汽轮机(卷名：机械工程)
steam turbine
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。
图1为小型单级汽轮机的简图，其主要零件包括喷嘴和装在轮盘上的动叶（图1a）。蒸汽流过喷嘴和动叶流道（图1b）。蒸汽流过喷嘴时开始膨胀，压力降低，速度增高，将所含能量转换成动能。然后高速流动的蒸汽再流过动叶流道，压力有时还继续再降低，并在动叶上产生作用力，推动轮盘转动，将蒸汽的动能转换成由主轴输出的机械功。
汽轮机在国民经济各部门中获得广泛应用。现代汽轮机的结构较复杂，往往由若干级组成，每一级包括一列静叶（或喷嘴）和一列动叶。图2为电站中用以驱动发电机的一台 100兆瓦多级汽轮机纵剖面图。
分类 汽轮机种类很多，并有不同的分类方法。
按结构形式分类 有单级汽轮机和由若干级组成的多级汽轮机（图2）；各级装在一个汽缸内的单缸汽轮机和各级分装在几个汽缸（分高、中、低压汽缸）内的多缸汽轮机；各级装在一根轴上的单轴汽轮机和各级装在两根平行轴上的双轴汽轮机。
按工作原理分类 有蒸汽主要在各级喷嘴(或静叶)中膨胀的冲动式汽轮机、蒸汽在静叶和动叶中都膨胀的反动式汽轮机和蒸汽在喷嘴中膨胀后的动能在几列动叶上加以利用的速度级汽轮机。
按热力特性分类 分为凝汽式、供热式、背压式、抽汽式和饱和蒸汽汽轮机等类型。①凝汽式汽轮机：汽轮机排出的蒸汽流入凝汽器，排汽压力低于大气压力。具有良好的热力性能（见汽轮机热力性能），是最为常用的一种汽轮机。②供热式汽轮机：既提供动力驱动发电机或其他机械，又提供生产或生活用热，具有较高的热能利用率。③背压式汽轮机：排汽压力大于大气压力的汽轮机。④抽汽式汽轮机：从中间级抽出蒸汽供热的汽轮机。⑤饱和蒸汽轮机：以饱和状态的蒸汽作为新蒸汽的汽轮机。
按汽流方向分类 有蒸汽沿轴向逐级流动的轴流式汽轮机，蒸汽沿径向从内径向外径逐级流动的辐流式汽轮机。
按用途分类 ①电站汽轮机：电站中驱动发电机的汽轮机。②工业汽轮机：工业企业中驱动泵、鼓风机、压缩机等机械和驱动与工业生产流程有密切联系的发电机的汽轮机。③船用汽轮机：用于推进船舶航行的汽轮机。
按燃料分类 有利用化石燃料的热能的普通汽轮机、利用原子核裂变的热能的核电站汽轮机。
简史 公元1世纪时，亚历山大的希罗记述的利用蒸汽反作用力而旋转的汽转球，又称为风神轮(见古代机械史)，是最早的反动式汽轮机的雏形。1629年意大利G.de布兰卡提出由一股蒸汽冲击叶片而旋转的转轮（图3）。19世纪末，瑞典C.G.P.de拉瓦尔和英国C.A.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，已很少采用。20世纪初，法国A.拉托和瑞士H.佐莱分别制造了多级冲动式汽轮机。这种汽轮机已被广泛采用，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(7.35千瓦)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。多级结构为增大汽轮机功率开拓了道路。
20世纪初，美国的C.G.柯蒂斯制成多个速度级的汽轮机。每个速度级一般有两列动叶，在第一列动叶后在汽缸上装有导向叶片，将汽流导向第二列动叶（图4）。现在速度级只用于小型汽轮机以驱动泵、鼓风机等，也常用作中小型多级汽轮机的第一级。
以上这些都是轴流式汽轮机。1910年，瑞典B.&F.容克斯川兄弟制成辐流的反动式汽轮机，但未获普遍应用。
发展特点 与往复式蒸汽机相比，汽轮机中蒸汽流动是连续的、速度高，单位面积中能通过的流量大，因而能发出较大的功率。大功率汽轮机可以采用较高的蒸汽压力和温度，故热效率较高。19世纪以来，汽轮机发展的主要特点是在不断提高安全可靠性、耐用性和保证运行方便的基础上，增大单机功率和提高装置的热经济性。
增大单机功率 汽轮机的出现推动了电力工业的发展，到20世纪初电站汽轮机单机功率已达10兆瓦。随着电力应用的日益广泛，美国纽约等大城市的电站尖峰负荷在20年代已接近1000兆瓦，如果单机功率只有10兆瓦，则需要装机近百台。因此20年代时单机功率就已增大到60兆瓦，30年代初出现了165兆瓦和208兆瓦的汽轮机。此后的经济衰退和第二次世界大战期间的生产应急状态，使汽轮机单机功率的增大处于停顿状态。50年代，随着战后经济发展，电力需要突飞猛进，单机功率不断增大，陆续出现了325～600兆瓦的大型汽轮机。60年代制成了1000兆瓦汽轮机。70年代，制成了1300兆瓦汽轮机。单机功率必须与当地电网的总容量相适应，一般不超过电网容量的6～10％，许多国家常用的单机功率为300～600兆瓦。
