽量之外，还必须让蒸汽在汽轮机中具有较大的焓降。如果仍然制成单级汽轮机，焓降增大后，喷嘴出口气流速度必将增大。为使汽轮机级在最佳速度比附近工作以获得较高的级效率，圆周速度和级的直径也必须相应增大，但它受到叶轮和叶片材料强度的限制。因此，为保证汽轮机的高效率和增大汽轮机的单机功率，就必须把汽轮机设计成多级，使很大的蒸汽焓降分别由汽轮机的各级逐级利用而每级的焓降并不大，这样可使各个级都在最佳速度比附近工作，而它的直径和圆周速度都较小，使叶轮和叶片能在其离心力小于材料强度所允许的情况下工作。

2.提高循环热效率 多级汽轮机的焓降可以比单级汽轮机增大很多，因而多级汽轮机的蒸汽初参数可大大提高，排汽压力可以降得很低，还可采用多级回热系统和中间再热，所以多级汽轮机的循环热效率大大高于单级汽轮机。

3.提高汽轮机的相对内效率

1）多级汽轮机在设计工况下每一级都在最佳速度比附近工作，这就使它比单级汽轮机的相对内效率高。

2）单级汽轮机的余速不能被下一级利用，而多级汽轮机，除调节级及本汽缸的最末级外，多级汽轮机其他各级的余速动能一般都可被下一级利用，因此提高了整个汽轮机的内效率。

3）多级汽轮机各级的焓降较小，在速比一定时，级的圆周速度和平均直径也都较小，在容积流量相同的条件下，叶高损失减小，喷嘴流动效率提高。

4）多级汽轮机上面级由于损失所转化成的热量可以部分地被下面的级所利用（这种现象称为重热现象），使全机相对内效率提高。

4.降低汽轮机单位功率的投资 虽然由于级数多，结构复杂，使整台机组的制造总成本提高，但多级汽轮机的单机功率远远大于单级汽轮机，所以多级汽轮机组单位功率的造价、材料消耗和占地面积都比单级汽轮机减小，容量越大减小得越多，这就使多级汽轮机单位功率的投资大大减小。

由于多级汽轮机的效率比单级汽轮机高得多，所以多级汽轮机单位功率的能耗也低于单级汽轮机。

总之，多级汽轮机远优于单级汽轮机，由于它具有效率高、功率大、单位功率投资小等突出优点使得它在工业上得到广泛应用。

（二）多级汽轮机的结构

图3-8为汽轮机的总体布置图。

多级汽轮机的结构较复杂，不同汽轮机制造厂也各有其结构特点，下面仅就一些典型结构作介绍。

1.通流部分 多级汽轮机由若干级组成，从总体上可分为汽缸、转子、轴承座和盘车装置等几部分。

转子由叶轮和主轴组成，汽轮机的各级叶轮沿轴向依次装在轴上，一般是将叶轮加热到一定温度后套装到轴上，由于冷缩而紧固在轴上，称为热套；对直径小的叶轮可与轴锻成一体，组成转子。

转子由支持轴承和推力轴承支撑定位，轴承置于轴承座内。

汽缸是汽轮机的外壳，近似为圆锥体，由进汽部分、汽缸体和排汽室组成，形成能量转换的空间，各级隔板和叶轮都置于汽缸体内。进汽部分装有喷嘴室，第一级的喷嘴叶栅固定在喷嘴室的出口。转子穿出汽缸的部分装有轴封体，与转子对应段构成轴封。汽缸底部开有若干个抽汽口，从级间抽出部分蒸汽，供内部热力系统和外部用户使用。为了将转子方便地放入汽缸和轴承中，汽缸、隔板套、隔板、轴封体、轴承和轴承座等均沿轴线水平剖分成上、下两部分。除隔板和轴瓦外，它们的上、下两部分都通过水平法兰用螺栓紧固，以保证接合面的严密性和承载能力。高参数大功率凝汽式汽轮机内蒸汽的焓降很大，级数较多，为了增加汽缸和转子的刚度，需采用多缸结构，各转子分别由轴承支撑，用联轴器连成一个整体。

