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1、Steam Turbine,汽轮机原理,绪论（preface),一、电力在国民经济中的地位二、汽轮机装置在电厂中的地位三、汽轮机发展概述四、汽轮机的分类和型号五、本课程的主要内容,发电机的发明 1819 年由丹麦科学家欧尔斯德(Hans Christian Oersted)在教室里偶然发现放在电线下之指南针不再指南，而与电线成垂直方向。经此之后，他便发现了电与磁之间的关系。次年法国人安培(Andre Marrie Ampere) 根据欧尔斯德之报告，对磁场与电流间之关系作一整理与研究，并提出认为两条电线平行置放时，电流流动之方向相同时会相排斥；而相反时会相吸。若将电线绕成线圈并行通电后，则如自
2、然之磁石一样。现在，安培的名字已家喻户晓，成为电流强度单位之名称。 1830年英国有一位学者名叫法拉第(Michael Farady) ，发现当一块磁铁放入电线圈中时，会使电流流入线圈；拿出磁铁时，电流则反方向流动。为使所发生之电能连续流动，法拉第用一只十二英寸的铜盘装在架子上，盘中央安置一曲柄，以手摇曲柄转动铜盘，整个铜盘置於一马蹄型磁铁内。将电线一端接於铜盘轴上，另一端则以接触器接出。当铜盘转动时，电线会不断切割磁力线，并产生连续性电流。,一、电力在国民经济中的地位,1875年，巴黎北火车站建成世界上第一座火电厂，为附近照明供电。1879年，美国旧金山实验电厂开始发电，是世界上最早出售电力
3、的电厂。80年代，在英国和美国建成世界上第一批水电站。1913年，全世界的年发电量达 500亿千瓦时，电力工业已作为一个独立的工业部门，进入人类的生产活动领域,20世纪30、40年代，美国成为电力工业的先进国家，拥有20万千瓦的机组31台，容量为30万千瓦的中型火电厂9座。同一时期，水电机组达510万千瓦。1934年，美国开工兴建的大古力水电站，计划容量是 888万千瓦，1941年发电，到1980年装机容量达649万千瓦 ，至80年代中期一直是世界上最大的水电站。1950年，全世界发电量增至9589亿千瓦时 ，是1913年的19倍。50 、60、70年代，平均年增长率分别为9.4、8.0、5.
4、3 。19501980年，发电量增长7.9倍，平均年增长率7.6，约相当于每10年翻一番。1986年，全世界水电发电量占 20.3 ，火电占63.7，核电占15.6；美国水电占11.4，火电占72.1， 核电占16.0；前苏联水电占 13.5，火电占76.4，核电占10.1；日本水电占12.9，火电占61.8，核电占25.1；中国水电占21.0，火电占79.0。世界上核电比重最大的是法国，1989年占总发电量的74.6。,20世纪70年代，电力工业进入以大机组、大电厂、超高压以至特高压输电，形成以联合系统为特点的新时期。1973年，瑞士BBC公司制造的130万千瓦双轴发电机组在美国肯勃兰电厂投
5、入运行。苏联于1981年制造并投运世界上容量最大的120万千瓦单轴汽轮发电机组。到1977年，美国已有120座装机容量百万千瓦以上的大型火电厂。1985年，苏联有百万千瓦以上火电厂59座。1983年，日本有百万千瓦以上的火电厂32座，其中鹿儿岛电厂总容量440万千瓦 ，是世界上最大的燃油电厂。世界上设计容量最大的水电站是巴西和巴拉圭合建的伊泰普水电站，设计容量1260万千瓦，近期装机容量达490万千瓦，采用70万千瓦机组，与运行中的世界最大水电站美国大古力水电站的世界最大水轮机组70万千瓦容量相等。世界上最大的核电站是日本福岛核电站，容量是909.6万千瓦。,中国电力工业中国的电力工业开始于1
