冲动级与反动级的简单对比

张意祥

摘要：汽轮机最基本的工作单元是级，按照工作原理又分为冲动级和反动级两种。笔者通过查找多方文献，并结合自己的理解在多个方面，在包括热力过程、结构、速比、轮周效率以及损失等方面对冲动级和反动级进行了简单的比较。

关键词：汽轮机；冲动级；反动级；

1 引言

汽轮机是将蒸汽的热能转换成机械功的一种旋转式原动机，被广泛地应用于火力发电事业中，自从1883年汽轮机被发明以来，它一直为着人类文明的发展而工作着。随着科学技术水平的提高，汽轮机的科技水平也在随着时代的发展而不断进步着，渐渐地随着汽轮机技术的发展，按照最基本的工作原理进行分类，汽轮机被分为冲动式以及反动式两类，正如世界上有男和女以及黑和白之分一样，经过长期的实践证明，二者各有千秋，不能互相取代。正是因为有着不同世界才显得缤纷多彩，汽轮机也因为这两种类型的存在，使得二者在长期的竞争中取有余补不足，加速推动了汽轮机事业的发展。本文将对两种汽轮机在一些方面进行比较，阐述各自优缺点。

2 热力过程上的比较

级是汽轮机中最基本的工作单元，汽轮机的热功转换也是在各个级中进行的。级由一列喷嘴叶栅和紧邻其后的一列动叶栅构成。反动度是用来衡量蒸汽在动叶通道中理想焓降占整个级的理想滞止焓降的相对大小的指标，它表现了蒸汽在动叶通道中膨胀程度的大小，一般情况下用级平均直径处的反动度来表示。即

     （1）

蒸汽在级中以不同的形式膨胀做功也就形成了不同原理的汽轮机，即冲动式和反动式两种，而反动度有效的表现了二者的区别，实际上二者的命名正是直接依据蒸汽在动叶通道中应用的是冲动原理还是发动原理来进行的。

一般的，反动度在0.05-0.3之间的级称为冲动级，反动度等于0.5的称为反动级。我们可以结合式（1）对这组数据进行分析。由此可以明显的发现，冲动级中，蒸汽主要在喷嘴中完成膨胀，在动叶通道只完成极小部分的焓降，即蒸汽在动叶中基本只负责推动动叶转动做功，不难得出，因为要将能量转换为机械功，所以冲动级动叶出口的相对速度是小于喷嘴的出口速度的。在反动级中，动叶中的焓降与喷嘴中的相等，说明蒸汽在动叶通道中不仅直接推动动叶旋转，自身还进行膨胀使动叶获得反动力，也不难得出，因为蒸汽在动叶通道中继续膨胀，所以反动级中动叶出口的相对速度是大于喷嘴的出口速度的。

图一 冲动级中速度分配及压降[1]

图二 反动级中速度分配及压降[1]

图一和图二分别表现了冲动级和反动级中压力以及速度的变化情况。图中可以明显的看出本段所论述的速度分配在冲动级和反动级中的不同，其中脚标0、1,2分别表示喷嘴前截面、喷嘴叶栅与动叶栅之间截面，动叶后截面。我们也可以在焓熵图中用热力过程线来形象的表现两种级中焓降的情况。见图三和图四。

图三 冲动级中热力过程线[1]

图四 反动级中热力过程线[1]

从图三和图四中可以非常明显的看出二者反动度上的差别，很显然，在冲动级中，1到2之间的焓降占了总焓降的大部分，充分的体现了冲动级中蒸汽主要在喷嘴中膨胀的基本事实。也可以很轻易的发现，在反动级中，喷嘴中和动叶中的焓降相等，表明了在反动级中蒸汽在喷嘴和动叶进行了程度相当的膨胀。

3 结构

3.1 叶型

由于冲动级和反动级在工作原理上的不同，必然导致了级中叶型的不同，尤其是在静叶与动叶的相似关系上，二者更是有着明显的差别。图五和图六分别是纯冲动级和反动级的静动叶栅。

