汽机｜深度了解冲动式与反动式汽轮机的区别
一、基本原理
喷嘴栅和与其相配的动叶栅组成了汽轮机中最基本的工作单元“级”，不同的级顺序串联构成多级汽轮机。
当蒸汽通过汽轮机时，首先在喷嘴栅中将热能转变为动能，然后在动叶中将其动能转变为机械能，使得叶轮和轴转动，从而完成汽轮机利用蒸汽热能做功的任务。
蒸汽在级中以不同的方式进行能量转换，便形成不同工作原理的汽轮机，即冲动式汽轮机和反动式汽轮机。
冲动式汽轮机主要有冲动级组成，在级中蒸汽主要在喷嘴栅中膨胀，在动叶栅中只有少量膨胀。
反动式汽轮机，主要有反动级组成，蒸汽在汽轮机的喷嘴栅和动叶栅中都有相当程度的膨胀。
二、主要结构特点
2.1 动静叶栅
冲动式汽轮机的动、静叶栅型线是不同的。气流在动叶栅中膨胀量少，所以动叶栅的截面形状是近似对称的。蒸汽在静叶栅中转折角较小，进入动叶的速度较大，在动叶中转折角较大，动叶损失较大。
反动式汽轮机由于级的比焓降是在喷嘴和动叶栅中平均分配的，所以喷嘴叶栅和动叶栅可采用相同的叶形，且叶型是不对称的，构成喷嘴和动叶的收缩形通道。
冲动式与反动式叶形及蒸汽在级中流动过程中压力和速度变化如图1、图2所示:
2.2 转子及隔板
对于冲动式，动叶前后压差较小，没有太大的轴向力作用在转子上，所以冲动式汽轮机可以使用质量轻、结构紧凑的轮盘式转子；为提高汽轮机的灵活性，可以采用较大的径向间隙。喷嘴叶栅前后压差较大，设置隔板结构，把喷嘴装在隔板的外环上，同时在隔板的内孔装气封片，可以减少喷嘴叶栅与轴间的漏气量，也减少了转子摩擦的危险性。由于隔板保持中心，它与汽缸的变形无关，所以在整个使用期限内可使汽轮机维持良好的对中性能。
对于反动式，动叶前后存在较大的压差，为了减小气流对转子的轴向作用力，反动式汽轮机采用转鼓式结构，没有叶轮；喷嘴直接安装在汽缸内壁上，没有隔板，汽缸上安装支撑静叶的内环，这种结构大大减小了级的轴向尺寸。为使蒸汽泄漏量较小，应尽量减小径向间隙。动叶前后压差较大，为避免过大的级内损失一般不采用部分进气，而用全周进气。
2.3 级数差别
在同样蒸汽参数和功率条件下，冲动式汽轮机的级数一般比反动式的少，相应的零部件数也少。但随着机组功率的增大，级数的差别越来越小。
大功率机组的低压缸，末级叶片都较长，为防止气流的撞击和减少余速损失常采用叶形和动叶出气角沿叶高变化的长扭叶片，以适应圆周速度和蒸汽参数沿叶高变化的规律。而对于长扭叶片的叶根常设计成具有适当反动度的冲动式叶形，叶顶靠近节圆处却设计成反动式叶形，以适应高效率的要求。
因此，冲动式和反动式汽轮机叶形设计近乎一致，级数的差别被缩小了。尤其在大功率汽轮机机组中，级数的差别逐渐被淡化。
2.4 平衡轴向力的措施
由于叶形及转子结构的不同，作用在汽轮机级上的轴向推力不相同，因此平衡轴向力的措施也不同。
对于冲动式汽轮机，通常在叶轮上开5～7个平衡孔，减少蒸汽前后压力差，以减少轴向推力。
对于反动式汽轮机，常采用平衡活塞法，即在汽轮机转子高压轴封端加大第一段汽封套的直径，以产生与主蒸汽在轴流方向相反的轴向推力。
但随着机组容量的增大，要求的平衡活塞的外径也增大，随之而来的轴封漏气面积增大，轴封漏气量增大，所以汽轮机机组的效率会下降。这是反动式汽轮机的主要缺点之一。反动式汽轮机转子设计成转鼓形式也是为了平衡轴向推力。
对于冲动式和反动式汽轮机的汽缸对称布置是大型多缸汽轮机平衡轴向力的最有效的办法。
当汽轮机组是有高压缸、中压缸和两个低压缸组成时，把高压缸和低压缸对称布置，两个低压缸对称布置，利用蒸汽轴向流动方向相反来抵消轴向推力。
三、冲动式和反动式汽轮机的蒸汽流动特性
3.1 调节级
多数汽轮机采用改变第一级喷嘴面积的方式调节进气量，称之为喷嘴调节，喷嘴调节汽轮机的第一级为调节级。
