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汽轮机与燃气轮机的应用与发展: wusaite 2020-9-14 14:43; 汽轮机与燃气轮机的应用与发展伍赛特 1 汽轮机及其应用汽轮机 Csteam turbine ）是一种旋转式的动力机械，将蒸汽的热能转换为机械能，广泛应用于火力发电厂、核电厂、舰船、化工、冶金和交通运输等重要领域，具有运行平稳、单机功率大、效率高、使用寿命长等优点。现代汽轮机技术以大容量、高参数作为主要发展方向。经过几十年的发展，超临界技术日臻成熟，在经济发达国家中广泛应用并取得了显著效果。我国通过引进、消化国外技术，目前几大汽轮机厂也已具备超临界和超超临界汽轮机设计与制造能力，超临界以上机组已成为我国火力发电行业的主力机组。 2 汽轮机未来发展与现存主要问题由于汽轮机的容量和参数并不是可以无限制的提高，在大型化过程中依旧面临着一些重要技术问题。 2.1 部件材料随着现代汽轮机的发展，对工作部件材料的力学性能、结构性能和热力学性能等要求越来越高。根据热力学原理，在材料性能允许的前提下，应尽可能提高汽轮机的进汽参数，特别是提高蒸汽温度。但是，随着蒸汽温度的提高，所用材料的热力性能和许用应力下降，汽轮机的承压部件和转动部件的强度降低。汽轮机组的厚截面部件，如汽缸、转子、喷嘴室及阀壳等，在启停过程、参与电网调峰运行或负荷快速变化过程中都存在很大的温度梯度，产生过大的热应力而引起低周疲劳等问题，特别是末级叶片等转动部件还需承受离心应力，严重影响着这些部件的使用寿命。因此，为满足更高进汽参数汽轮机的需要，必须不断研发在高温下具有更高机械强度的新材料。 2.2 蒸汽激振超临界汽轮机由于主蒸汽参数的增加，会导致主蒸汽密度大幅提高，高压转子因蒸汽的作用易发生汽流激振，使得轴系稳定性变差，甚至诱发转子失稳。研究结果表明，汽流激振力来自动叶片叶顶间隙激振力、汽封蒸汽激振力和作用在转子上的静态蒸汽力等三个方面。这三类蒸汽激振力是目前国内外公认的超临界机组轴系动力学研究中的重点问题。根据蒸汽激振的形成机理，要消除和减少超临界参数汽轮机蒸汽激振故障，原则上应从增加高压转子的临界转数和刚度、增大系统阻尼和减小蒸汽激振力等方面着手。 2.3 轴系稳定性轴系稳定性直接关系到汽轮机组运行的安全性和设备的可靠性。随着超临界机组容量的增加，汽轮机的汽缸数增加，单跨转子的直径、长度和质量也相应增加，使机组轴系的总长度增加，对轴系运行稳定性的要求也日益提高，需要引起重视。 3 燃气轮机及其应用燃气轮机（ gas turbine ）作为一种先进而复杂的成套动力机械设备，在能源电力、航空航天、舰船、汽车等与国计民生密切相关的领域得到了广泛应用。 3.1 发电、供热燃气轮机在工业领域中一个主要利用途径是用于发电、供热。简单的燃气轮机循环发电系统由燃气轮机和发电机构成，具有装机快、起停灵活的特点，多用于电网调峰和交通、工业动力系统。为了回收燃气轮机排出的高温乏气的余热，在简单循环发电系统基础上，在涡轮排气扩压器出口安装了余热锅炉，回收乏气的余热用于产生蒸汽或热水 : 热水主要用于供暖，实现热电联产 ; 若产品为蒸汽，一方面可注入蒸汽轮机，实现前文所述的燃气 - 蒸汽联合循环发电系统，也可以将部分蒸汽回注入燃气轮机以提高燃气轮机出力和效率。国际四大燃气轮机公司（日本三菱、德国 Siemens 、美国 GE 和法国 Alstom ）不断开发出更加先进的燃气轮机产品，简单循环发电效率已超过 40% ，采取热电联产等复杂循环系统，循环发电效率则已超过了 60% 。随着燃气轮机向高参数、大型化发展的同时，也在向着小型化、微型化以及超微型方向发展，进一步拓宽应用领域。功率为数百千瓦及以下的燃气轮机早在 20 世纪 40 ～ 60 年代就已存在，但由于其发电效率低，长期以来一直由内燃发电机组占领着小型发电机组市场。随着科学技术的不断发展，微型燃气轮机技术有了质的飞跃发展 : 利用高效回热器替代常规回热器 ; 实现高速交流发电机与燃气轮机同轴工作 ; 结构设计和加工制造工艺日益先进。受益于这些先进技术的应用，微型燃气轮机的发电效率已提高至与小型柴油发电机相当，尺寸和重量却为柴油机的 1/3 ，并且还具有移动性能好、维护费用低、寿命长等优点，在分布式能源系统、军事装备、燃料电池联合发电系统等得到了应用。 3.2 舰船动力由于燃气轮机具有结构紧凑、重量轻、振动小、操作灵活等优点，非常符合船舰对动力的需求，因此已在多种舰艇和商船上得到重用，如瑞土斯坦纳航运公司三艘 HSS1500 大型高速渡船、美国皇家加勒比航运公司六艘“卓越”级和“黄金时代”级旅游船、英国 45 型驱逐舰和“伊丽莎白女皇”航母等。在将来，船用燃气轮机的发展重点是大功率船用燃气轮机，其次是小功率船用燃气轮机。船用燃气轮机是未来 10 ～ 15 年各国海军采用的主要机型，新型机型与综合电力推进系统相结合的特点将会更加突出。 3.3 航空动力航空用动力装置分为空气喷气式发动机和逐步被取代的活塞式发动机两种工业和船舰所用燃气轮机的发展历史，都是以空气喷气式发动机技术为基础发展而来的。船舰和工业发电所用轻型燃气轮机是由成熟的航空发动机改型研制而成，功率在 50 MW 以内 ; 而发电厂、航母等所用到的重型燃气轮机也以航空发动机为基础，但改动较大。在航空领域，发动机所提供的动力主要为飞行器提供向前的推进力和向上的提升力，但由于飞行器类型不同，因此对发动机性能的要求是不样的。