图五 纯冲动级静动叶栅

图六 反动级的静动叶栅

可以从两个图的对比中明显看出，冲动级和反动级叶型上最大的差别就是动叶之间的差别，正如前文所述，这是由于工作原理的不同决定的。

显然，纯冲动级中静叶与动叶的叶型完全不相同，可以明显的观察到纯冲动级的动叶进出口面积基本相同，这是因为纯冲动级的反动度为0，蒸汽在动叶通道中不膨胀。横向对比也可以发现，纯冲动级中静叶的汽流转折角是小于动叶的，动叶被设计成这样也是因为蒸汽在动叶中不膨胀，动叶相对出口速度小于喷嘴出口速度，汽流仅需要改变方向。观察图六也可以很轻易的看出反动级中静动叶栅的特点，可以发现静叶与动叶的叶型是十分相似的，而且叶栅的转折角较小，这当然也是由工作原理决定的，蒸汽不仅在喷嘴中膨胀，还需要在动叶中得到相同程度的膨胀以实现利用反动原理使动叶旋转。从图七和图八中可以明显的看出冲动级与反动级中汽流转折角的不同。

图七 冲动级速度三角形[1]

图八 反动级速度三角形[1]

本级中所述的纯冲动级由于效率过低已经退出了历史舞台，所以如今的冲动级中是有一定的反动度的，因而动叶汽道是有一定的收缩的。[2]

3.2 转子和隔板

文献[1]以及文献[3]中都提到由于级内各特征截面压差的的不同，冲动级与反动级的转子和隔板在结构上也有着不同，冲动式转子多采用轮盘式结构，反动式转子多采用鼓状转子，冲动式的转子比反动式转子具有较好的热弹性[3]，但同时，文献[4]也提到反动式转子具有较大的弯曲刚度，因而有较高的临界转速。[4]

因为动叶前后压差较小，冲动式汽轮机设置有隔板，喷嘴装在隔板的外环上。而反动式汽轮机的动叶前后压差较大，喷嘴直接安在汽缸壁上，没有隔板。[1]

4速比与轮周效率

令,被称为速比。有些时候也运用假想速比来讨论问题。将一级中的理想滞止焓降减去下一级被利用的余速动能得到的能量称为本级理想能量,将轮周功与理想能量的比称为轮周效率，即

           (2)

显然轮周效率是受多种因素影响的，其中速比对轮周效率就有决定性影响，将对应于最高轮周效率的速比称为最佳速比,为了便于讨论，后文中所指的最佳速比实际指的都是最佳假想速比（即对应最高轮周效率的假想速比），以表示。接下来笔者运用的数据在速比以及轮周效率上对两种级分别进行讨论。

4.1 最佳速比

笔者运用matlab软件，对不同余速利用系数下的最佳速比与反动度间的关系进行了运算，并运用excel软件做出图像，见图九。

图九 反动度与最佳速比关系

从图像中可以直观的看出，图像在反动度为0.5附近处被分为两个区。并且可以明显的看出，所有的图线都是以=0.0和=1.0的图线为界的，即所有余速利用系数的图像都在二者围成的区域内变化。可以轻易的观察到，冲动级的最佳速比是小于反动级的，这就可以使得在大致相等的轮周速度下，反动级的焓降小于冲动级，也就使得反动式的级数多于冲动式。当然，多篇文献都共同提到，随着功率的提高以及弯扭叶片的应用，这种级数上的差别已经变得很小了。[2]

另外，可以观察到一个有趣的现象，图九中所有余速利用系数情况下的曲线在反动度等于0.5的地方十分接近，似乎说明着反动级在各种余速利用系数下的最佳速比都十分相近。笔者之前获得这个结果时还不是很能理解更谈不上解释，实际上，文献[4]中对此进行了阐述，即在反动式汽轮机中，速比的变化对级反动度的反响的敏感性是很小的。[4]

4.2 轮周效率

与4.1中的方法相同，笔者运用相关软件和数据对反动度和最佳轮周效率进行了相关计算，为了便于讨论，现将余速利用系数等于1.0的曲线绘制成图10。

图十轮周速率与反动度的关系

从图十中我们发现了一个十分奇怪的现象，冲动级的速率比反动级还高。经过笔者的思考，笔者认为问题可能出在一开始所使用的数据上，即这一系列初始数据。文献[1]中指出“对于冲动级一般推荐，对于反动级推荐。[1]”虽然文献[2]中明确指出适当减小可以使效率提升，但是显然初始数据并没有落在反动级推荐的范围内，所以这组数据是能使得冲动级获得较高轮周效率的，而且这是轮周效率，并未考虑所有的级内损失，不具备较大的说服力。当然，从图中也可以看出，实际上反动级和反动度为0.3处的冲动级的效率也并没有相差过多，从原始数据中得知仅相差了0.05%，这也正好印证了文献[2]的说法。

