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汽轮机工作原理和结构

1 汽轮机工作原理
汽轮机是将蒸汽的热能转换成机械能的蜗轮式机械。在汽轮机中，蒸汽在喷嘴中发生膨胀，压力降低，速度增加，热能转变为动能。如图1所示。高速汽流流经动叶片3时，由于汽流方向改变，产生了对叶片的冲动力，推动叶轮2旋转做功，将蒸汽的动能变成轴旋转的机械能。

图1 冲动式汽轮机工作原理图
1-轴；2-叶轮；3-动叶片；4-喷嘴
2 汽轮机结构
汽轮机主要由转动部分(转子)和固定部分(静体或静子)组成。转动部分包括叶栅、叶轮或转子、主轴和联轴器及紧固件等旋转部件。固定部件包括气缸、蒸汽室、喷嘴室、隔板、隔板套(或静叶持环)、汽封、轴承、轴承座、机座、滑销系统以及有关紧固零件等。
套装转子的结构如图2所示。套装转子的叶轮、轴封套、联轴器等部件和主轴是分别制造的，然后将它们热套(过盈配合)在主轴上，并用键传递力矩。

图2 套装转子结构
1-油封环 2-油封套 3-轴 4-动叶槽 5-叶轮 6-平衡槽
汽轮机主要用途是在热力发电厂中做带动发电机的原动机。为了保证汽轮机正常工作，需配置必要的附属设备，如管道、阀门、凝汽器等，汽轮机及其附属设备的组合称为汽轮机设备。图3为汽轮机设备组成图。来自蒸汽发生器的高温高压蒸汽经主汽阀、调节阀进入汽轮机。由于汽轮机排汽口的压力大大低于进汽压力，蒸汽在这个压差作用下向排汽口流动，其压力和温度逐渐降低，部分热能转换为汽轮机转子旋转的机械能。做完功的蒸汽称为乏汽，从排汽口排入凝汽器，在较低的温度下凝结成水，此凝结水由凝结水泵抽出送经蒸汽发生器构成封闭的热力循环。为了吸收乏汽在凝汽器放出的凝结热，并保护较低的凝结温度，必须用循环水泵不断地向凝汽器供应冷却水。由于汽轮机的尾部和凝汽器不能绝对密封，其内部压力又低于外界大气压，因而会有空气漏入，最终进入凝汽器的壳侧。若任空气在凝汽器内积累，凝汽器内压力必然会升高，导致乏汽压力升高，减少蒸汽对汽轮机做的有用功，同时积累的空气还会带来乏汽凝结放热的恶化，这两者都会导致热循环效率的下降，因而必须将凝汽器壳侧的空气抽出。凝汽设备由凝汽器、凝结水泵、循环水泵和抽气器组成，它的作用是建立并保持凝汽器的真空，以使汽轮机保持较低的排汽压力，同时回收凝结水循环使用，以减少热损失，提高汽轮机设备运行的经济性。

图3 汽轮机设备组成图
1-主汽阀 2-调节阀 3-汽轮机 4-凝汽器 5-抽汽器 6-循环水泵
7-凝结水泵 8-低压加热器 9-除氧器 10-除水泵 11-高压加热器
为了调节汽轮机的功率和转速，每台汽轮机有一套由调节装置组成的调节系统。另外，汽轮机是高速旋转设备，它的转子和定子间隙很小，是既庞大又精密的设备。为保证汽轮机安全运行，配有一套自动保护装置，以便在异常情况下发出警报，在危急情况下自动关闭主汽阀，使之停运。调节系统和保护装置常用压力油来传递信号和操纵有关部件。汽轮机的各个轴承也需要油润滑和冷却，因而每台汽轮机都配有一套润滑油系统。
总之，汽轮机设备是以汽轮机为核心，包括凝汽设备、回热加热设备、调节和保护装置及供油系统等附属设备在内的一系列动力设备组合。正是靠它们协调有序地工作，才得以完成能量转换的任务。