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，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，但这由于材料强度的限制，往往难以实现。解决这个问题的措施是：①倒数第二级采用双层叶片（图5），将蒸汽流量的大约1/3通过上层流道，直接排向凝汽器，2/3的蒸汽通过下层流道，再流过末级叶片排向凝汽器。这样就可在采用同样高度的末级叶片的情况下，增大单机功率约30％以上，但效率略有牺牲。这种方法已应用不多。②采用多排汽口结构。低压缸用双流结构（图6），蒸汽从汽缸中部进入，分别由两端两个排汽口排出。这样，在采用同样高度的末级叶片的情况下流量可增加一倍，功率也可增加一倍。流量特别大的汽轮机，高、中压缸也可用双流结构，低压部分可用几个双流结构低压缸，功率还可相应增大。这种方法应用很广。③改变汽轮机转速。电站汽轮机的转速决定于电频率，中国采用50赫，转速为3000转／分，其他国家有时采用60赫，转速为3600转／分，如果用半转速，即1500转／分或1800转／分，则可在同样的材料许用应力的条件下增加末级叶片长度，以增大排汽面积。这种方式会增大汽轮机的尺寸和重量，常用于容积流量很大的核电站饱和蒸汽轮机。有些火电站汽轮机采用双轴结构，低压级和高、中压级分别装在两根轴上，各驱动一台发电机，高中压轴仍用全转速，低压轴用半转速以增大排汽面积。70年代初的一台1300兆瓦双轴电站汽轮机，高低压轴都是3600转／分，低压轴有4个双流低压缸，共8个排汽口，末级叶片长760毫米。80年代初最大的3000转／分的单轴机组为1200兆瓦电站汽轮机，有1个单流高压缸、1个双流中压缸和 3个双流低压缸，共6个排汽口，末级叶片长 1200毫米。工业汽轮机转速较高，单级工业汽轮机的转速可达20000转／分以上。多级工业汽轮机的功率最大可超过 100兆瓦。船用汽轮机为了减轻重量，转速常用4000～10000转／分，通过减速器驱动螺旋桨，功率最大可达60兆瓦。
提高热经济性 汽轮机装置（包括汽轮机、凝汽器和给水加热器）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。
① 提高新蒸汽参数: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3～4兆帕，温度为400～450℃。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6～12.5兆帕，个别的已达16兆帕，热效率达30％以上。50年代初，已有采用新蒸汽温度为600℃的汽轮机。以后曾有采用新蒸汽温度为650℃的汽轮机。现代大型汽轮机通常采用新汽压力为24兆帕、新汽温度和再热温度为535～565℃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％。
② 降低排气压力:排汽压力越低，循环的热效率就越高。但排汽压力主要取决于冷却水温度。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0.005～0.008兆帕。船用汽轮机组为了减轻重量，减小尺寸，常用0.006～0.01兆帕的排汽压力。
③ 采用回热循环:汽轮机的排汽在凝汽器中凝结成水，作为锅炉给水送入锅炉后在锅炉中吸收大量热量。如果从汽轮机中某些级后抽出一部分蒸汽送入给水加热器，将给水加热后再送入锅炉，这种循环称为回热循环。回热循环能提高循环热效率。20年代初已广泛采用回热循环，现代大型电站汽轮机的回热抽汽点多达8～9个，抽汽量可达进汽量的30～35％。采用回热循环后，依新蒸汽参数和给水加热器数目的不同，循环热耗率可降低10～18％。
④ 采用再热循环:进入汽轮机的过热蒸汽，膨胀到低压时含有水分，成为湿蒸汽。水滴对动叶的撞击，不仅会降低汽轮机的效率，而且侵蚀叶片材料。因此从20年代开始有的电站采用再热循环，即在蒸汽膨胀降压到进汽压力的18～26％时将汽轮机的全部蒸汽用管道引出，送入锅炉的再热器中，再次加热到接近新汽温度，然后再送到以后的级中继续膨胀作功。采用再热循环能提高平均加热温度和循环热效率。采用一次再热，热效率可相对提高 5％左右。50年代开始采用二次再热，热效率可再提高 2％左右。水冷堆核电站汽轮机的蒸汽参数较低，常采用5～7兆帕的饱和蒸汽或过热度小的蒸汽，膨胀过程中湿度很大，从高压缸流出的蒸汽必须经过汽水分离－再热器进行除湿和再热。船用汽轮机也有采用再热循环的。
