汽轮机发电的原理是什么？

汽轮机是火力发电的动力机，带动发动机发电。汽轮机是将蒸汽能量转化为机械功的旋转动力机，是蒸汽动力装置的主要设备之一。汽轮机是涡轮机械的一种，又称蒸汽轮机。公元一世纪，亚历山大的希律王描述了蒸汽旋转球，又称风神轮，是最早的反应式汽轮机的雏形。在1629中，意大利的Blanca提出了一种通过蒸汽冲击叶片来旋转的转轮。19年底，瑞典的拉瓦尔和英国的帕森斯分别造出了实用的汽轮机。拉瓦尔在1882年建造了第一台5马力(3.67 kW)的单级冲动式涡轮，解决了喷嘴设计和强度设计的相关问题。单级冲击式汽轮机功率很小，现在很少使用。20世纪初，法国拉托和瑞士左莱分别制造了多级冲动式汽轮机。多级结构为提高汽轮机功率开辟了道路，并得到了广泛应用，机组功率也在不断增加。帕森斯于1884年获得英国专利，制造出第一台10马力多级反应式汽轮机，在当时的功率和效率上处于领先地位。20世纪初，美国柯蒂斯制造了多速级汽轮机，每个速级一般有两排动叶片。在第一排动叶片之后，在汽缸上安装导向叶片，将蒸汽流导向第二排动叶片。目前，速度级汽轮机仅用于小型汽轮机，主要驱动泵、鼓风机等。，常用作中小型多级汽轮机的第一级。与往复式蒸汽机相比，汽轮机中的蒸汽流动是连续的、高速的，单位面积的流量大，所以能产生更多的功率。大功率汽轮机可以使用更高的蒸汽压力和温度，所以热效率更高。19世纪以来，汽轮机的发展是在不断提高安全性、可靠性和耐久性，保证操作方便的基础上，增加单机功率，提高装置的热经济性。汽轮机的出现促进了电力工业的发展。到20世纪初，电站汽轮机单台功率已达10 MW。随着电力应用的日益广泛，20世纪20年代美国纽约等大城市的电站峰值负荷接近65，438+0，000 MW。如果单机功率只有10 MW，则需要安装近100台机组。因此在20世纪20年代单机功率提高到60 MW，30年代初出现了1.65 MW和208 MW汽轮机。此后，经济衰退和第二次世界大战期间的爆发使单台涡轮机功率的增加停滞不前。20世纪50年代，随着战后经济发展，电力需求突飞猛进，单机功率开始不断增加，325-600 MW的大型汽轮机相继出现。20世纪60年代，建造了1000 MW汽轮机。70年代建成1300 MW汽轮机。目前很多国家普遍采用的单机功率是300 ~ 600 MW。汽轮机广泛应用于社会经济的各个部门。汽轮机的种类很多，有不同的分类方法。按结构分，有单级汽轮机和多级汽轮机；各级安装在一个汽缸内的单缸汽轮机，各级包装在几个汽缸内的多缸汽轮机；各级安装在一根轴上的单轴汽轮机，各级安装在两根平行轴上的双轴汽轮机。根据工作原理，有冲动式汽轮机，其蒸汽主要在各级喷嘴(或静叶)中膨胀；蒸汽在定子和转子叶片中膨胀的反应式涡轮机；并且在喷嘴中膨胀的蒸汽的动能被利用在几排动叶片上。根据热力特性，有凝汽式、供热式、背压式、抽汽式和饱和式汽轮机。凝汽式汽轮机排出的蒸汽流入凝汽器，排汽压力低于大气压力，因此热力性能好，是最常用的汽轮机。供热汽轮机既提供动力驱动发电机或其他机械，又为生产或生活供热，热利用率高；背压式汽轮机排气压力大于大气压力的汽轮机；抽汽式汽轮机是能从中间级抽取蒸汽供热的汽轮机；饱和汽轮机是以饱和蒸汽为新蒸汽的汽轮机。