輻流式汽輪機

自1970年起，我國開展利用地熱能源發電的研究工作，相繼建成七座不同熱水温度和容量的地熱試驗電站。其中原動機大多采用常規電廠軸流式汽輪機。這種汽輪機結構比較複雜，加工困難，小功率時效率較低，成本高，成為當時阻礙加速推廣地熱發電的關鍵設備。開展了低沸點介質循環地熱發電汽輪機的研究。通過分析表明，輻流式汽輪機比較適應於低沸點介質循環地熱發電的中、低焓降和大流量的要求以及中低温地熱電站的中、小功率的特點，它具有結構簡單、加工容易、效率較高和成本低等優點 ^[1]  。

蒸汽首先由進汽管進入蝸殼形汽室，然後均勻引入噴管，繼而進入葉片，最後從排汽管排出。輻流式汽輪機工作過程的一個重要特點是，當汽流通過葉片時，由於離心力的作用可以得到軸流式汽輪機所沒有的附加功，因而具有比較高的效率。

汽輪機效率實際上是汽輪機的級效率，或相當於單級汽輪機效率，對於中低温熱源低沸點介質循環，因可用燴降小，汽輪機一般為1-3級結構，在這些場合下，採用輻流式汽輪機，不但在結構及製造上有其優越性，而且可以獲得比較高的效率。從對我國地下熱水發電的參數計算表明，在保證相應的最佳速度比及其他參量的條件下，低沸點工質軸流式汽輪機的計算效率一般為0.65-0.75，而輻流式汽輪機為0.80-0.85。

輻流式汽輪機一般設計為反擊式結構，和軸流式汽輪機相比，若保持同樣大小的葉輪直徑，則輻流式汽輪機的轉速較高，若保持同樣轉速，則輻流式汽輪機的葉輪直徑較大。即使熱水温度為100℃左右時，取葉輪轉速為3000轉/分，葉輪直徑仍在1.0米以內；若提高轉速(6000轉/分)，葉輪直徑則可大大減少，此時，增加一個2:1速比的變速裝置即可。當採用可用燴降較小的如氟利昂作工質時，輻流式汽輪機的尺寸和轉速都比較理想。當提高轉速和運用類似氟利昂工質時，採用輻流式汽輪機是實現機組小型化的一個方向。

(1)單級向心式懸臂結構，低沸點介質蒸汽首先經進汽伐進入蝸殼形汽室，繼而自輪緣沿着徑向依次流過噴管和葉片，流向軸心，最後由排汽管排出；

(2)葉輪為開式結構，非整鍛銑制，用低碳鋼鋼板做輪盤，葉片為等厚度的圓弧片，僅有19片，採用精密鑄造，葉片嵌鑲在輪盤上，最後用鉚釘定位；

(3)噴管片為鑄造，共計34片，用銷釘鉚接在上下底板間；

(4)為了使熱力系統中兩台燕發器能並列一級蒸發或串連二級蒸發供汽發電運行和試驗，以考察低温地熱資源的力能效果，噴管和葉片分為左右兩半，構成兩個獨立的通汽部分，並各自都配有進汽管和進汽伐；

(5)主軸出端設有雙端面軸封，一端為機械密封(大氣側)，另一端為脹圈軸封(工質側)，由系統工質氯乙烷冷卻，以簡化系統，提高運行的安全可靠性；

(6)本汽輪機無機械式調速裝置，採用電測速訊號自動增減電站的內負荷，以控制汽輪機轉速穩定。設有手動危急保安操伐；

(7)所用材料除主軸及葉片為45號鋼外，其餘均為一般鋼材。

由於採取上述措施，使得汽輪機結構相當簡單易制，用料較少，成本較低。

輻流式汽輪機有一個比較明顯的特點，即在部分進汽時，鼓風損失較大。在離心力的作用下，在與無工作汽流通過的噴管相對應的非工作葉片中，產生與工作葉片中的汽流方向相反的(自軸心流向輪緣)汽流，因葉片比較長而消耗較大的功率。因此，對於輻流式汽輪機，進汽度對相對內效率的影響比軸流式汽輪機大。隨着進汽度的減少，輻流式汽輪機效率下降的速度比軸流式汽輪機來得快。根據實驗數據，進汽度在1到0.5範圍內變化時，輻流式汽輪機效率與進汽度的關係接近直線關係。

本汽輪機儘管葉片高度較小、葉片為等厚度圓弧片(出汽邊未曾削薄)、葉輪採用開式結構(無葉片端蓋)以及加工比較粗糙等，汽輪機效率仍然比較高。無端蓋開式葉輪，結構簡單，製造方便。其漏入葉片一與汽缸間隙的蒸汽，仍將進入葉片通道和主汽流一起對葉片作功，實際的漏汽損失可能不大。

根據理論分析及試驗表明，輻流式汽輪機有如下幾方面的優點和特點：

1.相對內效率較高，可以達到80%以上；

2.結構簡單，機件少，對無腐蝕性工質可以採用價格低廉的材料，加工技術要求不高，造價較低；

3.機組運行平穩，操作簡便；

4.即使汽輪機為單級結構，基本適應二級蒸發循環系統運行發電，可提高中低温地熱電站的力能效果。

對於中低温地熱資源，國內外多采用雙流體熱力循環。低沸點工質的可用燴降小，工質流量大，單機功率小，因而採用輻流式汽輪機有着明顯的優越性。可以預期，在地熱發電、太陽熱發電以及餘熱發電等工程技術領域中，輻流式汽輪機將有廣泛應用的前景。

對於資源温度較高、地熱流體含鹽量高、容量較大的電力站，雙流體循環也是有廣闊前景的熱力循環。在這種情況下，應用輻流式汽輪機也是適宜的，此時，汽輪機的工作葉片可設計為徑向軸流混合型線，以適應較大燴降和較大功率的要求，結構仍然簡單且效率高。

國外正在研究的全流發電系統具有系統簡單高效的特點，這一新型發電系統的關鍵設備就是動力機的設計。與其他型式動力機相比較，輻流式汽輪機在除垢防腐蝕、適應兩相流動及提高熱利用率等方面都有其特點。

低沸點介質動力循環中應用輻流式汽輪機總的説來，在國內外仍處於以試驗研究為主的階段，對其結構型式、工質及設計參數選擇、密封技術以及技術經濟評價等都有待進行深入的研究。本機組的研製僅是初步工作。建議有關部門在較高温度熱源中對功率較大的輻流式汽輪機的研製和應用予以足夠的重視，以適應我國地熱發電、太陽熱發電及餘熱發電等能源的利用 ^[1]  。