汽机本体部分讲义.doc

汽机本体部分讲义
一、 汽轮机原理及其分类：
1、汽轮机作功原理：
汽轮机是一种以蒸汽为工质，利用蒸汽热能作功的旋转式原动机。蒸汽在汽轮机级内的能量转换过程，首先将蒸汽的热能在喷嘴叶栅中转换为蒸汽所具有的动能，然后再将蒸汽的动能在动叶栅中转换为轴所输出的机械功。图一是简单的单级冲动式示意图。

从上图可以看出：具有一定温度和压力的蒸汽先在固定不动的喷嘴流道中进行膨胀加速，蒸汽的压力、温度降低，速度增加。将蒸汽所携带的部分热能转变为蒸汽的动能。从喷嘴叶栅喷出的高速汽流，以一定的方向进入装在叶轮上的动叶栅，在动叶流道中，汽流改变速度的方向和大小，对动叶栅产生作用力，推动叶轮旋转作功。
上面在讲述过程中，我们提到了“级”这个名词，那么什么叫级？它就是一列喷嘴叶栅和其后相邻的一列动叶栅构成的基本作功单元。它是蒸汽进行能量转换的基本单元。我公司其它三台机组汽缸级的组成：高压缸由一个单列调节级和八个压力级组成；中压缸由十一个压力级组成；低压缸由2个12个压力级组成。
2、汽轮机的分类：
分类
类 型
简 要 说 明
按工作原理
冲动式汽轮机
由冲动级组成，蒸汽主要在喷嘴中膨胀，在动叶栅中只有少量膨胀
反动式汽轮机
由反动级组成，蒸汽在喷嘴和动叶中膨胀程度相同，由于反动级不能做成部分进汽，故调节级采用单列冲动级或复速级。
按热力特性
凝汽式汽轮机
排汽在高度真空状态下进入凝汽器凝结成水。
背压式汽轮机
排汽直接用于供热，没有凝汽器。当排汽成为其它中低压汽轮机的工作蒸汽时，称为前置式汽轮机。
调节抽汽式汽轮机
从汽轮机某级后抽出一定压力的部分蒸汽对外供热，其余排汽仍进入凝汽器。由于热用户对供热蒸汽压力有一定的要求，需要对抽汽供热压力进行自动调节，故称为调节抽汽。
抽汽背压式汽轮机
具有调节抽汽的背压式汽轮机
中间再热式汽轮机
进入汽轮机的蒸汽膨胀到某一压力后，被全部抽出送往锅炉的再热器进行再热，在返回汽轮机继续膨胀作功。
按照进汽压力参数
低压汽轮机
新蒸汽压力小于1.5MPa
中压汽轮机
新蒸汽压力为2～4MPa
高压汽轮机
新蒸汽压力为6～10MPa
超高压汽轮机
新蒸汽压力为12～14MPa
亚临界汽轮机
新蒸汽压力为16～18MPa
超临界汽轮机
新蒸汽压力为大于22.2MPa
超超临界汽轮机
新蒸汽压力为大于32MPa
3、汽轮机的标识
国产汽轮机的型号表示方法：

国产汽轮机类型的代号
代 号
类 型
代 号
类 型
N
凝汽式
CB
抽汽背压式
B
背压式
H
船用
C
一次调节抽汽式
Y
移动式
CC
两次调节抽汽式

我公司的机组型号：
N300------16.5/535/535
表示：凝汽式；亚临界；一次中间再热；主蒸汽温度535℃；再热蒸汽温度535℃；额定功率300MW。
二、汽轮机本体部分的组成：
汽轮机本体部分由两大部分组成：静止部分和转动部分。下面逐一讲述：
静止部分：
（一） 、汽缸（高压外缸图纸）
1、汽缸的作用：汽缸即汽轮机的外壳，将汽轮机的通流部分与大气隔开，以形成蒸汽热能转换为机械能的密闭腔室。
为了便于制造、安装和检修，汽缸一般沿水平中分面分为上、下两个半缸，通过水平法兰用螺栓装配紧固。
汽缸工作时受力情况复杂，除了承受缸内、外汽体的压差以及汽缸本身和装在其中的各零部件的重量等静载荷外，还要承受蒸汽流出静叶时对静止部分的反作用力，以及各种连接管道冷热状态下，对汽缸的作用力以及沿汽缸轴向、径向温度分布不均匀所引起的热应力。特别是在快速启动、停机和工况变化时，温度变化大，将在汽缸和法兰中产生很大的热应力和热变形。所以在汽缸设计时，缸壁必须具有一定的厚度，以满足强度和刚度的要求。水平法兰的厚度更大，以保证结合面的严密性。汽缸的形体设计应力求简单、均匀、对称，使其能顺畅地膨胀和收缩，以减少热应力和应力集中。随着机组容量的增大和蒸汽初参数的不断提高，若仍采用单层缸结构，则会带来下列问题：
