第二章汽輪機結構及零件強度,汽輪機的構成,1.靜止部分汽缸、噴嘴室、隔板、隔板套、靜葉柵、汽封、軸承、軸承座、滑銷系統等2.轉子部分主軸、葉輪（或轉鼓）、動葉柵、聯軸器等,汽輪機的構成,第一節葉片,一、葉片的分類和結構,葉片按用途可分為動葉片（又稱工作葉片，簡稱葉片）和靜葉片（又稱導葉葉片）兩種。動葉片安裝在轉子葉輪（沖動式汽輪機）或轉鼓（反動式汽輪機）上，接受導葉葉柵射出的高速汽流，把蒸汽的動能轉換成機械能，使轉子旋轉。靜葉片安裝在隔板或持環套上。在靜葉柵中，蒸汽的壓力和溫度降低，流速增加，將熱力勢能轉換為動能。,葉片的工作條件復雜工作中除受到靜應力和動應力外，工作區域可能：高溫過熱區，兩相過渡區，濕蒸汽區高溫、高壓、腐蝕和沖蝕.因此葉片的結構，材料，加工和裝配質量對機組的安全運行意義重大,設計制造葉片的原則：1葉片要有足夠的強度2良好的型線，以提高汽輪機的效率,第一節葉片,葉片一般由葉根、工作部分（或稱葉身、葉型部分）、葉頂連接件（圍帶）或拉筋組成。,葉片結構,一、葉片的分類和結構,葉片的組成,葉根、葉型部分葉頂連接件（主要是圍帶或拉筋）,(一)葉根,葉根是將葉片固定在葉輪或輪轂上的連接部分,葉根和輪緣的固定要求：牢靠，任何運行工況不松動；結構簡單，加工安裝方便，并使輪緣的軸向尺寸盡可能縮短,T型葉根2菌型葉根3叉型葉根4樅樹型葉根,葉根常用的結構型式,1T型葉根,T型葉根的特點結構簡單，加工裝配方便，工作可靠承受相對較小的離心力，適合于受力不大的短葉片外包單T型葉根和外包雙T型葉根特點：加大了葉根的受力面積，適合中等長度葉片國產20萬機組高中壓各級采用此型式（調節級除外）,2菌形葉根,葉根和輪緣的載荷分配比T型葉根合理,強度提高，但加工復雜，應用不如T型葉根廣泛。東方汽輪機廠600MW高中壓葉片采用菌形葉根。,T型葉根和菌形葉根的裝配方式,2叉型葉根,叉型葉根的特點輪緣兩側部首偏心彎矩，避免T型葉根在輪緣兩側的彎應力，隨葉片離心力增大，叉數可以增多，加工簡單，拆裝方便，但裝配費時。國外850mm的叉型葉根有7個叉，另外國外大功率汽輪機末級采用叉型葉根或樅樹型葉根叉型葉根的安裝,3樅樹型葉根,軸向裝入單獨的葉根槽內，裝拆方便葉根采用尖劈形，葉根輪緣承載面接近于等強度，因此，在同樣尺寸條件下，樅樹型葉根承載力最高。外形復雜，裝配面多，為保證各對齒接觸良好，加工精度及材料要求極高，工藝復雜。齒端易引起較大的應力集中適用場合：承載較高的調節級和汽輪機的末級。,樅樹型葉根的特點,樅樹型葉根的裝配,葉片沿軸向裝入輪緣相應的樅樹槽內底部打入相應的楔形墊鐵，使葉片向外脹緊在輪緣上相鄰兩葉片有半圓槽，再用斜劈的半圓銷子對插入圓槽內，使葉片沿周向脹緊。,(二)葉型,葉片的橫截面形狀稱為葉型，工作部分必須：滿足氣動特性要求強度和加工工藝要求減少損失，提高效率,幾點說明1沖動式和反動式葉片葉型不同2等截面葉片變截面葉片（扭葉片）3濕蒸汽區工作的葉片，為提高抵抗水滴沖蝕的能力，葉片上部進汽邊強化處理方法有：鍍鉻烙，焊硬質合金變截面扭葉片,(三)葉頂連接部分（圍帶和拉筋）,圍帶的作用減少漏汽增加葉片的抗彎剛度整體圍帶多用于短葉片鉚接圍帶3-5mm厚的扁平鋼帶鉚接或鉚接加焊在葉片頂部考慮到熱膨脹，各成組葉片圍帶間留有1mm間隙拉筋的作用調整葉片的自振頻率增加葉片振動系統的阻尼5-12mm金屬絲或金屬管但拉筋存在一定影響，流動效率和降低葉片的剛度末級可選自由葉片，但葉頂削薄，減輕葉片質量，改善葉片自振頻率,葉片的受力分析：分為兩種，葉片本身和與其連接的圍帶、拉筋所產生的離心力；汽流的作用力。