1.汽轮机的工作原理

汽轮机从结构上来说，可以分为单级汽轮机和多级汽轮机。主轴、叶轮、喷嘴、汽缸和动叶是单级汽轮机的主要组成部分。而多级汽轮机是由按工作压力高低顺序排列的若干个级组成。总地来说，汽轮机的零件可分为转子和静子两部分。其中有两个重要零件值得一提，那就是喷嘴和汽缸。喷嘴是静叶栅构成的蒸汽通道，它的作用是将蒸汽的热能转换成机械能。汽缸是静子部分的零件，它的作用是将汽轮机中的蒸汽和大气隔开，为将蒸汽的热能转换为机械能提供封闭的空间，防止能量流失和外界干扰。

汽轮机的级是汽轮机中最基本的工作单元。它由一系列静止栅和其后紧邻的一列动叶栅所组成。从能量观点上看，它是将蒸汽的热能转变为汽轮机机械能的一个能量转换过程。

汽轮机的能量转换是在各个级中进行的，单列的喷嘴和动叶片组成一个级。汽轮机中的能量转换也就是每一个级的能量转换。单级汽轮机的容量有限，等熵焓降的有效利用率较低，不能满足部门日益增长的能量需求。因此，为了利用较多的等熵焓降，现代电站使用的都是由许多级组成的多级汽轮机。

蒸汽经过汽轮机各级时，蒸汽的热能转换成转子旋转的机械能，但在各级的能量转换中会存在一定的损失，称为级内损失，比如喷嘴损失、动叶损失、余速损失、叶高损失、扇形损失和部分进气损失等。

汽轮机是用蒸汽来做功的旋转式原动机，来自废热锅炉或其他汽源的蒸汽，经主汽阀和调节阀进入汽轮机，依次高速流过一系列环形配置的喷嘴（或静叶栅）和动叶栅而膨胀做功，将蒸汽的热能转变为推动汽轮机转子旋转的机械功，从而驱动其他机械转动。与往复式蒸汽机相比，汽轮机中的蒸汽流动是连续、高速的，单位面积中能通过的流量大，因而能发出较大的功率。大功率汽轮机可以采用较高的蒸汽压力和温度，故热效率更高。(www.daowen.com)

工业汽轮机的结构与其工作原理、工作条件、受力情况、工艺要求、材料性质等有密切的关系。通常，中、小功率的汽轮机采用单缸结构，大功率汽轮机则由高压缸、中压缸（或高中压合缸）和低压缸组成。

2.汽轮机的数学模型与控制

汽轮机的被控对象主要分为六个部分：电/液转换器、油动机、高压缸蒸汽容积、中间再热器、中压缸蒸汽容积和汽轮机转子。汽轮机控制图如图6.16所示。

图6.16 汽轮机控制图

图6.16中，μ₁为高压主汽门（高压调速汽门）开度指令，m₁为高压油动机行程，μ₂为中压主汽门（中压调速汽门）开度指令，m₂为中压油动机行程，p₁为高压缸容积蒸汽压力（调节级压力），p_RH为中间再热器出口蒸汽压力，N_H为高压缸功率，N_IL为中、低压缸功率，N_T为汽轮机功率，N为汽轮机负荷（发电机有功功率），n为汽轮机转子转速，C_H和C_B为设备常数。