例如，战斗机所用发动机以性能先进为首要目标，要求质量轻、推力大、工作状态变化快且范围宽，能够为飞机提供各种速度和姿态下所需的动力 ; 民航客机则往往不追求发动机性能的绝对先进，更加注重发动机的安全性和经济性，要求耗油低、寿命长、维护成本低等。由此，航空发动机可分为喷气式发动机、风扇式发动机、螺旋桨式发动机和涡轮轴发动机等多种类型。 4 燃气轮机未来发展与现存主要问题燃气轮机作为一种先进而复杂的动力机械装备，集成了多学科、多领域的先进成果，是国家科学技术水平的重要标志之一，具有重要的战略地位。随着社会的发展和科学技术的不断进步，燃气轮机技术将会得到更大的发展和更广泛的应用，而高效率、低能耗、低污染、高可靠性等性能参数依然是燃气轮机未来发展追求的性能目标。 4.1 初温提高与耐热技术涡轮叶片能够承受温度的不断提高将会大幅提高燃气轮机的效率。为此，一方面可通过研发与应用高温合金材料、耐高温涂层以增强热端部件的耐热能力，另外一方面是开发先进的热端冷却技术以对部件进行热防护。 4.2 结构设计与制造技术燃气轮机的制造是一项技术含量非常高的加工技术。由于涡轮中叶片的工作环境温度高、受力复杂，是燃气轮机制造的核心与关键，其型面的优化设计与精细加工将直接关系到燃气轮机的性能和安全性。 4.3 燃烧污染物控制技术 NO x 在燃料燃烧过程中的形成机理有热力型、燃料型和快速型三种。燃气轮机中 NO x 的形成主要来自于热力型，为空气中氮气和氧气在高温环境下反应生成，并且当燃烧温度超过 1500 ℃后，热力型 NO x 呈现快速增加趋势。因此，燃烧温度是导致 NO x 形成的重要因素。提高初温虽然可以提高燃气轮机的效率，但会导致热力型 NO x 大量产生，从而不得不采取先进的技术控制 NO x 的排放，如贫燃预混燃烧技术、分级燃烧技术、湿化燃烧技术和催化燃烧技术等。 4.4 重型与微型燃气轮机发电技术我国的能源结构以煤为主。煤燃烧产生的污染物（ NO x 、颗粒物等）成为我国大气污染物的主要来源，该状况在未来很长的一段时期很难改变。在改进煤燃烧技术的同时，调整我国能源结构，选用清洁的天然气资源，应用于燃气轮机及其联合循环发电机组，可以很好地解决煤燃烧带来的环境污染问题。重型燃气轮机和小型、微型燃气轮机是燃气轮机技术未来应用于发电领域的重要发展方向。重型燃气轮机应用于发电厂，实现集中供电、供热，而作为补充的分布式能源将会更多地采用小型、微型燃气轮机技术，使得发电与用户离得更近。参考文献伍赛特 . 微型燃气轮机技术特点研究及其应用于分布式发电领域的前景展望 . 通信电源技术 ,2019,36(06):45-48. 伍赛特 . 航改燃气轮机技术特点研究及应用前景展望 . 自动化应用 ,2019(07):127-130. 伍赛特 . 船用燃气轮机动力装置技术特点研究及发展趋势展望 . 交通节能与环保 ,2020,16(02):26-28+46. 闻雪友 , 肖东明 . 现代舰船燃气轮机发展趋势分析 . 舰船科学技术 ,2010,32(08):3-6+19. 刘霞 . 超超临界汽轮机中压转子轴径堆焊试验研究 . 上海交通大学 ,2007. 马丽娜 . 微型燃气轮机 C30 气体排放实验研究 . 中国矿业大学 ,2014. 赵豫 , 于尔铿 . 新型分散式发电装置——微型燃气轮机 . 电网技术 ,2004(04):47-50. 韩少冰 , 钟兢军 . 燃气轮机在商船上的应用及其技术发展趋势 . 中国航海 ,2011,34(02):35-40+45.; 个人分类: 科普集锦|9229 次阅读|0 个评论

舰船动力系统发展趋势展望: wusaite 2019-8-25 10:53; 舰船动力系统发展趋势展望伍赛特 1 舰船柴油机领域舰船柴油机技术在当前的发展主要表现在以下几个方面：（ 1 ）现代设计理论和方法在舰船柴油机上的应用。（ 2 ）现代测试技术、新材料（如钛合金、碳纤维和耐高温耐磨陶瓷等）在柴油机上的应用。（ 3 ）其他工业技术领域（航空、宇航和汽车等）已成功应用的新技术移植到舰船柴油机上。（ 4 ）机电一体化技术在工业领域中的广泛应用，电子元器件可靠性的提高，将会加速电子调速器、电子喷射、可调进排气正时、可调式增压器等新技术在舰船柴油机上的应用。（ 5 ）高速大功率舰船用柴油机的发展重点是提高可靠性和使用寿命、降低成本、降低油耗、改善低工况性能、降低排放、增加柴油机的适应性、简化维修和提高自动化水平。舰船柴油机技术发展的基本趋势是：不但提高平均有效压力、提高单机功率、减少比重量和体积，尽可能降低各种工况下的燃油消耗率、降低 NO 及烟度，采用高压共轨或其他电喷供油系统、采用相继增压、低负荷用进排气旁通、高负荷用放废气等技术实现柴油机的全工况优化以及电子监控系统集成智能化。 2 蒸汽推进策统和联合推进统领域我国海军在大中型驱逐舰上，多采用蒸汽推进系统和联合推进系统。由于舰船蒸汽推进系统的发展受到舰船柴油机和燃气轮机发展的影响，蒸汽动力在中小型舰船上的应用日益减少，但由于常规蒸汽动力具有功率大，寿命长和造价低等其他推进系统所不及的优点，因此其在大中型舰船和航空母舰上将被继续采用，并占有重要的位置。 3 舰船燃气轮机的展望（ 1 ）海军大中型水面舰船推进动力的燃气轮机化趋势越来越明显，渐成不可逆转之势。（ 2 ）舰船燃气轮机将继续奉行¨航空派生”为主的政策。（ 3 ）现在简单开式循环燃气轮机已得到充分的发展。民航发动机的压比已从低于 12 提高到 30 左右，燃气初温也从 1 200 ℃增加到 1 600 ℃左右，近期内将可达到 1 700 ℃，考虑到航空改装的船用燃气轮机的初温一般比相应航空发动机的初温低 70 ～ 100 ℃，故近期内，预期会出现以燃气初温 1 600 ～ 1 650 ℃、压比约 35 运行的由航空改装的船用燃气轮机。