,二、葉片的強度,葉片的拉應力：葉型部分離心力引起的拉應力和圍帶、拉筋離心力引起的拉應力。,葉片的彎應力汽流作用引起的彎應力和離心力產生的彎應力,葉片的自振頻率,三、葉片的振動,引起葉片振動的激振力：高頻激振力和低頻激振力,影響葉片自振頻率的因素：葉片的抗彎剛度，葉片的高度，葉片的質量，葉片的頻率方程，葉片的連接剛度，工作溫度，離心力，葉片成組。,葉片陣型：A型振動和B型振動,改變葉片自振頻率常用的調頻方法。,第二節轉子,轉子是汽輪機轉動部分的總稱，它擔負著把噴嘴葉柵出來的蒸汽的動能轉變為推動軸旋轉的機械功及傳遞功率的重任，是汽輪機最重要的部件。汽輪機轉子的結構可分為轉輪式和轉鼓式兩種基本類型：轉輪式轉子具有安裝動葉片的葉輪，一般由主軸、葉輪、動葉片和聯軸器構成；而轉鼓式轉子則沒有葉輪，動葉片直接裝在轉鼓上。通常沖動式汽輪機的轉子采用轉輪式轉子；反動式汽輪機的轉子為避免軸向推力過大而采用轉鼓式轉子。,汽輪機轉子可分為套裝轉子、整鍛轉子、焊接轉子和組合轉子四大類。,套裝轉子,整鍛轉子,整鍛轉子的主要優點是：（1）結構緊湊，裝配零件少，可縮短汽輪機軸向尺寸。（2）沒有紅套的零件，對啟動和變工況的適應性較強，適于在高溫條件下運行。（3）轉子剛性比較好。整鍛轉子缺點是鍛件大，工藝要求高，加工周期長，大鍛件質量難以保證，且檢驗比較復雜，不利于材料的合理使用。,現在的大型汽輪機轉子普遍采用的是整鍛式無中心孔轉子。,無中心孔轉子的優點：（1）工作應力低；（2）安全性能好；（3）有利于使用更長的葉片；（4）可以延長機組的使用壽命；（5）有利于改善機組的啟動性能，縮短啟動時間；（6）造價便宜。,組合轉子,焊接轉子,焊接轉子的優點：（1）焊接式轉鼓型轉子為中空腔室結構，其熱應力和離心應力較低，啟動靈活并能適應負荷的快速變化，使用壽命長。（2）每個轉子是用多塊小鍛件組合焊接的，各段的質量可以得到保證，探傷比較徹底，即使個別段發生質量問題，處理也比較方便。（3）小塊鍛件，熱處理淬透性好，殘余應力低，材質均勻。（4）材料可按需要靈活選用。,鼓式轉子,鼓式轉子冷卻,轉子上的主要零部件,1、葉輪2、聯軸器：剛性聯軸器與半撓性聯軸器,轉子的臨界轉速,在汽輪發電機組啟動和停機過程中，當轉速升高到某一數值時，機組將發生強烈振動，而越過這一轉速后，振動便迅速減弱；當轉速下降到這一轉速時，轉子又強烈振動，再繼續降低轉速，振動又迅速減弱。當轉速達到另一更高值時，又可能出現同樣現象。這些機組發生強烈振動時轉速稱為轉子的臨界轉速。剛性轉子與撓性轉子,汽缸是汽輪機的外殼，是汽輪機最重要的部件之一。也是汽輪機中重量大，形狀和受力狀態復雜的一個部件。,汽缸的作用是將汽輪機的通流部分與大氣隔開，以形成蒸汽熱能轉換為機械能的封閉汽室。