反动级不能采用部分进气，否则会有较大的漏气损失；同时在部分进气下50%的反动度不能在级内实现，调节级须承担较大的焓降才能适应机组变工况的要求，因此反动级不能作为调节级，只有冲动级才可以作为调节级。在部分进气下，采用喷嘴调节效率最高。
机组功率较小时，常采用复速级作为调节级；大功率机组，常采用单列冲动级作为调节级。对于反动式汽轮机的调节级也必须采用冲动式，其后的各级采用反动式。
3.2 双流与单流
采用双流的反动式汽轮机可不设平衡活塞，降低了泄漏损失。但叶片高度短了，会增加漏气损失、叶片摩擦损失和端部损失。总的来说，在均采用双流结构的前提下，以反动式较有利。
在相同的级数下，单流的质量系数是双流的两倍，每级的气动效率和漏气效率都可得到改善，但单流必须设置平衡活塞。
冲动式汽轮机由于轴向推力比较小，平衡活塞的漏气损失较小，因此单流的经济性收益是正的。
对于双流的低压缸，由于主要采用扭叶层，其经济性已与采用冲动式和反动式无关，主要取决于扭叶层级的特性和品质。
四、冲动式与反动式汽轮机的效率比较
4.1 叶栅损失
叶栅的气动特性影响到蒸汽的做功能力，对叶栅气动特性的研究主要着力于叶栅的能量损失。
冲动式叶栅对相对节距的变化和冲角的影响比反动式敏感，同时由于叶栅型式的影响，冲动式汽轮机的叶栅损失比反动式大。
4.2 级内损失
凡是级内和流动能量转换有直接联系的损失称为汽轮机的级内损失。
主要包括喷嘴损失、动叶损失、余速损失、叶高损失、撞击损失、扇形损失、叶轮摩擦损失、部分进气损失、湿气损失和漏气损失。
反动级的叶顶漏气多，叶高损失比较大。对于反动式级，由于没有叶轮，动叶直接安装在轮毂上，所以不存在叶轮摩擦损失。
反动级，动叶前后压差较大，为减少漏气损失，不采用部分进汽，因此没有部分进气损失。
冲动式汽轮机的漏气损失有隔板漏气损失和叶顶漏气损失组成；反动式主要有叶顶漏气组成。
对于反动级，由于动叶前后压差较大且采用全周进气，所以反动式叶顶漏气量比较大。
同时由于反动级内径轴封直径比冲动级的大，轴封齿数又相对少，因此反动级的叶片环气封漏气损失比冲动级的隔板漏气损失大。
4.3 轮周效率
单位蒸汽流过某级时所产生的轮周功Wu与蒸汽在该级中的理想可用能量之比，称为该级的轮周效率。
轮周效率是衡量汽轮机级的工作经济性的一个重要指标。轮周效率与速比有关，反动级的最佳速比是纯冲动级的两倍，在相同圆周速度下，反动级承担的比焓降小，做功能力也小。
4.4 级的效率
动静叶间的轴向间隙影响级的内效率；开式轴向间隙越小效率越高，但太小，在机组启停及变工况时由于热膨胀会发生动静叶摩擦；闭式轴向间隙的增大一方面使喷嘴出汽边到动叶进气边间距离增大，减少喷嘴出口尾迹的影响，从而使动叶栅进口汽流均匀，另一方面增加了汽流与汽道上下断面之间的摩擦，不利与级的效率。
在叶顶加装围带和径向汽封可明显地减少叶顶漏气，提高级的效率。叶片宽度过大将增大端部损失，过小又会增加叶型能量损失，因此在最佳宽度范围内级的内效率最高。
冲动式叶轮上开设平衡孔可以平衡轴向力，但会增加漏气损失，降低级的内效率。长叶片中安装拉筋是为了改善叶片的抗振性，但拉筋会影响蒸汽流动，降低级的内效率。
五、结语
由于级数少，叶轮式转子的热弹性好，相对与加平衡活塞的反动式汽轮机整机长度较小以及采用单流的通流结构，冲动式汽轮机在结构上比较简单，重量比较轻，运行的灵活性及可靠性也比较高。
反动式允许有较大的冲角变化，运行安全性比较高。
冲动式对安装角、相对节距及马赫数的敏感性较反动式强烈，所以冲动式汽轮机的叶栅损失比较大。但反动式汽轮机的漏气损失比冲动式大。
随着机组容量的增大，叶片高度相应增大，漏气损失减小，因此大机组采用反动式效率比较高，小机组采用冲动式比较有利。
参考文献：秦赟, 王海名. 冲动式与反动式汽轮机的优劣比较[J]. 应用能源技术, 2011(08):1-6.
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