6、882年，英商在上海设立了电光公司，以后外国资本相继在天津、武汉、广州等地开办了一些电力工业企业。为配合新工业地区的建设，中国资本1905年才开始投资于电力工业，以后虽有一定程度的发展，但增长速度缓慢。中国发电量最高年份的1941年只有59.6亿度，到1949年全国发电设备容量为185万千瓦，发电量只有43.1亿度。安装了一些自动安全监测装置。 中华人民共和国建立后，单机容量60万千瓦的火力发电机组已开始运行；在电站大机组上，国家对电力工业进行了大量投资，单机容量10万千瓦以上的火力发电机组已达3094万千瓦，电力工业得到很大发展。到1984年底，全国发电量3770亿度，为1949年的87倍；
7、全国发电设备容量7995万千瓦，为1949年的43.2倍。,截止2006年底，全国发电装机容量达到62200万千瓦，同比增长20.3%。从电力生产情况看，2006年全国发电量达到28344亿千瓦时，同比增长13.5%。其中，水电发电量4167亿千瓦时，约占全部发电量的14.70%，同比增长5.1%；火电发电量23573亿千瓦时，约占全部发电量的83.17%，同比增长15.3%；核电发电量543亿千瓦时，约占全部发电量的1.92%，同比增长2.4%。2006年全社会用电量达到28248亿千瓦时，同比增长14.0%，增幅比2005年上升0.4个百分点。 截至2007年底，发电设备容量达7.13亿千
8、瓦，同比增长14.4%。在短短一年的时间内，全国电力装机实现了从6亿千瓦到7亿千瓦的飞跃。截至2007年底，全国220千伏及以上输电线路回路长度达33.38万公里，增长17.45%；220千伏及以上变电容量达11.60亿千伏安，增长19.59%。电力建设规模持续历史高位水平。全年基本建设新增（正式投产）发电设备容量基本与2006年持平，为10009万千瓦,二、汽轮机装置在电厂中的地位,电厂鸟览图,汽轮机车间图,图为位于法国 CHOOZ 的世界上第一大核电厂的 HP/IP 汽机 (1560 MW),比利时一汽机改造项目的优化流动低压转子,美国阿拉巴马州680MW冲动式机组高压缸,三、汽轮机的发展
9、概述,汽轮机是将蒸汽的能量转换为机械功的旋转式动力机械，是蒸汽动力装置的主要设备之一。汽轮机是一种透平机械，又称蒸汽透平。 公元一世纪时，亚历山大的希罗记述了利用蒸汽反作用力而旋转的汽转球，又称为风神轮，这是最早的反动式汽轮机的雏形；1629年意大利的布兰卡提出由一股蒸汽冲击叶片而旋转的转轮。19世纪末，瑞典拉瓦尔和英国帕森斯分别创制了实用的汽轮机。拉瓦尔于1882年制成了第一台5马力(3.67千瓦)的单级冲动式汽轮机，并解决了有关的喷嘴设计和强度设计问题。单级冲动式汽轮机功率很小，现在已很少采用。20世纪初，法国拉托和瑞士佐莱分别制造了多级冲动式汽轮机。多级结构为增大汽轮机功率开拓了道路，已
10、被广泛采用，机组功率不断增大。帕森斯在1884年取得英国专利，制成了第一台10马力的多级反动式汽轮机，这台汽轮机的功率和效率在当时都占领先地位。,汽轮机的蒸汽从进口膨胀到出口，单位质量蒸汽的容积增大几百倍，甚至上千倍，因此各级叶片高度必须逐级加长。大功率凝汽式汽轮机所需的排汽面积很大，末级叶片须做得很长。汽轮机装置的热经济性用汽轮机热耗率或热效率表示。汽轮机热耗率是每输出单位机械功所消耗的蒸汽热量，热效率是输出机械功与所耗蒸汽热量之比。对于整个电站，还需考虑锅炉效率和厂内用电。因此，电站热耗率比单独汽轮机的热耗率高，电站热效率比单独汽轮机的热效率低。一座汽轮发电机总功率为1000兆瓦的电站，每
11、年约需耗用标准煤230万吨。如果热效率绝对值能提高1%，每年可节约标准煤 6万吨。因此，汽轮机装置的热效率一直受到重视。为了提高汽轮机热效率，除了不断改进汽轮机本身的效率，包括改进各级叶片的叶型设计(以减少流动损失)和降低阀门及进排汽管损失以外，还可从热力学观点出发采取措施。,根据热力学原理，新蒸汽参数越高，热力循环的热效率也越高。早期汽轮机所用新蒸汽压力和温度都较低，热效率低于20。随着单机功率的提高，30年代初新蒸汽压力已提高到34兆帕，温度为400450。随着高温材料的不断改进，蒸汽温度逐步提高到535，压力也提高到612.5兆帕，个别的已达16兆帕，热效率达30以上。50年代初，已有采