汽轮机的蒸汽从入口向出口膨胀，单位质量的蒸汽体积增加数百倍甚至数千倍，因此各级叶片的高度必须逐级加长。大功率凝汽式汽轮机的排汽面积很大，末级叶片必须做得很长。汽轮机装置的热经济性用汽轮机的热耗率或热效率来表示。汽轮机的热耗率是单位输出机械功所消耗的蒸汽热，热效率是输出机械功与消耗蒸汽热的比值。对于整个电站来说，还应考虑电站的锅炉效率和电力消耗。因此，电站热耗率高于单台汽轮机，电站热效率低于单台汽轮机。一个总功率为1000 MW汽轮发电机的电站，每年消耗约230万吨标准煤。如果热效率绝对值能提高1%，每年可节约6万吨标准煤。因此，汽轮机装置的热效率一直受到重视。要提高汽轮机的热效率，除了不断提高汽轮机本身的效率，包括改进各级叶片型线设计(减少流动损失)，减少阀门和排气管的损失，还可以从热力学角度采取措施。根据热力学原理，新蒸汽参数越高，热循环的热效率越高。早期汽轮机使用的新蒸汽压力和温度较低，热效率低于20%。随着单机功率的增加，30年代初，新鲜蒸汽压力已提高到3 ~ 4 MPa，温度为400 ~ 450℃。随着高温材料的不断改进，蒸汽温度逐渐提高到535℃，压力也提高到6 ~ 12.5 MPa，有的已经达到16 MPa，热效率在30%以上。50年代初，使用新蒸汽温度为600℃的汽轮机。后来有了新的蒸汽轮机，蒸汽温度达到650℃。现代大型汽轮机通常采用超临界参数，新鲜蒸汽压力24 MPa，新鲜蒸汽温度和再热温度535 ~ 565℃，或亚临界参数，新鲜蒸汽压力16.5 MPa，新鲜蒸汽温度和再热温度535℃。使用这些涡轮机的发电厂的热效率约为40%。此外，汽轮机的排汽压力越低，蒸汽循环的热效率越高。然而，排气压力主要取决于冷却水的温度。如果排气压力过低，则需要增加冷却水流量或增加冷凝器的冷却面积，末级叶片也较长。凝汽式汽轮机常见的排气压力为0.005 ~ 0.008 MPa。为了减轻船用汽轮机的重量和尺寸，常采用0.006 ~ 0.01 MPa的排气压力。此外，提高汽轮机热效率的措施还包括回热循环、再热循环和供热汽轮机。提高汽轮机的热效率对节能具有重要意义。发展大型汽轮机是未来汽轮机发展的重要方向，其中发展较长的末级叶片是进一步发展大型汽轮机的关键。提高热效率的研究是汽轮机发展的另一个方向，采用更高的蒸汽参数和二次再热、发展调峰机组和推广供热汽轮机的应用是这一发展的重要趋势。现代核电站的汽轮机数量迅速增加，因此研究适用于不同堆型的性能良好的汽轮机具有重要意义。1983年世界上利用地热能的汽轮机装机容量已达3190 MW，但熔岩等温度更高的深层地热资源的利用还有待探索。利用太阳能的蒸汽涡轮发电站已经在建设中，海洋温差发电也在研究中。所有这些新能源涡轮机还有待测试和研究。此外，在汽轮机的设计、制造和运行过程中，采用新的理论和技术来提高汽轮机的性能也是今后汽轮机研究的重要内容。比如:气体动力学中的三维流动理论，湿蒸汽两相流动理论；强度的有限元法和断裂力学分析:振动中的快速傅立叶变换、模态分析和激光技术:设计、制造技术、测试测量和运行监控方面的计算机技术；寿命监测中的超声波检测和损耗计算。此外，还将开发氟利昂等新工质的应用，以及新结构、新工艺和新材料。

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