此时发动机最大连续功率的耗油率约为 120 g/ （ kW · h ），比功约为 325 kW/ （ kg/s ），使较大功率的燃气轮机的耗油率至少在全功率下接近甚至低于目前高速柴油机的水平。舰用燃气轮机的发展将围绕着提高功率、降低油耗（最大和部分工况）、更大的比功、低的排放指标、减少尺寸和重量，以及提高可靠性与可维性进行。（ 4 ）发展燃气轮机装舰技术日趋重要。 4 综合电力推进系统领域随着超导技术、电子技术和整个工业技术水平的发展，可以预料综合电力推进系统将会在今后的大中型军用与民用舰船上有较大的发展。美、英、法等国海军都相继制订了开发水面舰船综合电力推进计划，瓦锡兰等公司也在大力研究开发这项新技术。 5 常规潜艇动力系统领域目前我国常规潜艇动力系统存在直接推进和电力推进两种形式。从世界常规潜艇发展趋势来看，电力推进已取代了直接推进的方式。从 20 世纪 80 年代开始，常规潜艇在延长水下经航时间、提高推进效率和采用新型推进器等方面有了很大的进展。常规潜艇动力系统的发展主要在以下几个方面。 5.1 加装AIP系统常规潜艇加装 AP 系统是其发展趋势，西方许多国家竞相研究开发 AIP 系统就说明了这点。由于各个国家的潜艇活动区域不同，技术水平、拥有的产品专利各异，以及对常规潜艇的任务需求也不一样，因此形成了世界上常规潜艇 AIP 系统百花齐放的局面。但是随着时间的推移以及对 AIP 系统的深人研究，现在形势比较明朗，在众多的 A 系统系统中，热气机、小型核动力推进系统和燃料电池三种 AP 系统脱颖而岀，均已达到了实艇应用阶段，取得了预期的效果。其中热气机 AIP 系统在瑞典皇家海军的潜艇上已经服役了相当长一段时间，并向许多国家出口了该系统，是惟一在役的常规潜艇 AIP 系统。热气机（ SE ）的热力循环方式是斯特林循环，因此也称为斯特林发动机。其工作特点是工质不与外界环境交流，形成闭式循环，振动和噪声小；低工况扭矩特性好；在整个负荷和转速范围内，热效率变化率比柴油机小；与柴油机相比，其由冷却水带走的热量大一倍，由排气带走的热量却很小；启动性能较差。燃料电池（ FC ）是将燃料中的化学能直接转变成电能的一种特殊动力转换方式。从其最初实验至今已有一百多年历史，直到 20 世纪 60 年代才取得突破性进展，目前已在宇宙飞船、深潜器、航标灯和无人声纳站等领域得到应用。燃料电池具有热功转换效率高、几乎无噪声声隐蔽性好、排温低——红外隐蔽性好、排放无污染—一光隐蔽好、易于布置和安装、维护保养简单方便等优点，所以在舰船上有着广阔的应用前景。燃料电池是缩短常规动力潜艇和核动力潜艇之间技术差距的有效途径之一，美国、德国、意大利、荷兰和日本等国正在进行这方面的技术开发工作，其中主要是美、德等国，美国以磷酸型燃料电池为中心开展研究，德国已完成常规柴电动力加装燃料电池的混合动力潜艇的海上试验，目前正在研制全燃料电池推进的潜艇。日本等其他国家正在进行将其应用在水面舰船和民船方面的研究工作。虽然燃料电池目前尚未真正达到可供经济实用的阶段，但在近几年内，预计将会在包括军船和民船在内的整个船舶领域开始进入实用化的阶段。如采用电热联供装置，其效率可达 80% 以上，是其技术发展的一个飞跃，也是舰船极为理想的动力源。所以在 21 世纪内，燃料电池作为舰船电源系统将受到人们日益普遍的重视。常规潜艇采用 AIP 系统，极大地提高了潜艇的水下续航力，吸收了常规动力潜艇和核动力潜艇的长处，必将对常规潜艇的发展带来革命性的影响，可以预料，加装 AIP 系统必将是 21 世纪常规动力潜艇的标志性技术。 5.2 采用永磁推进电机严格地说，永磁电机的概念早就提出来了，但是由于永磁材料的问题尚未解决，所以技术上的可行性未能实现，随着磁稳定性时间长、抗冲击、振动和高温的高导磁率磁体的出现，此项技术得以实现。与传统的舰船推进用电机相比，永磁电机诸多优点使其在舰船推进领域具有广阔的发展前景目前永磁技术已应用于潜艇上，德国 U212 级潜艇采用了西门子公司的永磁电机作为推进电机。新一代柴电推进一一全电力舰船肯定会考虑采用永磁电机。 5.3 采用泵喷推进和磁流体推进英、美、法等国新型潜艇广泛采用泵喷推进，使其全艇辐射噪声已经降到海洋背景量级，俄罗斯的“台风”级潜艇也准备采用喷水推进技术。美国于 1980 年完成了 300 W 的磁流体推进船海上试验，并制造了 2 250 kW 的样机。日本在这一领域进展很快，于 1985 年成立了“磁流体推进开发委员会”，开始从事磁流体推进船的开发。 1992 年，世界上第一艘载人磁流体推进船“大和一号”在日本神户港正式试航成功，标志着磁流体推进技木进入实用阶段。磁流体推进器是一种全新的推进装置。它利用海水的导电性能，让海水通过一定形状的槽道，槽道与海水形成电的回路，槽道外面由超导磁场广生高强度的永久磁场，当电流在槽道内的海水中流动时，在磁场的作用下，海水会产生洛伦兹力将海水推向船后或船首，使船产生向前或向后的推力。超导磁场是这种推进技术的必要因素，因为它们以较小的电损耗提供高磁场，而超导磁场需要深冷能量维持低温。磁流体推进由于不需要螺旋桨和轴系等运动部件，而是直接将电磁能转换成推力，因此不会产生“空泡”现象，也不存在传动轴振动造成的噪声，所以速度快、效率高、隐蔽性好，它在潜艇、超高速客货轮等方面有着很好的应用前景。 5.4 采用综合全电力系统舰船综合全电力推进系统研制已列入美、英等国海车的发展规划，并正在有计划地实施在我国综合全电力系统也开始受到关注，但仍有待技术决策部门规划，作出研制具体安排。 