并在其內部支承固定噴嘴組、隔板套（靜葉持環）、隔板（靜葉環）、汽封等靜止部件。汽缸外部還連接有進汽、排汽、回熱抽汽及疏水等管道，以及與低壓缸相連的支承座架等。,第三節汽缸,不同機組的汽缸有不同的結構特點，它受機組容量、新汽參數、排汽參數、是否采用中間再熱以及制造廠家的制造方法、工藝水平等各方面的影響。例如，根據進汽參數的不同，可分為高壓缸、中壓缸和低壓缸；按每個汽缸的內部層次可分為單層缸、雙層缸和三層缸；按通流部分在汽缸內的布置方式可分為順向布置、反向布置和對稱分流布置；按汽缸形狀可分為有水平接合面的或無水平接合面的，圓筒形、圓錐形、階梯圓筒形或球形等等。,汽缸的結構,（一）高、中壓缸,（1）由于汽缸內的蒸汽壓力、溫度都很高，致使汽缸內、外壓差和溫差很大，則缸壁和法蘭需做得較厚。為保證中分面的汽密性，連接螺栓必須有很大預緊力，故其尺寸很大，因此需要設置加熱（或冷卻）裝置。,A.單層缸結構的問題：,（3）由于法蘭比汽缸壁厚得多，在汽輪機啟、停和變工況運行時，會因溫度分布不均勻而產生很大的熱應力和熱變形，這對設備安全和工作壽命極為不利。,（2）整個高壓缸需用耐高溫的貴重合金鋼制造，提高了造價。,雙層缸結構的優點：（1）把汽缸所受的蒸汽總壓力分攤給了內、外兩層汽缸，減少了每層缸的壓差和溫差，缸壁和法蘭可以相應減薄。在機組啟停和變工況時，其熱應力也相應減小，有利于縮短啟動時間和提高汽輪機對負荷的適應性，具有較強的調峰能力。（2）內缸主要承受高溫及部分蒸汽壓力作用，且其尺寸較小，故可以做得較薄，耗用的貴重耐熱金屬材料相對減少。而且在內缸和外缸之間有蒸汽流動，因此在正常運行時外缸得到冷卻，使外汽缸溫度降低，故可采用較便宜的合金鋼制造。,（3）外缸的內外壓差比采用單層汽缸時降低了許多，因此減少了漏汽的可能性，能更好地保證汽缸接合面的嚴密性。,雙層缸結構的缺點是結構比單層缸復雜，零部件增多，故加工工時、安裝和檢修等方面的工作量都有所增加。,B.汽輪機高中壓缸的布置有兩種方式：（1）高中壓合缸（2）高中壓分缸,哈汽600MW超臨界機組高中壓缸,高中壓合缸反向布置的優點是：新蒸汽及再熱蒸汽的進汽部分均集中在高、中壓汽缸的中部，可減少汽輪機轉子和汽缸的軸向溫差及熱應力；高、中壓汽缸中溫度最高的部分布置在遠離汽輪機軸承的地方，使軸承受汽封溫度的影響較小，軸承的工作溫度較低，改善了軸承的工作條件，還可平衡一部分高、中壓汽缸內的軸向推力。同時因為前后軸端汽封均處于高中壓缸排汽部位，使軸封長度顯著減少。此外，高、中壓合缸型式還減少了一至二個徑向支持軸承，縮短了高、中壓轉子的長度。,其缺點是：（1）推力軸承常位于前軸承箱中，使機組的脹差不易控制；（2）合缸后汽缸形狀復雜，孔口太多；（3）汽缸、轉子的幾何尺寸較大，重量太重；（4）管道布置較擁擠；（5）機組相對膨脹較復雜，使機組對負荷變化的適應性較差；（6）安裝、檢修復雜。,高壓缸剖面圖,中壓缸剖面圖,單流圓筒型高壓缸,高壓內缸,上汽超超臨界機組中壓缸,中壓缸外型結構,中壓缸剖面圖,低壓缸包括低壓通流部分和排汽室。低壓缸一般采用分流式布置。每個低壓缸正、反向各有5-7個沖動式壓力級，對稱布置。,為了減少溫度梯度，低壓汽缸設計成兩層、三層缸結構。