1）、缸壁及法兰需浇铸的很厚。为保证中分面的气密性，其连接螺栓必须有很大的预紧力，故其尺寸将会很大。
2）、整个高压缸需用耐高温的贵重合金钢制造，提高了造价。
3）、由于法兰比缸壁厚得多，在机组启动，停机和变工况，温度分布不均匀将产生很大的热应力和热变形，这时设备安全和工作寿命极为不利。
基于这几点不利因素，我公司四台300MW机组以及现代高参数、大容量的机组汽缸一般采用双层缸结构，分为内、外缸。采用双层缸有以下优点：
1）、把原单层缸承受的巨大蒸汽压力分摊给内、外两缸，减少了每层缸的压差和温差，缸壁和法兰可以相应减薄。
2）、在机组启停及变工况时，其热应力也相应减少，因此有利于缩短启动时间和提高负荷的适应性。
3）、对材料的要求和数量降低，节约了设备造价。
4）、外缸的内外压差比单层缸时降低了许多，减少漏汽的可能，汽缸结合面的严密性得到保障。
2、汽缸的就位方式：
1）、猫爪支承：（画示意图）
概念：汽缸通过其水平法兰延伸的猫爪做为承力面，支承在轴承座上。
一般高、中压内、外缸采用此种就位方式。分为上猫爪支承和下猫爪支承。
（1）、下猫爪支承
特点：结构简单，安装检修方便；但是汽缸受热膨胀使猫爪因温度升高而产生膨胀，导致汽缸中分面抬高，偏离转子中心线，这样使动静部分之间的径向间隙改变。
（2）、上猫爪支承
特点：承力面和汽缸水平中分面在同一平面内。猫爪受热膨胀时，汽缸中心仍与转子中心保持一致。下缸靠水平法兰的螺栓吊在上缸上，使螺栓受力增加，使汽缸中分面在运行过程中有张口可能。安装、检修不方便，需要工作垫片和安装垫片切换。
2）、台板支承：
低压外缸由于外形尺寸较大，一般都采用下缸伸出的撑脚直接支承在基础台板上，虽然它的中分面比汽缸中分面低，但因其温度低，膨胀不明显，所以影响不大。但须注意，汽轮机在空负荷、低负荷运行时排汽温度不能过高，否则将使排汽缸过热，影响转子和汽缸的同心度或转子中心线，所以要限制排汽温度和设置排汽缸喷水装置。
（二） 、隔板、隔板套及静叶环、静叶持环
1、 隔板：
（1）、作用：用以固定汽轮机各级的静叶片和阻止级间漏气，并将汽轮机通流部分隔成若干级。
（2）、分类：以我公司其它三台机组为例可分为窄喷嘴隔板、焊接隔板、铸造隔板。
1）、窄喷嘴隔板：（图纸）
这种隔板适用于压差较大的各级，高压缸1－8压力级均采用此类隔板。隔板的板体、外缘与加强筋一体铸成，铣制的窄喷嘴由上下凸肩嵌装入外缘与板体的凹槽之中，然后焊牢，所以此隔板应属于焊接式隔板。
特点：具有型线准确、表面光滑、摩擦面小，效率高等优点。但加工费时、费料、制造成本高。
2）、焊接隔板：（图纸）
中压缸9－16压力级采用此类隔板。焊接式隔板由板体、型线静叶片、内外围带及外缘等部分焊接而成。在隔板外缘的悬臂部分镶装两道叶顶汽封。
特点：制造成本低，但由于在板体与外缘之间无加强筋，蒸汽作用在隔板上的弯曲应力全部由静叶片承受，因此隔板前后的压差不能超过静叶片的强度和刚度允许范围。
3）、铸造隔板（图纸）
铸造隔板是把一定型线的静叶片直接铸入隔板外缘和隔板体上，从17级压力级起都采用铸造隔板。在铸造隔板的进汽侧的外缘均装有轴向销钉，以防止铸铁在允许的工作温度下长期使用产生蠕变而使隔板与汽缸（或隔板套）咬死，便于隔板的拆装。
特点：制造成本低，通常用于温度和压差较低的场合。
2、 隔板套：
作用：将几级隔板组装在一起，然后在装在汽缸上，以便形成抽汽室，减少汽缸大件的加工量。
3、 静叶环和静叶持环：