5.5 动力系统控制的网络化和智能化随着计算机技术的发展，动力系统控制由单纯的遥控、微机自控向网络集中控制发展；由程序化控制冋智能化控制发展；由动力系统本身自成体系的控制系统向全艇分布总线式控制系统发展；由控制、监测、自动记录向控制系统性能监测、故障定位和专家系统方向发展。 5.6 开展仿生推进的先期研究开发工作仿生推进是潜艇推进技术的革命，这种推进方式是仿生学和潜艇推进结合在一起的产品，它不光对潜艇的推进技术是一个跳跃式发展，对潜艇艇体设计、潜艇控制等都是一个全新的设计概念。 6 传动装置领域随着舰船动力系统的发展，简单标准型后传动装置已不能完全满足需要，后传动装置今后的发展会有以下特点：（ 1 ）从单个传动部件的研究设计发展到整个后传动装置的综合研究设计。（ 2 ）传动装置的研究设计与船一机综合分析研究相结合（ 3 ）开展大功率、大扭矩，低重量功率比，高机动性，高抗冲击与振动，低噪声，并车传动和行星传动技术方面的研究。 7 舰船隐身性领域为提高舰船的隐身性，对于动力系统而言，必须重点减小两方面的物理场：（ 1 ）降低舰船水下噪声场和水上噪声场，其中尤以动力系统机械设备运行时产生的结构噪声而形成的水下噪声场最为关键，这种噪声具有容易被识别的特点，对舰船隐身性的威胁最大。这方面的发展情况请参见第十三章有关内容。（ 2 ）舰船的红外场主要由动力系统机械设备运行时排气中携带的热量产生，使之成为红外侦察仪和红外制导武器的目标。同等功率下形成的红外场强依次为：燃气轮机（排气温度最高，排气中携带的热量次之），蒸汽轮机（排气温度第四，排气中携带的热量最多），热气机（排气温度次之，排气中携带的热量第三），柴油机（排气温度第三，排气中携带的热量第四），燃料电池（两者均第五），核反应堆则基本上无排放。其 250 ～ 600 ℃的排气是产生波长 3 ～ 5 m 中红外的辐射源，而中红外是红外制导导弹的目标，所以对中红外频段的抑制比较重要，现在都在对降低由前四者的排放而引起的红外场强进行研究。 8 推进监控系统舰船推进控制系统包括推进系统自动控制和远操系统。舰船推进监控系统的主要功能是对推进系统的主要运行参数进行釆集、处理、运算并进行显示、报警和纪录，并对机器的运行状态进行监视、故障诊断和趋势预报等。在 20 世纪 60 年代以前，推进监控系统重点是发展主要设备的单元自动化。到了 70 年代前后，计算机技术的引入给舰船推进监控系统带来了一场革命，舰船推进计算机监控系统的发展经历了从单个中央监控机到分布式小型机 / 微机再到现场总线网络系统。这种全数字、全分散和全开放式的局域网络推进监控系统的发展开创了难以预计的生命力。计算机网络技术的发展，通信可靠性大大提高，现场总线网络的出现又使控制与监测都可集成于一个系统之内，因而推进系统以至于机舱系统，可实现分散控制，集中管理。目前国际上先进的军、民舰船领域正在发展以现场总线控制系统计算机网络技术标志的综合平台管理系统（ PMS-Integrated Platform Management System ），它是当前推进监控以及机舱自动化技术水平的标志。民船则将从全船自动化向船岸一体化过渡。 PMS 的基础是可靠的平台网络和符合标准化、模块化的设备。参考文献邵开文，马运义 . 舰船技术与设计概论 . 北京：国防工业出版社 , 2009.07. 伍赛特 . 船用柴油机应用前景展望 . 柴油机设计与制造 ,2018,24(03):1-4. 伍赛特 . 燃料电池技术应用研究及未来前景展望 . 通信电源技术 ,2019,36(05):86-89. 伍赛特 . 船舶电力推进系统的技术特点及发展趋势研究 . 机电信息 ,2019(15):159-160. 伍赛特 . 船用柴油机及轮机系统的节能措施研究 . 上海节能 ,2019(04):271-274. 伍赛特 . 高性能船舶动力装置发展前景 . 水运管理 ,2019,41(06):21-25. 伍赛特 . 核动力舰船发展前景展望 . 节能 ,2019,38(03):117-120. 伍赛特 . 潜艇用闭式循环柴油机 AIP 装置研究综述 . 中国水运 ( 下半月 ),2019,19(02):94-95. 伍赛特 . 斯特林发动机应用于潜艇 AIP 动力装置的前景展望 . 装备制造技术 ,2019(01):107-110+114. 伍赛特 . 基于潜艇 AIP 动力装置的热力发动机闭式循环特征研究 . 内燃机 ,2018(06):54-57+62. 伍赛特 . 舰用燃气轮机动力装置的前景展望 . 现代制造技术与装备 ,2018(12):204-206. 伍赛特 . 燃料电池应用于船舶动力装置的可行性及展望 . 内燃机与动力装置 ,2018,35(04):87-90+94. 伍赛特 . 加汽式燃气轮机应用于舰船动力装置的前景分析 . 机电信息 ,2019(24):51-52.; 个人分类: 科普集锦|4298 次阅读|0 个评论