5 各项损失

级内的损失主要由喷嘴损失、动叶损失、余速损失、叶高损失（也称端部损失）、扇形损失、叶轮摩擦损失、部分进气损失、漏气损失以及湿气损失组成，前三者合称轮周损失，本节讨论冲动级和反动级中除轮周损失以外的其余损失的不同。

5.1 叶型损失

叶型损失是指平面气流绕流叶栅时产生的能量损失，其中自然包括扇形损失。文献[2]中指出，进气角，以及相对节距是影响叶型损失的主要因素。叶高损失也称端部损失。文献[1]说明“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。[1]”这种说法也和文献[2]中的表述吻合，由于冲动级的压降分布的不均匀，使边界层增厚，极大增大了叶型损失，即冲动级的叶型损失大于反动级。文献[5]中也特别强调在设计冲动式汽轮机时要提高级的反动度[5]。

5.2 叶高损失

叶高损失又称为端部损失，其主要由端部边界层产生的摩擦损失、二次流损失以及对涡损失组成，其中二次流损失占了绝大部分，也是减少汽轮机级内损失的主要研究对象。文献[2]中指出，影响端部损失的因素很多，如叶型、相对节距、安装角、进气角等。当然，最主要的因素是叶片的相对高度。由上一部分已经叙述过的原因，冲动级的端部损失中的摩擦损失是会大于反动级的。这也是冲动级叶片要采取合适的反动度的一个理由。

5.3 漏气损失

冲动级有开设平衡孔以及在动叶根部设置汽封片等措施有效减少漏气损失；与此同时，由于反动级的汽封直径较大，所以反动级的汽封并不如冲动级效果好，且反动级采用全周进汽，叶顶的漏气量较大。因此，反动级的漏气损失比冲动级的大。随着弯扭叶片的开发与应用，反动级动叶顶部的漏气损失也在减小，即反动级的漏气损失能得到很好的控制的。

5.4 其余

由于在部分进汽条件下，反动级叶顶漏气量将增大，0.5的反动度是不能实现的，所以反动级不能部分进汽，即反动级不存在部分进汽损失。

文献[1]中指出，由于反动级没有叶轮，动叶直接安装在轮毂上，所以不存在叶轮摩擦损失。[1]

6 总结

综合本文之前的全部叙述，冲动级与反动级之间的不同总结为一下几点：

1)冲动级中，蒸汽主要在喷嘴中膨胀，即级的焓降主要位于喷嘴中。反动级中，蒸汽在喷嘴和动叶中都膨胀，且整级的焓降在喷嘴和动叶中平均分配。

2)冲动级中，静叶与动叶叶型是不同的，且冲动级动叶的汽流转折角较大。反动级的静叶与动叶叶型是相同的，且汽流转折角都较小。

3)冲动级的最佳速比小于反动级，因此反动式汽轮机级数往往多于冲动式汽轮机。

4)冲动级的叶型损失大于反动级，反动级的漏气损失大于反动级。

对于对冲动式和反动式的选择的问题，在之前的总结中已经表述过，反动级的叶型损失小于冲动级，漏气损失大于冲动级。但随着机组容量的增大，叶片的高度增高，叶高损失以及漏气损失减少，并且随着弯扭叶片的广泛的应用，各项损失可以被有效的减少。因此，多篇文献都表述了同一个结论，如文献[3]中也提到，日本三菱重工分析认为机组容量大于150MW时反动式汽轮机效率高于冲动式[3]，即大容量机组采用反动式汽轮机更为有利，小容量机组采用冲动式汽轮机更好。文献[4]中指出，反动式机组在振动与强度方面优于冲动式机组。

参考文献：

[1]秦赟等.冲动式与反动式汽轮机的优劣比较[J],应用能源技术.2011,164(8):1-6.

[2]康松等.汽轮机原理[M],北京，中国电力出版社，1997.

[3]郑云之.冲动式和反动式汽轮机的比较与分析[J],上海汽轮机,1985,10:36-43.

[4]叶长春等.驱动型反动式汽轮机特性的剖析[J],动力工程，1986,04:8-13.

[5]李曦滨.提高冲动式汽轮机效率的几种设计方法[J],发电设备，2005,02:73-77.