⑤ 采用供热式汽轮机:凝汽式汽轮机排汽中所含热量在凝汽器中传给冷却水而损失掉。如果提高排汽压力或在中间级后抽出一部分蒸汽，利用排汽或抽汽的热能供工业或生活之用，热能的利用就更为充分。这种热、电联合生产的背压式汽轮机和抽汽式汽轮机统称为供热式汽轮机，对节约能源有重大意义。
结构部件 图2为多级冲动式汽轮机的结构。从锅炉来的蒸汽经过装在汽轮机前端的蒸汽室内的主汽阀和调节阀，由管子引到高压汽缸。主汽阀是在紧急停机时能自动关闭而切断蒸汽的阀，调节阀是按照负荷变化而调节蒸汽流量的阀。小型汽轮机的蒸汽室与汽缸铸成一体，调节阀装在汽缸的蒸汽室上。汽缸外部用金属罩壳罩住，罩壳内有一层绝热隔音材料，以减少散热损失，降低噪声。
汽缸一般分为上下两半，在中分面法兰处用螺栓连接。大容量高参数汽轮机的高、中压汽缸，需要具有足够的高温强度，并能适应负荷变化和快速启动的要求，通常制成双层缸，在内外缸之间充满具有一定压力和温度的蒸汽，以减少缸壁内外的压差，改善结合面的严密性，降低优质材料的使用量。冲动式汽轮机汽缸内装有隔板，隔板上有静叶。反动式汽轮机的静叶装在持环上，持环则装在汽缸上。蒸汽进入高压缸后，先流过装在汽缸上的喷嘴，再流过第一级叶轮上的动叶，然后再流过以后各级的静叶和动叶（见透平叶片），直至流出高压缸。
对于再热机组，蒸汽流出高压缸后即进入锅炉的再热器中加热，然后通过管道送往中压缸前的再热汽阀，进入中压缸。蒸汽流过中压缸后，通过联通管进入低压缸。低压缸尺寸大，内部为高度真空，外部受到大气压力作用，因此在结构上必须防止汽缸变形，以免影响各个转动部分的中心互相对准，引起机组振动。冲动式汽轮机各级隔板内都装有迷宫密封，防止蒸汽漏泄。汽缸两端主轴引出处也装有轴端密封，防止蒸汽从轴与汽缸之间的间隙中漏出。低压缸两端的汽封则用于防止空气漏入，以免破坏汽缸内的真空。
各级动叶分别装在各个轮盘上，轮盘则用过盈配合套装在轴上。为了避免轮盘在轴上松动，有时采用整锻转子或焊接转子，轮盘直接在转子上车削制出。反动式汽轮机采用鼓筒式转子，动叶直接装在鼓筒式转子上。动叶应能承受离心应力、蒸汽弯曲应力和振动应力，其自振频率应能避免共振，或者能保证长期在共振条件下工作而不致损坏。
转子应有一定刚度，其工作转速应避开临界转速。转子装配后须经过精确的动平衡，以防止运行时发生振动。转子两端由径向轴承支承，为了承受轴向推力还装有推力轴承。推力轴承用以固定汽缸与转子之间的相对轴向位置。轴承的润滑油由主油泵供给，同时备有辅助油泵和事故油泵。转子一端有联轴器，供联接发电机或其他设备之用。
当汽轮机起动加热时转子和汽缸都受热膨胀，汽缸的支承系统和推力轴承在轴上的位置使汽缸和转子能自由膨胀，转子与汽缸之间能保持正确的对中，汽封间隙保持均匀，不致发生擦伤和引起剧烈振动。轴上装有盘车装置，在起动和停机时将转子缓慢转动，使之均匀加热或冷却，以免转子发生弯曲，引起汽轮机的严重振动。
汽轮机控制系统包括整套自动装置，用以调节汽轮机的转速和功率以适应负荷变化的要求，监视并测量传速、振动等以保证汽轮机的安全运行，以及执行自动起动、停机操作。现代汽轮机大多采用电子液压控制系统。
汽轮机辅机除凝汽器、给水加热器和除氧器外，还有凝结水泵、给水泵、抽气器、冷油器等，用以保证汽轮机装置的经济性和安全可靠性。
展望 大型汽轮机组的研制是汽轮机发展的一个重要方向。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。
核电站汽轮机的数量正在快速增加。研究适用于不同反应堆型的性能良好的汽轮机具有特别重要的意义。
全世界利用地热的汽轮机的装机容量，1983年已有3190兆瓦。对熔岩等深层更高温度地热资源的利用，尚待探索。
利用太阳能的汽轮机电站已在建造，海洋温差发电也在研究之中。所有这些新能源方面的汽轮机尚待继续进行试验研究。
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。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。（见彩图）
参考书目
王仲奇、秦仁编：《透平机械原理》，机械工业出版社，北京，1981。
蔡颐年主编：《蒸汽轮机装置》，机械工业出版社，北京，1982。