核电站汽轮机的技术特点: wusaite 2019-8-3 20:56; 核电站汽轮机的技术特点伍赛特 1 湿蒸汽汽轮机的特点自 1939 年发现用中子轰击铀原子核引起核裂变并释放出大量能量起，世界开始进入核能应用时期。经过几十年，建造了各种堆型（如石墨水冷堆、石墨气冷堆、压水堆、高温气冷堆、沸水堆和重水堆等）的核电站。自 20 世纪 50 年代第一座核电站出现至今已有 50 年，核电事业已进入辉煌的高速发展阶段。国际原子能机构统计表明，已有近 50 个国家和地区拥有超过 500 座核电站在运行。我国自行设计建造的秦山核电站，第一台 300 MW 核发电机组已在 1990 年并网发电，标志我国已有设计制造核发电设备的能力。引进法国和英国核电技术建造的广东大亚湾核电站一期工程 2 台 900 MW 的发电机组也建成投产，取得了良好的经济效益。继大亚湾核电站引进修建的岭澳核电站 2 台 1 000 MW 核电机组已建成投运。秦山第二核电站 2 台 600 MW 机组、秦山第三核电站 2 台 700 MW 重水堆核电站、田湾核电站 2 台 1000MW 核发电机组也已陆续投产。未来相当长的一段时间内，中国将处于核电的快速发展期。各种堆型的核电站都采用汽轮机作原动机，核电站汽轮机可分为过热蒸汽汽轮机与饱和蒸汽汽轮机两大类，前者用于石墨气冷堆、高温气冷堆和快中子增殖堆等堆型的核电站，而后者用于压水堆和沸水堆堆型核电站。 1.1 过热蒸汽核电站汽轮机高温气冷堆和改进型石墨气冷堆的核电站汽轮机，进汽参数已完全达到常规火电厂的标准。也可采用中间再热，容量已达到甚至超过常规火电厂。 1.2 饱和蒸汽核电站汽轮机饱和蒸汽汽轮机又称湿蒸汽汽轮机（包括微过热蒸汽汽轮机）。目前饱和蒸汽汽轮机约占核电站总装机容量的 89% ，其中绝大部分机组是利用轻水堆（包括压水堆和沸水堆）产生的蒸汽。由于受反应堆冷却剂温度的限制，一般压水堆平均出口温度低于 310 ℃，所以二回路只能产生压力较低（ 5 ～ 7 MPa ）的饱和蒸汽（或微过热蒸汽）。这种汽轮机具有以下特点。 1.2.1 低蒸汽参数由于饱和蒸汽汽轮机初参数低，比体积大，在一定背压的条件下，整机的理想比焓降小。在相等的功率下，饱和蒸汽汽轮机的进汽体积流量要比常规火电厂的汽轮机大 2 ． 5 ～ 3 ． 5 倍，排汽体积流量为常规火电厂的 1.65 倍，所以饱和蒸汽汽轮机的进、排汽尺寸要比常规电厂汽轮机大得多。高压缸采用双流道两个排汽口，低压缸采用多缸双流道多个排汽口，末级采用更长的叶片。 1.2.2 腐蚀和侵蚀饱和蒸汽汽轮机的大部分级都处于湿蒸汽区工作，这将引起动、静部分零部件的腐蚀和侵蚀，不仅降低机组的使用寿命，而且会增加级的湿汽损失，降低汽轮机级的相对内效率。 1.2.3 汽水分离再热器饱和蒸汽汽轮机在高、低压缸之间必须装设汽水分离再热器。它由汽水分离器和再热器两大部分组成，一般为大直径圆筒型，卧式布置在高、低压缸两侧。蒸汽在汽水分离器中除掉高压缸排汽中 90% ～ 98% 的水分，然后在两级再热器中变成过热蒸汽，进入低压缸膨胀做功。这样会使高压缸排汽压力损失约 2% ～ 5% ，另外汽水分离再热器体积庞大，给布置带来困难。但从安全性和经济性来看，设置汽水分离再热器是必需的。 1.2.4 半转速核电站汽轮机容量越大，其技术经济优越性越突出。随着机组容量的增大，汽轮机进、排汽体积流量也很大，所以进、排汽和通流部分的尺寸，特别是末级叶片高度很大。在不增加转子和叶片零件的应力水平条件下，若把汽轮机转速降低一半（即所谓“半速机”）其排汽面积可增至原来的四倍，流量或功率大致也达到四倍。美国轻水堆汽轮机几乎全部采用“半速机”，但欧洲一些国家为沿用火电厂汽轮机的末级叶片和两极发电机技术，也在发展“全速”的饱和蒸汽汽轮机。已经投入运行的有代表性的大容量的半速核电汽轮机是 ALSTOM 公司的 1550MW 汽轮机，安装在法国的 ARABELLE 电站。该汽轮机是由一个高、中压合缸和 3 个双排汽低压缸组成的冲动式汽轮机。 1.2.5 甩负荷超速饱和蒸汽汽轮机甩负荷容易引起超速。其主要原因是：①甩负荷后存留在通流部分内、蒸汽联通管和汽水分离再热器等处的大量蒸汽，继续流经各级膨胀做功；②饱和蒸汽汽轮机的大量疏水积存在静子零部件表面，形成一层水膜，或在凹坑内有积水，当汽轮机甩负荷时，通流部分内蒸汽压力突然降低引起水膜闪蒸而产生大量蒸汽，也会在级内膨胀做功，导致汽轮机超速。为防止饱和蒸汽汽轮机甩负荷超速，要求汽轮机进汽部件结构紧凑，尽量缩短连接管道，或在低压缸进口安装截止阀，使饱和蒸汽汽轮甩负荷超速值不超过 4% ～ 7% ，即最大转速限制在 3 120 ～ 3 210 r/min 以下，而不会引起危急遮断器动作，能维持汽轮机空转。 2 反应堆和核电站汽轮机参数核电站的三个主要部分是：反应堆，热交换装置和汽轮发电机组。核反应堆按照所用裂变燃料、中子减速剂、冷却工质 ( 或载热质 ) 以及中子速度不同等情况，可以分为许多类型。产生饱和蒸汽或低过热度蒸汽的反应堆叫轻水反应堆，它是与以重水为中子减速剂的重水反应堆相对而言的。目前已经发展成熟并大量应用的轻水反应堆有压力水反应堆和沸腾水反应堆两种。在两种轻水型系统中，压水堆系统不但效率略低，单位功率的造价也略高一些。但它的最大的优点就是由于采用了双回路循环，工作蒸汽不受放射性污染，因此在人员安全方面优于沸水堆系统。气冷反应堆以石墨作为中子减速剂并以气态 CO 2 作为冷却工质。这种系统的最大优点是水蒸气循环的参数不受反应堆参数的限制。但是这种反应堆造价比轻水反应堆造价高，同时，在发生事故的情况下不容易控制放射性物质的扩散（因为堆中充满了气体）。所以从全面的技术经济性和安全可靠性方面来衡量，还不能与压水堆相竞争。目前，压水堆在数量上占很大比重，尤其舰船用反应堆，无一例外采用压水堆。压水堆有运行安全可靠、调节性能良好等优点。压水堆和沸水堆这两种堆型目前约占核电站堆型的 87% 以上。参考文献黄树红 . 汽轮机原理 . 北京：中国电力出版社 , 2008.08:167-169.; 个人分类: 科普集锦|8875 次阅读|0 个评论