,每個低壓缸兩端的汽缸蓋上裝有兩個大氣閥，其用途是當低壓缸的內壓超過其最大設計安全壓力時，自動進行危急排汽。,（二）低壓缸,在汽輪機啟動、空負荷及低負荷運行時，蒸汽流量小，不足以帶走鼓風摩擦產生的熱量，為防止排汽溫度過高，裝有噴水減溫裝置。,低壓缸剖面圖,排大氣安全閥,排大氣安全閥1-承壓板；2-壓環；3-螺釘；4-螺釘；5-薄膜環；6-環形墊片；7-閥蓋,高壓缸的前端及從調節閥到調節級噴管這段區域是汽輪機的進汽部分。,（三）進汽部分,它包括蒸汽室、噴管室。是汽輪機中承受壓力和溫度最高的部分。,由于受強度的限制，要采用噴嘴調節，則必須采用分流式調節級,高壓缸全周進汽剖面圖,高壓外缸進汽部分,高壓外缸排汽部分,高壓進、排汽示意圖1-轉子；2-高壓內缸進口段；3-高壓缸排汽部分；4-高壓內缸,（四）汽缸法蘭、螺栓加熱裝置,為了減小汽缸、法蘭及連接螺栓間的溫差，縮短機組啟、停時間，國產大功率汽輪機的高、中壓缸一般設有法蘭螺栓加熱裝置，在機組啟停過程中對法蘭和螺栓進行補充加熱或冷卻,1.貓爪支承,（1）下缸貓爪支承,1）非中分面貓爪支承,承力面與汽缸水平中分面不在一個平面內。,汽缸的支撐,2）中分面貓爪支承,汽缸法蘭中分面（中心線）與支承面一致。,（2）上缸貓爪支承,中分面支承方式,內缸在外缸上的支承,2.臺板支承,低壓外缸外形尺寸較大，一般都采用下缸伸出的搭腳直接支承在基礎臺板上。,A.汽缸膨脹,滑銷系統一般由立銷、縱銷、橫銷、角銷以及貓爪（橫銷的一種）和聯系螺栓等部件組成，通過安裝在不同部位，來控制汽輪機的膨脹方向。,B.轉子膨脹,在機組冷態啟動時，轉子加熱快，膨脹大于汽缸，產生的膨脹差值稱脹差，轉子膨脹值大于汽缸的，為正脹差。反之，開機參數選擇不當（過低）及滑參數停機時，轉子冷卻較快，它收縮的比汽缸快，于是出現負脹差。,推力軸承工作面就是轉子和汽缸的相對死點。,滑銷系統,C.滑銷的種類,（1）橫銷。,橫銷的作用是保證汽缸在允許間隙的范圍內可以沿橫向自由膨脹，并限制汽缸沿軸向的移動。,（2）貓爪。,貓爪一般有上貓爪支撐和下貓爪支撐兩種形式。它既起著橫銷推力鍵的作用，又對汽缸有支承作用。,它的作用是：保證汽缸在橫向的定向自由膨脹，同時隨著汽缸在軸向的膨脹和收縮，推動軸承座向前或向后移動，以保持轉子與汽缸的軸向相對位置不變。,（3）縱銷。,所有縱銷均位于汽輪機的縱向中心線上，一般縱銷安裝在低壓缸的兩端支撐面（軸承底部）或前、中軸承座的底部等和基礎臺板的結合面間。,縱銷可以保證汽缸沿軸向的自由膨脹，并限制汽缸橫向膨脹，確保汽缸中心線不作橫向移動。,縱銷中心線和橫銷中心線的交叉點就形成了整個汽缸的絕對膨脹死點。,不同制造廠生產的汽輪機，其絕對死點的設置不同，有單死點、雙死點，甚至三個死點。,（4）立銷。,作用是保證汽缸在垂直方向上的定向自由膨脹，限制汽缸的縱向和橫向移動。,（5）角銷。,作用是保證軸承座與基礎臺板的緊密接觸，防止產生間隙和軸承座的翹頭現象。,（6）聯系螺栓。,聯系螺栓的作用是保證汽缸與基礎臺板之間緊密結合，防止下缸在運行中由于熱變形而被頂起。另外，聯系螺栓的螺栓與螺栓孔之間留有充分的膨脹間隙，保證汽缸能自由膨脹。