2.轴承 汽轮机的轴承通常采用落地式，放置在基础台板上。有些机组低压排汽端或低压转子的轴承座与排汽室焊成一体。调节保护系统的一些部件和主油泵等布置在前轴承箱内。

3.盘车装置 在起动前或停机后用于缓慢转动转子，防止转子因受热不均匀而产生热弯曲。盘车装置通常固定在低压转子轴承座的上盖处，盘车齿轮固定在相应的联轴器上。

4.调节装置 调节装置的任务是：在发电系统中使汽轮发电机组保持稳定的转速；在工艺系统中满足压缩机等工作机械经常改变转速的需要；对抽汽式汽轮机，还要满足外界对抽汽压力的要求。

调节装置主要由传感机构、传动放大机构、执行机构组成。传感机构感受机组的转速/压力变化并转变为其他物理量（油压或电信号）；传动放大机构把从传感机构接受到的信号进行放大并传送给执行机构，同时发出反馈信号；执行机构按接受到的经放大的信号而动作，来改变需调节机构的开度，达到设定的调节目的。

5.保护装置 为确保汽轮机的安全运行，防止设备损坏，除调节系统需可靠工作外，汽轮机还需配置各种保护装置，以便在机组遇到事故或出现异常时能及时动作，避免造成设备损坏或事故扩大。每台汽轮机所配置的保护装置的类型和数量，因机组类型、容量、运行条件等不同而有所差异，其主要保护装置计有：

（1）超速保护装置。超速保护常称危急保安器/危急遮断器，当转速增大时，汽轮机转子所承受的应力将迅速增加，如转速升高到不能允许的数值，将导致汽轮机设备的严重损坏。当汽轮机转速超过一定限度（一般规定是额定工作转速的110%～112%）时，保护装置动作，迅速切断向汽轮机的供汽。

（2）轴向位移保护装置。在汽轮机运行中，若转子轴向推力过大或供油中断，有可能造成推力轴承巴氏合金熔化，进而使转子产生较大的轴向位移，导致动静部分摩擦，造成严重事故。因此，在汽轮机上装有轴向位移保护装置，它可以在转子轴向位移达到一定数值时首先发出报警信号，当轴向位移再增大到某一危险值时保护装置动作，自动停机。

（3）低油压保护装置。润滑油压过低将会使汽轮机轴承不能正常工作，严重时不但会损坏轴瓦，而且可能造成动静部分摩擦等重大事故。因此，在汽轮机润滑油系统中须装设低油压保护装置。

（三）提高单机最大功率的途径

1.关于极限功率 在一定的初终参数和转速下，单排汽口凝汽式汽轮机所能发出的最大功率称为该汽轮机的极限功率。单排汽口凝汽式汽轮机的功率主要受最末一级动叶叶片材料强度的限制。

2.提高单机最大功率的途径

（1）提高新汽参数。使全机理想焓降增大，以及降低凝汽器真空使末级排汽比体积减小，都可使极限功率增大。汽轮机的初终参数涉及材料、投资等因素，需根据整个机组的技术经济比较来确定。

（2）采用高强度、低密度材料。例如，钛基合金的密度只有不锈钢材料的57%；超硬铅合金材料LC4，其密度仅为一般不锈钢材料密度的35%，而其屈服极限σ0.2=550MPa。使用这些材料均可使末级叶片高度增加，从而增大极限功率。

（3）采用低转速。转速如降低一半，固然可使极限功率增大4倍，但也会派生出其他问题，如：汽轮机级的直径和速比不变时，每级焓降将减为1/4（级的理想焓降与转速的平方成正比），全机级数和钢材耗量增加；或者各级焓降不变，则级的直径将增大一倍，使汽轮机尺寸和钢材耗量增加。