反动式汽轮机没有叶轮和隔板，动叶片直接嵌装在转子的外缘上，静叶环装在汽缸内壁或静叶持环上。其功能类似与隔板。
（三）、滑销系统：
汽轮机在启停和运行时，汽缸的温度变化较大，将沿长、宽、高几个方向膨胀或收缩。由于基础台板的温度升高低于汽缸，如果汽缸和基础台板为固定连接，则汽缸将不能自由膨胀，所以汽缸的自由膨胀问题成了汽轮机的制造、安装、检修和运行中一个重要的问题。为了保证汽缸定向自由膨胀，并能保持汽缸与转子中心一致，避免因膨胀不均匀造成不应有的应力及伴同而生的振动，所以必须设置一套滑销系统。
作用：在汽缸与基础台板间和汽缸与轴承座之间应装上各种滑销，并使固定汽缸的螺栓留出适当的间隙（膨胀间隙），以保证汽缸自由膨胀，又能保持机组中心不变。
根据滑销的构造形式、安装位置和不同的作用，滑销系统通常由横销、纵销、立销、猫爪横销、斜销、角销等组成。
（四）、汽封：
1、概念：汽轮机运转时，转子高速旋转，汽缸、隔板（或静叶环）等静体固定不动，因此转子和静体之间需留有适当的间隙，从而不相互碰磨。然而间隙的存在就要导致漏气（漏汽），这样不仅会降低机组效率，还会影响机组安全运行。为了减少蒸汽泄漏和防止空气漏入，需要有密封装置，通常称为汽封。
2、分类：
按照安装位置的不同分为：通流部分汽封（隔板（或静叶环）汽封、叶根汽封、叶顶汽封）、轴端汽封；反动式还装有高、中平衡活塞汽封和低压平衡活塞汽封。
汽封的结构形式有：高低齿梳齿结构；平齿梳齿结构、蜂窝式汽封。
高低齿汽封与轴上车出的汽封槽相配，使漏汽通过齿顶间隙曲折流动，阻汽效果较好，每隔汽封体沿圆周方向分成六个弧段，由水平中分面处装入内孔的T形槽中，并用弹簧片将汽封体压向中心。一般高、中压缸采用（温差、压差较大）。
特点：当汽封体上的梳齿万一与转轴发生摩擦时，汽封体可径向退让，从而减轻对设备的摩擦程度，当汽封间隙被磨大时，修复也较方便。
汽封所处温差、压差较低，因此采用平齿梳齿结构。
特点：结构简单、制造也方便。
蜂窝式汽封整个密封圆弧做成形状象蜂窝一样。一般用于低压缸末级叶片
特点：能将湿蒸汽中的大水滴击碎成小水滴，同时蜂窝吸水性能特别好，这样有利于减少末级叶片水蚀程度
（五）、轴承座、轴承：
1、 轴承座：
功能：轴承座内安置轴承，并有进出油管、顶轴油管、各测量仪表接孔；一般在前轴承座内还装有调速系统的部件及主油泵壳体或基座、测量轴瓦温度的接点、转速表、大轴弯曲指示器和相对位移指示器等。在轴承座的两侧装有猫爪支座和横销，前汽缸的猫爪便支持在它上面。
2、 轴承：
轴承分为径向支持轴承和推力轴承两种
（1）、径向支持轴承：
1）、功能：用来承担转子的重量和旋转的不平衡力，并确定转子的径向位置，以保证转子旋转中心和汽缸中心一致从而保证转子与汽缸、汽封、隔板等静止部分的径向间隙正确。
2）、分类：按照轴瓦的结构形式分为：圆筒形轴承、椭圆形轴承、多油楔轴承和可倾瓦轴承等。
根据许多试验资料表明：圆筒形轴承主要适用于低速重载转子；三油楔支持轴承、椭圆轴承分别适用于较高转速的轻、中和中、重载转子；可倾瓦轴承则适用于高转速轻载和重载转子。
（2）推力轴承：
功能：承受蒸汽作用在转子上的轴向推力，并确定转子的轴向位置，以保证通流部分动静间正确的轴向间隙。所以推力轴承被看成转子的定位点，或称汽轮机转子对静子的相对死点。
转动部分：
汽轮机转动部分包括：转子、叶片、联轴器
（一）、转子：
汽轮机的转动部分总称转子，它是汽轮机最重要的部件之一，担负着工质能量转换及扭矩传递的重任。
转子的工作条件相当复杂，它处在高温工质中，并以高速旋转，因此它承受着叶片、叶轮、主轴本身质量离心力所引起的巨大应力，以及由于温度分布不均匀引起的热应力（不平衡质量的离心力还将引起转子振动）。另一方面，蒸汽作用在动叶栅上的力矩，通过转子的叶轮、主轴、联轴器传递给发电机或其它工作机。所以转子要具有很高的强度和均匀的质量，以保证它安全工作。