,大型汽輪機高壓缸的進汽端一般設立單獨的噴嘴汽室，因而第一級噴嘴就不像其他壓力級那樣裝在隔板或靜葉環上，而是直接固定在噴嘴室上。,沖動式汽輪機采用隔板和葉輪結構，各級噴嘴葉柵則固定在隔板上。反動式汽輪機是將噴嘴葉柵直接固定在持環套或汽缸內壁的環形槽道中。為了區別，通常將反動級的噴嘴葉柵和其內外環稱為靜葉環，或導葉環，而固定靜葉環的部套稱為靜葉持環套。,第四節噴嘴組及隔板,一、噴嘴室,采用噴嘴室結構可以將汽缸與最高參數的蒸汽相接觸的部分限制在最小的范圍內，可以使汽輪機轉子以及除進汽室第一級噴嘴組以外的缸體等靜止部件僅與降壓后的蒸汽相接觸，降低汽缸的整體機械應力，有利于汽輪機的安全，并使得汽缸的結構簡單，缸體較薄，提高了機組對工況的適應性。另外，由于整體噴嘴汽室的結構降低了軸端漏汽，可以簡化軸端汽封的結構，提高了機組的整體效率。,噴嘴室,噴嘴組,噴嘴剖面圖（600MW汽輪機）,二、隔板和隔板套,隔板的作用是把汽缸的內部空間分成若干個蒸汽參數不同的腔室，汽輪機從第二級以后的各級噴嘴葉柵都安裝在隔板上。蒸汽通過噴嘴葉柵，其壓力、溫度逐級下降，將蒸汽的熱能轉變成動能以很高的速度進入動葉片。,隔板由隔板體、噴嘴葉柵和隔板外緣組成。持環由外環、靜葉柵和內環組成。由于安裝和拆卸的需要，隔板和持環從水平中分面分為上下兩半，分別稱為上隔板和下隔板。為了使上下隔板對準，并防止漏汽，在水平中分面上加裝有密封鍵和定位銷。,隔板結構示意圖,隔板通常有焊接隔板和鑄造隔板兩大類。,焊接式隔板（a）普通焊接隔板（b）帶加強筋的焊接隔板1-隔板外環；2-外圍帶；3-靜葉片；4-內圍帶；5-隔板體；6-徑向汽封；7-汽封槽；8-加強筋,1-外緣；2-靜葉片；3-隔板體,三、隔板和隔板套支撐和定位,隔板及隔板套的支撐方式有中分面支撐和非中分面支撐。,一、汽封的作用和工作原理,為減少汽輪機內動、靜間隙蒸汽泄漏和防止空氣漏入，汽輪機各間隙部位需加裝密封裝置，通稱為汽封；汽封只能減少漏汽量，而在軸端動、靜間隙處，除加裝汽封（稱軸封）外，還要設置軸封系統，以阻止蒸汽漏出汽缸和空氣漏入汽缸。,常見的迷宮式汽封結構,第五節汽封及軸封系統,1-汽封套；2-軸,蒸汽在迷宮式汽封中的膨脹過程,樅樹型汽封,J型汽封,二、通流部分汽封,靜葉汽封和通流汽封示意圖,2葉根汽封,葉根汽封設置在動葉柵進口側葉片根部附近，其作用是減小漏入或漏出動葉流道的蒸汽量。一般僅高壓沖動級采用葉根汽封。,1圍帶汽封,圍帶汽封設置在動葉片圍帶和靜止部件的徑向間隙處，其作用是阻止蒸汽從動葉柵的圍帶頂部間隙泄漏到級后。,600MW高壓級圍帶汽封,600MW中壓級圍帶汽封,3隔板（靜葉環）汽封,高壓級和中壓級采用高低齒汽封環，分別沿圓周分為12段和4段，通過T形外環嵌裝在靜葉環內孔T形槽道內，汽封環外壁面的彈簧片，一端用螺釘與汽封環聯結，一端由定位銷卡住，形成彈性支撐。,600MW高壓隔板汽封,600MW中壓隔板汽封,一、盤車裝置的作用,在汽輪機啟動、沖轉以前或停機以后，轉子需要以一定的速度轉動一段時間。使轉子轉動的裝置，稱為盤車裝置。,其作用是在汽輪機沖轉前或停機后使轉子轉動，保證轉子均勻受熱或冷卻，從而避免轉子產生熱彎曲。