（4）增加汽轮机的排汽口。增加单机功率的最有效措施是增加汽轮机的排汽口，采用双排汽口就可使单机功率比单排汽口增大一倍左右，还可采用四排汽口。这是目前国内外大型机组普遍采用的办法。

（四）关于临界转速

当汽轮机转子（实际是轴系）的转速升高到某转速时，转子会发生强烈振动，轴承座的振幅明显增加；当转速继续升高时，振幅反而减小；转速再继续升高，振幅又增加，转速再高，振幅又减小；在工程中，把出现振幅峰值的转速称为转子临界转速，依次称为第一、第二……临界转速。

当汽轮机工作转速与临界转速重合时，将产生共振，所以应当使汽轮机的工作转速离开临界转速一定范围，并使汽轮机的工作转速不要频繁穿越临界转速。汽轮机转子以工作转速是高于还是低于第一临界转速可分为挠性转子和刚性转子两大类，工作转速高于第一临界转速的转子称为挠性转子，工作转速低于第一临界转速的转子称为刚性转子。

发电用的汽轮机，属于定速汽轮机，由于汽轮发电机轴系长、支点多，其第一临界转速值多半低于工作转速，属于挠性转子。汽轮机在达到额定转速前将穿越临界转速，所以汽轮机在起动升速过程中，必须快速通过临界转速，以免产生共振。这种现象只在机组起停时才发生。

对于非定速汽轮机，如驱动压气机、水泵、风机等用的汽轮机，其工作转速并非固定不变，而是在一个较宽的区间内摆动，如果是挠性转子，在运行过程中将频繁穿越临界转速，容易产生共振，对机组运行安全极为不利。所以对这类工业用汽轮机应该注意尽量选用刚性转子。此类汽轮机功率较小，级数少、轴系短，本身的临界转速值较高，一般都可在7000r/min以上，比较容易成为刚性转子。

对挠性转子，工作转速n0介于第一临界转速nc1与第二临界转速nc2之间，则临界转速宜满足下列要求

1.4nc1≤n0≤0.7nc2

对刚性转子，第一临界转速一般应为

nc1=（1.25～1.8）n0

二、汽轮机及其装置的评价指标

热力发电厂的生产过程实际上是一系列的能量转换过程。在汽轮发电机组中，通常用各种指标来评价整个能量转换过程中不同阶段的完善程度。效率通常分为相对内效率和绝对内效率两大类：以全机理想焓降H为基准来衡量设备完善程度的效率称为相对内效率；以整个循环中加给1kg蒸汽的热量为基准来衡量热能有效利用程度的，称为绝对内效率。下面介绍一些常用的指标。

（一）相对内效率

相对内效率ηn是指1kg蒸汽在该工作单元中所转换成的有效功W与所消耗的理想焓降H之比，见式（3-5）

ηn=W/H （3-5）

式中 ηn——相对内效率；

W——蒸汽所转换成的有效功（kJ）；

H——所消耗的理想焓降（kJ）。

如该工作过程中的各项损失是ΣΔh，相对内效率也可表述为式（3-6）

ηn=（H-ΣΔh）/H （3-6）

根据不同工作单元得出其相应的相对内效率，如：相对级效率、相对高压缸效率、相对低压缸效率和机组相对内效率等。

（二）绝对内效率

实际上，在汽轮机装置的整个循环中，为了使1kg蒸汽具有做功所具有的焓降，需要加给1kg汽的热量远比其做功的焓降大得多，这主要是因为整个热力循环中存在着很大的冷源损失，即被燃料加热的蒸汽，它的很大一部分热量在凝汽器中被循环水带出热力循环之外而未被利用。