转子的分类：
按照主轴与其它部件间的组合方式，转子可分为套装转子、整锻转子、焊接转子和组合转子。
1、 套装转子：
套装转子的叶轮、轴封套、联轴器等部件是分别加工后红套在阶梯形主轴上的。各部件与主轴之间采用过盈配合，以防止叶轮等部件因离心力及温差作用引起松动，并用键传递力矩。
特点：加工方便，生产周期短；可以合理利用材料，不同部件采用不同的材料；叶轮、主轴等锻件尺寸小，易于保证质量，且供应方便。但在高温条件，叶轮内孔直径将因材料的蠕变而逐渐增大，最后导致装配过盈消失，使叶轮与主轴之间产生松动，从而使叶轮中心偏离轴的中心，造成转子质量不平衡，产生剧烈振动，且快速启动适应性差。因此，套装转子不宜作为高温高压汽轮机的高压转子。
一般中、低压汽轮机的转子和高压汽轮机的低压转子采用
2、 整锻转子：
整锻转子的叶轮、轴封套和联轴器等部件与主轴是由一整锻件车削而成，无热套部件。
特点：结构紧凑，装配零件少，可缩短汽轮机轴向尺寸；没有红套的零件，对启动和变工况的适应性强，适于在高温条件下运行；转子刚性较好。锻件大，工艺要求高，加工周期长，大锻件质量难以保证，且检验较复杂，又不利于材料的合理使用。
由于整锻转子解决了高温下叶轮与主轴连接可能松动的问题，因此它常用于大型汽轮机的高、中压转子。现代大型汽轮机，由于末级叶片长度的增加，套装叶轮的强度已不能满足要求，所以某些机组的低压转子也开始采用整锻转子。
我公司＃1、＃3、＃4机高、中压转子，以及＃2机高、中、低压转子均采用此类转子。
3、 焊接转子：
汽轮机的低压转子直径大，特别是大功率汽轮机的低压转子质量大，叶轮承受很大的离心力。当采用套装转子时，叶轮内孔在运行时将发生较大的弹性变形，因而需要设计较大的装配过盈量，但这样引起很大的装配应力。为此采用分段锻造，焊接组合的焊接转子。它主要由若干个叶轮与端轴拼合焊接而成。
特点：焊接转子重量轻，锻件小，结构紧凑，承载能力高。但是焊接转子工作可靠性取决于焊接质量，故要求焊接工艺高，材料焊接性能好，否则难以保证。所以这种转子的应用受到焊接工艺及检验方法和材料种类的限制，随着焊接技术的不断发展，他的应用将日益广泛。
我公司＃1、＃3、＃4低压转子采用此类转子
4、 组合转子：
因转子各段所处的工作条件不同，故可在高温段采用整锻结构，而在中、低温段采用套装结构，形成组合转子。
（二）、叶片
叶片是汽轮机中数量和种类最多的关键零件，其结构型线、工作状态将直接影响能量转换效率，因此其加工精度要求高，它所占的加工量约为整个汽轮机加工量的30％，可批量生产。
叶片的工作条件很复杂，除因高速旋转和汽流作用而承受较高的静应力和动应力外，还因其分别处在过热蒸汽区、两相过渡区（指从过热蒸汽区过渡到湿蒸汽区）和湿蒸汽区段内工作而承受高温、高压、腐蚀和冲蚀作用，因此它的结构、材料和加工、装配质量对汽轮机的安全经济运行有极大的影响。所以在设计、制造叶片时，要考虑到叶片既有足够的强度，又有良好的型线，以便提高汽轮机的效率。
对于在高温区工作的叶片，应考虑材料的蠕变问题，对于在湿蒸汽区工作的叶片，应考虑材料受湿蒸汽冲蚀的问题。任何一片叶片的断裂都有可能造成严重事故。我公司＃3机大修时，低压II缸解体后发现第42级一片叶片断裂长约200mm，对低压I\II转子叶片进行超声波探伤发现总计约20多片叶片有裂纹。
叶片一般由叶根、工作部分（或称叶身、叶型部分）、叶顶连接件（围带或拉金）组成。
1、 叶根