啟動前盤動轉子，可以檢查動靜部件件是否有摩擦，潤滑油系統是否正常及主軸彎曲是否過大等。,汽輪機的盤車裝置，可以分為低速盤車（210r/min）裝置和高速盤車（4070r/min）裝置兩種。,第六節盤車裝置,盤車結構圖,二、盤車裝置種類,可分為具有螺旋軸的電動盤車和具有鏈輪渦輪蝸桿的電動盤車。,一、軸承的工作原理,支持軸承用來承受轉子的重量、蒸汽不平衡的周向作用力和轉子不平衡質量的離心力，并確定轉子的徑向位置，以保證轉子的旋轉中心和汽缸中心線保持一致。推力軸承用來承受汽輪機運行時蒸汽作用在轉子上的軸向力和發電機傳來的軸向力，并確定轉子在汽缸中的軸向位置，以保證汽輪機的通流部分軸向動、靜間隙在允許范圍以內。,第七節軸承,1.滑動軸承,滑動軸承工作原理（a）軸心運動軌跡及油楔中的壓力分布（周向）；（b）油楔中的壓力分布（軸向）；（c）（d）不同轉速下軸頸與軸瓦相對位置l軸承的長度；d軸頸的直徑,油膜自激震蕩圖,軸承油膜振蕩引起的轉子振動有以下三個特點：（1）若軸承失穩，發生油膜振蕩前，轉子振動中含有頻率約等于轉速一半的諧波；在發生油膜振蕩后，其主振頻率等于轉子的自振頻率，而與轉速無關；（2）油膜振蕩具有突發性，當轉子轉速接近其臨界轉速的兩倍時，突然出現強烈共振；（3）一旦出現油膜振蕩，在較寬的轉速范圍內，振幅維持不變，即油膜振蕩不消失，在一定的范圍內提高或降低轉速，振幅不降低，只有轉速下降較多時，振幅才突然降至正常值，這是與不平衡離心力引起的共振明顯不同之點。,防止和消除油膜振蕩的發生，主要從改進機組結構入手，防止軸承失穩。其具體方法包括：改進轉子的設計，盡量提高轉子的一階臨界轉速；改進軸承的型式，軸瓦和軸頸配合的徑向間隙、比壓（軸承載荷/軸承長度軸頸直徑）、長徑比（軸承的長度/軸承內徑）和潤滑油粘度等因素，使失穩轉速盡量提高。目前，防止油膜振蕩的最佳途徑是采用多油楔可傾瓦軸承和橢圓軸承。,2.推力軸承,油膜潤滑原理,3軸承箱,軸承箱（座）的主要任務是放置、固定軸承。它主要由軸承支座、殼體、進排油管道、滑銷等部件組成。此外，軸承箱（座）還可能承擔支承汽缸、放置主油泵或盤車裝置的任務。,二、支撐軸承的種類,支撐軸承可分為：圓筒形軸承、橢圓形軸承、三油楔軸承、可傾瓦軸承、袋式軸承。,橢圓型軸承，為上、下兩半，水平中分面結構。,它主要由瓦枕與瓦塊組成。上、下兩半之間均用螺栓連接，瓦塊與瓦枕之間為球面結合，可以確保橢圓軸承的自位能力。它的軸承的垂直直徑間隙設計為軸承孔直徑的0.0013，而水平方向的直徑間隙設計為軸承孔直徑的0.0026。,橢圓瓦的上部軸瓦開有油槽，軸承的下部瓦塊上設有熱電偶，以測量瓦塊的溫度。為了便于調整，軸承的底座采用能夠很容易拆除或替換的墊片來保證在裝配時精確找中，并用止動銷固定軸承殼體防止軸向竄動。軸承上鑲有經過嚴格控制、高質量的巴氏合金塊，通過燕尾槽固到軸承上。,三油楔軸承,可傾瓦軸承,采用水平、上下、中分面、雙向可傾瓦結構軸承。,可傾瓦軸承的優點是：在工作時可傾瓦塊能隨轉速和載荷的不同而自由擺動，在軸頸周圍形成多油鍥，它具有很高的油膜穩定性和抗振蕩能力，并具有較大的承載能力。,缺點是：結構復雜，加工制造以及安裝、檢修較為麻煩，成本較高。,可傾瓦支持軸承結