如1kg蒸汽在该工作单元中所转换成的有效功为W，而所消耗的热量为R，则绝对内效率ηj可表示为式（3-7）

ηj=W/R （3-7）

式中 ηj——绝对内效率；

W——蒸汽所转换成的有效功（kJ）；

R——所消耗的热量（kJ）。

绝对内效率，对汽轮发电机组也称绝对电效率，在实际中的应用并不多，用得较多的是热耗率。

（三）热耗率

每生产1kW·h电能所消耗的热量称为热耗率，以q来表示，见式（3-8）

q=d（h0-h′c） （3-8）

式中 q——热耗率[kJ/（kW·h）]；

d——汽轮机组的汽耗率[kg/（kW·h）]；

h0——进入汽轮机的新蒸汽焓（kJ/kg）；

h′c——离开汽轮机的主给水焓（kJ/kg）。

绝对内效率和热耗率的物理含义是一样的，只是前者用效率形式表示，后者是用热量形式表示。

所以，相对内效率侧重评判的是设备的设计和制造水平，绝对内效率侧重评判的是燃料热量的有效利用程度，电站设计工作者应该根据情况灵活运用。例如，我们可以用相对内效率来评估不同厂家的同型机组，不同厂家机组的同型部套，一台机组的各部件等的优劣。又如，一台大容量高参数的凝汽式汽轮发电机，它的相对内效率肯定高于容量小、参数低的背压式汽轮机，但由于背压式汽轮机没有冷源损失，它的热耗率（燃料利用率）有可能会优于大容量高参数的凝汽式汽轮发电机组；而一台小型中压参数的抽汽凝汽式机组，虽然有供热抽汽减少了部分冷源损失，但蒸汽参数低，相对内效率低，而使它的热耗率也可能比不上亚临界参数大容量的凝汽式汽轮发电机，所以要具体情况具体分析。

（四）汽耗率

每生产1kW·h电能所消耗的蒸汽量称为汽耗率，见式（3-9）

d=D/W （3-9）

式中 d——汽耗率[kg/（kW·h）]；

D——汽轮机进汽量（kg/h）；

W——汽轮机发出的功率（kW）。

对于初终参数不同的汽轮机，即使功率相同，但它们消耗的蒸汽量却不同；对于不同类型的供热式汽轮机它们消耗的蒸汽量更是不同。所以，汽耗率不适宜用来比较不同类型机组的经济性，但可用它对同类型同参数汽轮机的运行管理水平作评价。

上面所介绍的热耗率和绝对内效率概念，都是衡量汽轮发电机组经济性的主要指标，但它们均未考虑锅炉效率、管道效率以及厂用电等因素。因此，整个发电厂的绝对电效率要比汽轮发电机组的绝对电效率低；或者说，整个发电厂的热耗率则比汽轮发电机组的热耗率高。

为了提高汽轮机装置的热经济性，一般从两个方面着手：一是提高循环效率，如提高蒸汽初参数，设置回热加热并增加其级数，采用一次再热甚至二次再热等；二是提高机内效率，如合理减小动静间隙，精心设计叶片型线，提高加工精度，降低表面粗糙度等。虽然不同的厂商研发的侧重点不相同，但其综合效果都将反映在热耗率上。

目前世界各国汽轮发电机组的平均绝对电效率为30%～40%，而先进的大功率机组的绝对电效率可达40%以上。汽轮发电机组的各种效率及经济指标的大致范围见表3-1。

图3-9是某汽轮机装置的流和能流图。

三、汽轮机的分类及选用

（一）汽轮机的分类

表3-2列出了汽轮机不同的分类方法。

此外，汽轮机还可以按汽缸数目（单缸、双缸、多缸）、按排列方式（单轴、双轴）等来分类。

（二）汽轮机类型的标识

国产汽轮机的型号表示方法是：

AA BB—CC—D

AA 代表汽轮机类型

BB 代表额定功率（MW）

CC 代表蒸汽参数

D代表变型设计次序

我国目前制造的汽轮机类型采用汉语拼音来表示，见表3-3，蒸汽参数用数字来表示，见表3-4。

例如：N50-8.82/535，表示是凝汽式汽轮机，额定功率为50MW，主蒸汽参数为8.82MPa，535℃。

CC25-8.82/0.98/0.118，表示是两次调节抽汽式汽轮机，额定功率为25MW，主蒸汽压力为8.82MPa，第一级调节抽汽压力为0.98MPa，第二级调节抽汽压力为0.118MPa。