12、用新蒸汽温度为600的汽轮机。以后又有新蒸汽温度为650的汽轮机。现代大型汽轮机通常采用新汽压力24兆帕，新汽温度和再热温度为535565的超临界参数,或新汽压力为16.5兆帕、新汽温度和再热温度为535的亚临界参数。使用这些汽轮机的电站热效率约为40。另外，汽轮机的排汽压力越低，蒸汽循环的热效率就越高。不过排汽压力主要取决于冷却水的温度，如果采用过低的排汽压力，就需要增大冷却水流量或增大凝汽器冷却面积，同时末级叶片也较长。凝汽式汽轮机常用的排汽压力为0.0050.008兆帕。船用汽轮机组为了减轻重量，减小尺寸,常用0.0060.01兆帕的排汽压力。,汽轮机的发展历程 此外，提高汽轮机热效率的
13、措施还有，采用回热循环、采用再热循环、采用供热式汽轮机等。提高汽轮机的热效率，对节约能源有着重大的意义。大型汽轮机组的研制是汽轮机未来发展的一个重要方向，这其中研制更长的末级叶片，是进一步发展大型汽轮机的一个关键；研究提高热效率是汽轮机发展的另一方向，采用更高蒸汽参数和二次再热，研制调峰机组，推广供热汽轮机的应用则是这方面发展的重要趋势。另外，在汽轮机设计、制造和运行过程中，采用新的理论和技术，以改善汽轮机的性能，也是未来汽轮机研究的一个重要内容。例如：气体动力学方面的三维流动理论，湿蒸汽双相流动理论；强度方面的有限元法和断裂力学分析；振动方面的快速傅里叶转换、模态分析和激光技术；设计、制造工
14、艺、试验测量和运行监测等方面的电子计算机技术；寿命监控方面的超声检查和耗损计算。此外，还将研制氟利昂等新工质的应用，以及新结构、新工艺和新材料等。,汽轮机生产厂家,1、1883年， Laval （瑞典）研制出第一台轴流式汽轮机 2、70年代后，进入百万级 3、汽轮机主要制造业： GE Co.（General Electric Corporation) 美国通用电气公司（冲动式） WH Co. (Westing House Electric Corporation) 西屋 （反动式） BBC (Brown Boveri Co.) 瑞士 （反动式） AA (Alsthon-Atlantague C
15、o.) 法国 （冲动式、反动式） 其他（苏联、日本等） 我国三大动力设备厂：哈汽、上汽、东汽工业汽轮机：杭州 燃气轮机：南京,四、汽轮机的分类和型号,（1） 按工作原理分类 冲动式汽轮机。主要由冲动级组成，蒸汽主要在喷嘴叶栅（或静叶栅）中膨胀，在动叶栅中只有少量膨胀。 反动式汽轮机。主要由反动级组成，蒸汽在喷嘴叶栅（或静叶栅）和动叶栅中都进行膨胀，且膨胀程度相同。 （2） 按热力特性分 凝汽式汽轮机：蒸汽在汽轮机中膨胀作功后，进入高度真空状态下的凝汽器，凝结成水。 背压式汽轮机：排汽压力高于大气压力，直接用于供热，无凝汽器。当排汽作为其他中、低压汽轮机的工作蒸汽时，称为前置式汽轮机。 调整抽汽
16、式汽轮机：从汽轮机中间某几级后抽出一定参数、一定流量的蒸汽(在规定的压力下）对外供热，其排汽仍排入凝汽器。根据供热需要，有一次调整抽汽和二次抽汽之分。 中间再热式汽轮机：蒸汽在汽轮机内膨胀作功过程中被引出，再次加热后返回汽轮机继续膨胀作功。 背压式汽轮机和调整抽汽式汽轮机统称为供热式汽轮机。目前凝汽式汽轮机均采用回热抽汽和中间再热。,（3）按主蒸汽参数分 进入汽轮机的蒸汽参数是指进汽的压力和温度，按不同的压力等级可分为： 低压汽轮机：主蒸器压力小于1.47Mpa; 中压汽轮机：主蒸器压力为1.96-3.92Mpa; 高压汽轮机：主蒸器压力为5.88-9.8Mpa; 超高压汽轮机：主蒸器压力为11.77-13.93Mpa; 亚临界压力汽轮机：主蒸器压力为15.69-17.65Mpa; 超临界压力汽轮机：主蒸器压力大于22.15Mpa; 超超临界压力汽轮机：主蒸器压力大于32Mpa。 此外按汽流方向分类可分为轴流式、辐流式、周流式汽轮机；按用途分类可分为电站汽轮机、工业汽轮机、船用汽轮机；按汽缸数目分类可分为单缸、双缸和多缸汽轮机；按机组转轴数目分类可分为单轴和双轴汽轮机；按工作状况分类可分为固定式和移动式汽轮机等。,