热力发电厂的技术发展方向: wusaite 2019-7-31 10:03; 热力发电厂的技术发展方向伍赛特以火力发电为主的热力发电厂一直是沿着不断提高蒸汽初参数、增大装机容量的技术方向发展的。我国的热力发电厂中参数较低的机组已经开始逐步淘汰，在建机组以亚临界参数为主，少量引进超临界机组。目前国产化超临界技术、超超临界技在国内已有应用。由于进一步提高机组的参数受到材料科学技术水平的限制，而各种复杂循环和复合循环技术日渐成熟，所以在能源利用、环境保护和可持续发展等各个方面都具有优势的燃气轮机 - 蒸汽轮机联合循环、磁流体（ MHD ）发电技术、热电联合生产等等多种循环复合技术、多联产能源技术、分布式能源供应系统、多种能源综合供应技术，也是当前及未来热力发电厂的技术发展方向。核电在热力发电厂的一次能源构成中的比重越来越大，是化石燃料资源枯竭之后、大规模利用太能（太空利用）之前的主要能源。如果材料技术能有所突破，也将在热力发电工业领域引起连锁的技术发展和突破。由于人类活动中二氧化碳排放量最大、最集中的行业就是火力发电业，所以 CO 2 减排技术也是热力发电厂的重要技术发展方向之一。参考文献伍赛特 . 柴油机应用于发电设备的行业前景展望 . 上海节能 ,2019(02):130-134. 伍赛特 . 分布式发电系统技术特点及应用前景展望 . 通信电源技术 ,2019,36(05):123-125. 伍赛特 . 重型燃气轮机研究现状与技术发展趋势展望 . 机电产品开发与创新 ,2019,32(02):65-67. 伍赛特 . 微型燃气轮机技术特点研究及其应用于分布式发电领域的前景展望 . 通信电源技术 ,2019,36(06):45-48. 王承阳 . 热能与动力工程基础 . 北京：冶金工业出版社 , 2010.01:131.; 个人分类: 科普集锦|3511 次阅读|0 个评论

水轮机与汽轮机和燃气轮机的差异: wusaite 2019-7-24 13:01; 虽然水轮机和汽轮机及燃气轮机等热力涡轮机械同属于涡轮机械范畴，但不管是从叶轮的形状还是整体的结构来看，水轮机和另外两种机器存在显著差异，当然工作特性也有一些不同。造成这些区别的主要原因在于，水轮机的工作水头主要由地形条件决定，一方面其能量头显著低于汽轮机，另一方面还存在较大的变化范围。而汽轮机及燃气轮机的工质的压力和温度是人为产生的，可在一定范围内进行控制。还有一个原因是液体通常属于不可压缩流体，并且其密度比气体大得多。由于水轮机的能量头比较低，所以其转速也低。但液体的密度大，所以其功率密度并不比汽轮机低。与汽轮机相比，水轮机属于低速重载的机械设备。这一事实决定了二者的结构细节有相当多的不同。同时也由于水轮机的能量头相对较低，因此水轮机通常无需制成多级结构，在实际工程中运用的水轮机基本都是单级的。单级的结构中设置调节机构比多级机组更便捷，所以水轮机具有很好的调节特性。水轮机的水头在较大的范围内变化。为了适应从低到高不同的水头，水轮机转轮的叶片形状从轴流式经过混流式到切击式，呈现出相应的变化规律。这一点也与汽轮机及燃气轮机存在不同。; 个人分类: 科普集锦|4846 次阅读|0 个评论

燃气轮机车与汽轮机车: wusaite 2019-3-30 10:26; 1 燃气轮机于铁路运输领域的应用 1.1 燃气轮机车应用于移动载具的燃气轮机可以采用两种动力形式，一种为单轴燃气轮机，另一种则为分轴燃气轮机。机车理想牵引曲线为反比例函数，即双曲线在第一象限的一支。分轴式燃气轮机的动力涡轮扭矩特性与该牵引曲线较为接近，可采用机械传动。而单轴燃气轮机的扭矩特性曲线与该牵引曲线相差较大，通常可利用其转速稳定的优势，采用电传动方式驱动机车。 1.2 燃气轮机车的优势及劣势 1.2.1 燃气轮机车的优势燃气轮机结构轻小，在尺寸相近的前提下能比内燃机输出更高的功率，因此在机车内部有限的布置空间内可以达到较高的功率，在轴重一定的前提下更容易发展成单节大功率机车。该优势是内燃机车所无法比拟的。燃气轮机由于结构简单、运转均匀、工作连续，因此对机车车架及铁路路基的振动冲击较小。燃气轮机可以不用水，在缺水地区进行长距离高速运输具备一定的优势。相比于内燃机车整机结构更为简单，车体更为短小，总质量更轻，其维护保养成本也相对较低。在高原地区，内燃机的功率与效率均会下降，而燃气轮机的功率会下降较少，效率反而有所提升。燃气轮机在燃用气体燃料时效果也更好，同时也可燃用品质较差的燃料油以及煤粉。 1.2.2 燃气轮机车的劣势燃气轮机车相比于内燃机车的劣势在于，叶片对制造工艺精度要求较高，并且材质成本更高，燃油经济性更差。如在短途交路及支线运输时采用燃气轮机车，则会丧失铁路运输单位运量运输成本较低的优势。为使转速与转矩与牵引曲线匹配，需采用减速机构，燃气轮机的转速明显高于内燃机，会导致减速机构较为复杂。同时由于燃气轮机空气流量较大，燃气轮机的气动噪声整体高于内燃机，再加上机车内部空间狭小，难以进行有效的降噪措施，该问题尤为严重。 1.3 燃气轮机应用于铁路牵引动力的可行性分析在当前的铁路运输中，电力机车为主流牵引动力，但是热力机车仍有其难以取代的优势。由于燃气轮机部分负荷功率比内燃机下降更多，因此在短距离采用燃气轮机作为牵引动力则并不合适。燃气轮机车可在全负荷工况下长期运作，利于启动及长大坡道牵引，耐久性高于内燃机车。并且在高原地区工作时，燃气轮机车的排气可用于驾驶室取暖，还可将轮对的润滑油加热，用以保持牵引力。冬季时进气滤清器容易结冰，需要采取相应加热措施。相关噪声问题需采用有效的消音措施。 2 汽轮机于铁路运输领域的应用 2.1 汽轮机车的优势及劣势汽轮机车是以汽轮机作为牵引动力的一类热力机车。