叶片通过叶根安装在叶轮或转鼓上。叶根的作用是紧固动叶，使其在经受汽流的推力和旋转离心力作用下，不致于从轮缘沟槽中拔出来。因此要求它与轮缘配合部分要有足够的强度且应力集中要小。其次要求它尺寸紧凑、便于加工、装配。它的结构形式取决于转子的结构形式、叶片的强度、制造和安装工艺要求和传统等。常用有以下几种形式的叶根：T型、菌型、叉型和枞树型等

1）、T型叶根：此种叶根结构简单，加工装配方便，工作可靠。但由于叶根承载面积小，叶轮轮缘弯曲应力较大，使轮缘有张开的趋势，故常用于受力不大的短叶片，如调节级和高压级叶片。
2）、带凸肩的单T型叶根，其凸肩能阻止轮缘张开，减少轮缘两侧截面上的应力。叶轮间距小的整锻转子常采用此种叶根。
3）、菌型叶根，这种叶根和轮缘的载荷分布比T型合理，因而其强度较高，但加工复杂，故不如T型叶根应用广泛。
4）、带凸肩的双T型叶根，由于增大了叶根的承力面，故它可用于叶片较长，离心力加大的情况。一般高度为100～400mm左右的中等长度叶片采用此种形式。这种叶根的加工精度要求较高，特别是两层承力面之间的尺寸误差大时受力不均，叶根强度大幅度下降。
上述几种叶根属于周向装配式，这类叶根的装配轮缘槽上开有一个或两个缺口，其长度比叶片节距稍大，宽度比叶根宽0.02~0.05mm，以便将叶片从该缺口依次装入轮缘槽中。装在缺口处的叶片称作封口叶片（又称末叶片），用两根销钉将其固定在轮缘上。有些制造厂家再用叶根底部的矩形状隙片或半圆形塞片固定。周向装配缺点：叶片拆换必须通过缺口进行，当个别叶片损坏时，不能单独拆换，要将部分或全部叶片拆下重装，增加了拆装的工作量。
5）、叉形叶根结构，这种叶根的叉尾直接插入轮缘槽内，并用两排铆钉固定。叉尾数可根据叶片离心力大小选择。
特点：叉形叶根强度高、适应性好。加工方便、便于拆装，但装配时比较费工，且轮缘较厚，钻铆钉孔不便。所以正锻转子、焊接转子不宜采用
6）、枞树性叶根，这种叶根和轮缘的轴向断口设计成尖劈型，以适应根部的载荷分布，使叶根和对应的轮缘承载面都接近于等强度，因此在同样的尺寸下，枞树型叶根承载能力最高。叶根两侧齿数可根据叶片离心力的大小选择。
叶根沿轴向装入轮缘相应的枞树槽内，底部打入楔形垫片将叶片向外涨紧在轮缘上，同时，相邻叶根的接缝处有一圆槽，用两根斜劈的半圆销对插入圆槽内将整圈叶根周向涨紧。
特点：拆装方便；此类叶根外形复杂，装配面多，要求有很多的加工精度和良好的材料性能，而且齿端易出现较大的应力集中。
一般用于调节级和末级叶片。
2、 工作部分：
叶型部分是叶片的基本部分，它构成汽流通道。
由于工作原理的差别分为：冲动式叶片和反动式叶片

3、 叶顶连接（围带、拉金）
汽轮机同一级中，用围带、拉金连在一起的数个叶片称之为成组叶片（叶片组）；用围带、拉金将全部叶片连接在一起的，则称之为整圈连接叶片；不用围带、拉金连接的叶片叫做单个叶片或自由叶片（一般用于末几级叶片）。
采用围带或拉金可增加叶片的刚性，降低叶片蒸汽力引起的弯应力，调整叶片频率。围带还构成封闭的汽流通道，防止蒸汽从叶顶逸出。
（三）、联轴器
联轴器俗称靠背轮或对轮，是连接多缸汽轮机转子或汽轮机转子和发电机转子的重要部件，借以传递扭矩。
一般分为：刚性、挠性、半挠性联轴器。
若两半联轴器直接刚性相连，称为刚性联轴器。
特点：结构简单、连接刚性强、轴向尺寸短、工作可靠、除可传递较大的扭矩外，又可传递轴向力和径向力。
若中间通过波形筒来连接，称为半挠性联轴器。
特点：波形筒采用弹性较好的材料制成，因此可略微补偿两转子不同心的影响，还能在一定程度上吸收振动，且能传递较大扭矩。
若通过啮合件（如齿轮）或蛇形弹簧等来连接，称为挠性联轴器
特点：允许两转子有相对的轴向位移和较大的偏心，对振动传递也不敏感，但传递功率小，并且结构较为复杂。