由于驱动用工业汽轮机目前尚无统一的编号标准，各生产厂家采用的型号编制方法各不相同，应具体参阅各厂家的产品样本。

（三）汽轮机的选用

由于汽轮机在工业领域的应用十分广泛，也难以用较少的篇幅来概括其选用原则和要求，下面仅结合有关规程作一些概略的介绍。

1.关于工业用汽轮机 相对发电用汽轮机而言，工业汽轮机具有转速要求随工艺过程而变化、运行转速较高、有防爆防尘等特殊要求、可靠性及自动化程度要求高，特别是品种规格繁多等特点。

由于工业汽轮机的应用范围十分广泛，其结构也多种多样，根据使用场合的不同，其工作条件差异很大，所以其功率、进汽参数、排汽参数、抽汽参数、转速、调节性能和布置方式等也千差万别，从而其品种规格繁多，如果像发电汽轮机那样，用品种规格较少的定型批量生产的产品生产方式，难以满足用户的需要。

针对这种情况，国外知名的汽轮机制造厂常采用“积木”式工业汽轮机系列。所谓“积木”式是指将汽轮机部套分成为许多可以互相装配的“块”，厂家通过计算和组合不同的“块”来拼成用户所需要的产品。这种生产方式能较好地在性能参数、经济指标、制造成本和价格、安全性等方面综合地满足各类工业企业的不同需求。目前国内有些汽轮机制造厂也引进了国外先进的“积木”式工业汽轮机系列，来满足各类工业企业的不同需求。

表3-5列出了工业汽轮机的典型应用和参数范围。

2.凝汽式汽轮机 蒸汽在凝汽式汽轮机中做功后，全部排入压力比大气低的凝汽器中，小型工业汽轮机有的采用这种形式。但一般凝汽式汽轮机多带非调节抽汽，即有一部分蒸汽在中间抽出去加热锅炉给水，以提高循环效率，其余大部分蒸汽做功后排入凝汽器中凝结。凝汽式汽轮机在电力工业获得广泛应用。

3.抽汽凝汽式汽轮机 将进入汽轮机已做过部分功的蒸汽从中间抽出一股或两股供工业用汽或取暖用汽，其余的蒸汽仍排入凝汽器进行凝结。由于这种汽轮机的抽汽要保证一定的抽出压力，汽轮机的调节系统必须保证转速和抽汽压力同时稳定，所以这种汽轮机的全称为调整抽汽凝汽式汽轮机。

大型抽汽凝汽式汽轮机即使在纯凝工况下运行也具有较高的热效率，并可按“以热定电”方式运行随时调节热电负荷，因此可用于热负荷需求量大且热负荷波动较大的场合。

4.背压式汽轮机 蒸汽进入汽轮机膨胀做功后以高于大气压的压力排出。该排汽可供压力较低的其他汽轮机用汽，也可供工业或生活用汽。

背压式汽轮机一般用于向需要的蒸汽参数单一且常年用量比较稳定的热用户供应蒸汽，也可用于承担工业和采暖热负荷的基本负荷。

5.抽汽背压式汽轮机 蒸汽在汽轮机内膨胀做功过程中，其中一部分蒸汽被抽出，抽汽压力必须加以调整使其稳定，其余蒸汽也以高于大气压的压力排出。其调整抽汽和背压排汽均供工业用汽或生活用汽，这类汽轮机的全称为调整抽汽背压式汽轮机。

抽汽背压式汽轮机一般用于有两种及以上蒸汽参数热负荷需求的场合，并且其背压排汽所供应的热负荷应该是常年热负荷且用量基本稳定。