汽轮机车相比于传统的蒸汽机车，具备以下优势：①效率更高，功率更大，牵引速度更快；②汽轮机的运动机件比蒸汽机更少，因此可靠性与耐久性更高；③活塞式蒸汽机车输出的扭矩通常呈正弦变化，在启动时更容易产生车轮滑移；④活塞式蒸汽机车的侧杆和气门机构容易对轨道产生垂向作用力。汽轮机车相比于传统的蒸汽机车，具备以下劣势：①汽轮机车通常在高速工况下才会有较高的效率，而在部分负荷下则效率较低；燃气轮机机车有类似的特点；②辅助装置较多，尺寸较大，难于布置；③涡轮机械只能朝着同一个方向旋转，如果要进行反转，需设置倒车级方可实现。 2.2 汽轮机应用于机车牵引动力的可行性分析汽轮机作为一类外燃机，虽然功率较大，运转平稳，但是无法像蒸汽机输出反向的轴动力。同时由于汽轮机的动力输出轴位置形式以及叶轮的径向尺寸，汽轮机机组无法像蒸汽机一般布置于机车车架两侧，难以采用传统的机械传动，通常只可采用电传动。汽轮机本体尺寸庞大，辅助装置繁杂，布置于机车有一定的困难，同时消耗水较多，目前不适用于机车牵引动力。 3 结论 ①目前的主流干线牵引，仍采用电力牵引。由于电气化铁路基建成本较高，高原地区作业较为困难，燃气轮机可作为高原地区的替代性牵引动力，用于目前向未来电力牵引的过渡阶段。燃气轮机由于是连续工作，适合燃用气体燃料，因此在其他盛产油气的长交路运输路段，也适于采用燃气轮机作为牵引动力。 ②汽轮机由于辅助设备繁杂，难以在机车上进行布置，同时耗水较多，目前不适于在铁路牵引领域应用。; 个人分类: 科普集锦|3608 次阅读|0 个评论

热力发电厂为什么要建冷却塔？: 热度 7 zhao1203 2016-11-29 14:32; 文/赵顺安热力发电是指将化石燃料或核燃料的热能在锅炉或反应堆里将水加热为高温高压的蒸汽，然后进入汽轮机转化为机械能，再由发电机将机械能转换为电能的过程，如图所示。高温高压的蒸汽在汽轮机中作功后成为低温乏汽，要想再利用蒸汽，就必须将蒸汽转化为液态水进行锅炉或反应堆重新加热形成循环过程。要将乏汽液化就要将乏蒸汽中的汽化潜热去掉，同时去掉汽化潜热后的温度越低，汽轮机的效率就越高。早期的热力发电厂的乏汽潜热通常是通过取大自然的水源的水，如江、河、湖、泊、海等，进入凝汽器（换热器）将热量带向环境水域。环境水域水温一般比较低，那么乏汽冷却后的温度也较低，发电效率也高。但随差电厂建设的增加（装机容量），较有利利用自然水域作为散热资源的厂址，已经被人们开发利用，另一方面由于乏汽的潜热带给自然水域后，引起环境的热污染。河流环境海洋要得到保护，可利用的自然水资源就非常有限，要完成热力发电过程，还必须排出大量的乏汽废热。冷却塔就是一个必然的选择，冷却塔就是将发电过程中乏汽的潜热传递给大气的一个装置。因为电厂排出的废热量非常之巨大，大约锅炉或反应堆产生热量的40%以上要通过冷却塔排放至大气，所以冷却塔是巨大的一个建筑，人们看到大多电厂的配制是高高的烟囱和粗高的冷却塔。冷却塔是一个高度达200米，直径150 米的一个薄壳结构，最薄的地方仅0.2米，电厂发电乏汽的潜热通过每小时十万吨循环冷却水在冷却塔中喷洒并与空气进行热交换，空气被热水加热加温湿后由冷却塔的出口排向大气环境，塔出口排出的中高温高湿的空气。; 23765 次阅读|24 个评论

哥廷根空气动力研究所工作过的28位杰出学者(1)- 雅各布·阿克莱特: callmegao 2011-8-10 16:29; （初稿）雅各布·阿克莱特(Jakob Ackeret,1898 – 1981) 瑞士人，杰出的空气学家。 1920年在 ETH Zurich（苏黎世联邦工业大学）获得机械工程本科学位，导师是奥列尔·斯托多拉（Aurel Stodola，1859-1942，见注1）从1921年到1927年，他到哥廷根大学空气动力研究所（AVA，Aerodynamische Versuchsanstalt）跟随L.Prandtl做研究，1927年获得ETH Zurich的博士学位。博士毕业后，他到著名的水轮机制造商苏黎世埃舍尔韦斯集团（Escher Wyss AG）工作，利用其渊博的空气动力学和水力学知识设计水轮机，后来成为该公司水轮机主任设计师（Chief Engineer of Hydraulics）。 1931年后，成为ETH Zurich的教授，但仍积极参与如可变螺距螺旋桨、船舶和飞机的设计等实际工程问题的研究。 1967年当选美国国家工程院外籍院士，理由是因其在高速和超音速流体力学的工作对飞行科学产生了巨大推动作用， "contributions to the understanding of high-speed and supersonic fluid mechanics, leading to significant improvements to the science of flight" 1969年，获得以其师兄命名的Timoshenko Medal（铁木辛哥奖，号称力学界的Nobel）主要学术贡献 1）1925年前后建立了二元线性化机翼的超声速升（举）力和阻力理论，这个理论后来由普朗特(1930)、钱学森(1939)、卡门(1940)等作过修正； 2）1929年首次把飞机的飞行速度与当地大气(即一定的高度、温度和大气密度)中的音速之比同马赫的姓氏联系起来.直到1939年后马赫数这个名词才在世界范围内广泛应用； 3）1935年在罗马会议提出了初步工作超音速风洞的设计思想，为超音速空气动力学研究打下基础； 4）与F.Feldman,N.Rott以及H.W.Liepmann等人1946年开始比较系统地研究激波与边界层的干扰或相互作用现象,在他们的实验中,分别独立地改变气流M数和Re数,所得结果对这一复杂的现象提供了一些说明。 