公元1世紀,亞歷山大的希羅記述的利用蒸汽反作用力而旋轉的汽轉球,又稱為風神輪,是最早的反動式汽輪機的雛形。1629年,意大利的Gde布蘭卡提出由一股蒸汽沖擊葉片而旋轉的轉輪。1882年,瑞典的C.G.Pde拉瓦爾制成第一臺5馬力(3.67千瓦)的單級沖動式汽輪機。1884年,英國的C.A.帕森斯制成第一臺10馬力(7.35千瓦)的單級反動式汽輪機。1910年,瑞典的B.&F容克斯川兄弟制成輻流的反動式汽輪機。
19世紀末,瑞典拉瓦爾和英國帕森斯分別創制了實用的汽輪機。拉瓦爾于1882年制成了第一臺5馬力(3.67千瓦)的單級沖動式汽輪機,并解決了有關的噴嘴設計和強度設計問題。單級沖動式汽輪機功率很小,已很少采用。
20世紀初,法國拉托和瑞士佐萊分別制造了多級沖動式汽輪機。多級結構為增大汽輪機功率開拓了道路,已被廣泛采用,機組功率不斷增大。帕森斯在1884年取得英國專利,制成了第一臺10馬力的多級反動式汽輪機,這臺汽輪機的功率和效率在當時都占領先地位。
20世紀初,美國的柯蒂斯制成多個速度級的汽輪機,每個速度級一般有兩列動葉,在第一列動葉后在汽缸上裝有導向葉片,將氣流導向第二列動葉。速度級的汽輪機只用于小型的汽輪機上,主要驅動泵、鼓風機等,也常用作中小型多級汽輪機的第一級。
國際發展狀況
(1)1882年瑞典工程師拉瓦爾設計制造出了第一臺單級沖動式汽輪機,隨后在1884年英國工程師帕森斯設計制造了第一臺單級反動式汽輪機,雖然那時的汽輪機與現代汽輪機相比結構非常簡單,但是推動了汽輪機在世界范圍內的應用,被廣泛應用在電站、航海和大型工業中。
(2)在60年代,世界工業發達的國家生產的汽輪機已經達到500-6OOMW等級水平。1972年瑞士ABB公司制造的130OMW雙軸全速汽輪機在美國投入運行,設計參數達到24Mpa,蒸汽溫度538°C,360Orpm;,1974年西德KWU公司制造的130OMW單軸半速(150Orpm)飽和蒸汽參數汽輪機投入運行;1982年世界上最大的12OOMW單軸全速汽輪機在前蘇聯投入運行,壓力24Mpa,蒸汽溫度540°C.
(3)世界各國都在研究大容量、高參數汽輪機的研究和開發,如俄羅斯正在研究2OOOMW汽輪機。主要是大容量汽輪機有如下特點:
1)降低單位功率投資成本。如800MW機組比50OMW汽輪機的千瓦造價低17%;120OMW機組比8OOMW機組的千瓦造價低15%-20%。
2)提高運行經濟性。如法國的6OOMW機組比國產的125MW機組的熱耗率低276KiKW.h,每年可節約燃煤4萬噸。加快電網建設速度,滿足經濟發展需要,提高電網的調峰能力。
(4)汽輪機按照工作原理分為沖動式汽輪機和反動式汽輪機。
汽輪機是一種以蒸汽為動力,并將蒸氣的熱能轉化為機械功的旋轉機械,是現代火力發電廠中應用最廣泛的原動機。汽輪機具有單機功率大、效率高、壽命長等優點。
--沖動式汽輪機蒸汽主要在靜葉中膨脹,在動葉中只有少量的膨脹。
--反動式汽輪機蒸汽在靜葉和動葉中膨脹,而且膨脹程度相同。
由于反動級不能作成部分進汽,因此第一級調節級通常采用單列沖動級或雙列速度級。如中國引進美國西屋(WH)技術生產的30OMw、60OMW機組。
世界上生產沖動式汽輪機的企業有:美國通用公司(GE)、英國通用公司(GEC)、日本的東芝(TOSHIBA)和日立、俄羅斯的列寧格勒金屬工廠等。制造反動式汽輪機的有美國西屋公司(WH)、日本三菱、英國帕森斯公司、
法國電器機械公司(CMR)德國(SIEMENS)。等,
沖動式汽輪機為隔板型,如國產的30OMW高中壓臺缸汽輪機;反動式汽輪機為轉鼓型(或筒型),如上海汽輪機廠引進的300MW、600MW汽輪機。
(5)汽輪機按照蒸汽參數(壓力和溫度)分為:
--低壓汽輪機:主蒸汽壓力小于1.47Mpa;
--中壓汽輪機:主蒸汽壓力在1.96-3.92Mpa;
--高壓汽輪機:主蒸汽壓力在5.88-9.8Mpa;
--超高壓汽輪機:主蒸汽壓力在11.77-13.93Mpa;
--亞臨界壓力汽輪機:主蒸汽壓力在15.69-17.65Mpa;
--超臨界壓力汽輪機:主蒸汽壓力大于22.15Mpa;
--超超臨界壓力汽輪機:主蒸汽壓力大于32Mpa;
由于冶金技術的不斷發展,使得汽輪機結構也有了很大改進。大機組普遍采用了高中壓合缸的雙層結構,高中壓轉子采用一根轉子結構,高、中、低壓轉子全部采用整鍛結構,軸承較多地采用了可傾瓦結構。各國都在進行大容量、高參數機組的開發和設計,如俄羅斯正在開發的20OOMW汽輪機。日本正在開發一種新的合金材料,將使高中、低壓轉子一體化成為可能。
中國發展狀況
(1)中國汽輪機發展起步比較晚。1955年上海汽輪機廠制造出第一臺6MW汽輪機。1964年哈爾濱汽輪機廠第一臺10OMW機組在高井電廠投入運行;1972年第一臺2OOMW汽輪機在朝陽電廠投入運行;1974年第一臺3OMW機組在望亭電廠投入運行。70年代進口了10臺200-320MW機組,分別安裝在了陡河、元寶山、大港、清河電廠。70年代末國產機組占到總容量70%。
(2)1987年采用引進技術生產的300MW機組在石橫電廠投入運行;1989年采用引進技術
生產的60OMW機組在平圩電廠投入運行;2000年從俄羅斯引進兩臺超臨界80OMW機組在綏中電廠投入運行。
(3)上海汽輪機廠是中國第一家汽輪機廠,在1995年開始與美國西屋電氣公司合作成立了STc ,1999年德國西門子公司收購了西屋電氣公司發電部,STC相應股份轉移給西門子。哈爾濱汽輪機廠1956年建廠,先后設計制造了中國第一臺25MW、50MW、10OMW和20OMW汽輪機,80年代從美國西屋公司引進了300MW和6OOMW亞臨界汽輪機的全套設計和制造技術,于1986年制造成功了中國第一臺6OOMW汽輪機,自主研制的三缸超臨界6OOMW汽輪機已經投入生產。東方汽輪機廠1965年開始興建,1971年制造出第一臺汽輪機,主力機型為6OOMW汽輪機。北京北重汽輪電機有限責任公司做為后起之秀,以3OOMW機組為主導產品,它是由始建于1958年的北京重型電機廠通過資產轉型在2000年10月份成立的又一大動力廠,2臺60OMW汽輪機也已經投入生產。
(4)中國四大動力廠以600MW和100OMW機組為主導產品。