J.Ackeret,F. Feldmann and N.Rott, Untersuchungen anVerdichtungsst ssen und Grenzschichten　in Schnell Bewegten Gasen,Report No.10 of　the Inst.of Aerodynamics, ETH,zürich,1946. 4）利用相对论理论，推导了当火箭运动速度接近光速时高高超音速的广义齐奥尔科夫斯基公式，也称阿克莱公式，可以近似地估计火箭需要携带的推进剂的数量以及发动机参数对理想速度的影响（原始文献待查） 5）与C. Keller发明了带封闭的回路燃气轮机（原始文献待查） ----------------------------------- 注1：奥列尔·斯托多拉（Aurel Stodola，1859-1942）杰出的斯洛伐克热工专家，汽轮机权威，1929 年春他从教坛退休时，爱因斯坦曾专门撰文《感谢斯托多拉》在《新苏黎世时报》上发表，对他的工作给予了高度评价。 1859 年 5 月 10 日生于斯洛伐克的普托夫斯基-米库拉什。1878 年毕业于瑞士苏黎世高等技术学校。1883-1884 年在柏林大学、巴黎大学和柏林高等技术学校进修。1884-1892年在机器制造厂工作。 1892-1829 年在苏黎世联邦工业大学(原高等技术学校)任教授。斯托多拉一生大部分时间主要从事热力学理论和空气流体动力学理论、汽轮机和燃气轮机的计算问题、自动控制理论和离心式压缩机的循环理论等方面的研究；还对过渡状态下喷嘴的工作情况、涡轮工作叶片中的能量变化问题、挡气装置的漏气现象、蒸汽流动时的闭冷却等问题进行过研究。提出了计算振荡和高速蒸汽涡轮叶片、轮盘、轴和转子强度的技术方法；推广了俄国学者 A · 维什涅格拉茨基直接式调节器对间接调节系统作用的计算方法，即根据汽轮机调节系统原理提出著名的古尔维茨问题。哥廷根大学流体研究所工作的二十八位杰出学者该名单来自戴世强教授博客 http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=spaceuid=330732do=blogid=383217; 5282 次阅读|0 个评论

[转载]工信部批准八项激光再制造标准立项: zidiao 2011-5-23 17:51; 近日，工业和信息化部印发2011年第一批行业标准制修订计划（工信厅科 75号），批准激光再制造八项标准立项。这八项标准为：《激光修复轧机扁头套技术条件》、《激光再制造高炉煤气余压透平发电装置动叶片技术条件》、《激光再制造高炉煤气余压透平发电装置静叶片技术条件》、《激光再制造螺杆压缩机技术条件》、《激光再制造烟气轮机轮盘技术条件》、《激光再制造烟气轮机叶片技术条件》、《激光再制造轴流风机技术条件》、《在线激光修复轧机牌坊技术规范》。　　上述八项标准突出了激光再制造的技术要求和条件，对于提升再制造质量和技术水平，推动激光再制造技术的推广应用将产生积极影响，尤其是近年来激光再制造技术在冶金轧辊、热连轧机等关键部件和汽轮机等动力设备再制造上得到日益广泛应用，标准的制订将大力推进激光再制造产业化步伐。; 个人分类: 政策法规|1620 次阅读|0 个评论

保障安全的条件下有序发展核电: 热度 2 kejidaobao 2011-3-28 10:58; 日本“3·11”大地震发生后，日本福岛第一核电站4个机组连续发生了爆炸和火灾，关于“核泄漏”的恐慌传遍全球，在核电站看似平静的外表下，蕴藏了巨大的能量及不可预测的危险。如何在保证安全的前提下发展核电，使核事故发生率降到最低？事故突发后，如何有效快速地应对，使损害最小？如何面对核泄漏带来的污染和辐射？核安全的一系列问题引起了全球的关注。随着人类对能源需求日益增大，煤、石油等常规能源储量已明显不足，而且其使用也给环境带来了很多问题。核电站以核反应堆为载体，将核燃料添加其中，发生特殊形式的“燃烧”而产生热量，使核能转变成热能。加热产生的蒸汽通过管路进入汽轮机，推动汽轮发电机发电，从而使机械能转变成电能。核能发电具有不造成空气污染、无二氧化碳排放、燃料成本低等优点，但是由于核反应堆内有大量放射性物质，一旦核电厂发生事故，这些物质将施放到外界环境中，对生态及公众造成很大伤害。目前，中国核电正处于快速发展时期，为了保障核电站的正常、安全的运行，相关单位制定了一系列防核扩散标准及核电厂事故应急划分准则。其中，应急计划区的划分是核电厂应急计划制定中的一个重要内容，其目的在于在应急干预的情况下便于迅速组织有效的应急响应行动，最大限度地降低事故对环境和公众可能产生的影响。多数情况下，需要采取应急响应行动的区域可能只限于相应的应急计划区的一部分，但在发生非常严重的核事故的特殊情况下，也可能需要在相应应急计划区之外的部分地区采取防护措施。本期第22-25页刊登了黄挺、曲静原的“核电厂应急计划区划分中严重事故准则应用方式研究”一文，以压水堆芯熔化释放类事故为研究对象，对事故谱后果进行计算，明确了“大多数严重事故序列”和“后果最严重事故序列”的含义。封面图片为核电站，本期封面由金功博设计。（本刊记者刘志远）; 个人分类: 栏目：封面图片说明|2737 次阅读|2 个评论

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标签: 汽轮机

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