第三章第四章 汽轮机基本结构.ppt

1、第三、四章 汽轮机结构,汽轮机本体包括:静止部分和转动部分,转动部分：轴、叶轮、叶片、联 轴器、盘车装置等。,静止部分：汽缸、隔板、隔板套、喷 嘴、汽封、滑销系统、法兰、 螺栓等。,国产600MW汽轮发电机,国产20万汽轮机外观,第三章 汽轮机转动部分,第一节 叶片,转子：转动部分称为转子。,作用：将蒸汽的动能转变为机械能，并传递扭矩。,冲动式汽轮机：主轴、叶轮、动叶栅、联轴器及其它零部件组成。,反动式汽轮机：转鼓、动叶栅、联轴器及其它装在轴上的零部件组成。,中低压缸转子,动叶,转子起吊,低压转子,动叶片：在汽轮机工作过程中随汽轮机一起转动的叶片。动叶片安装在叶轮或转鼓上。,动叶栅：由多个叶片

2、组成动叶栅。,作用：将蒸汽的热能转变为动能，再将动能转变为转子旋转的机械能。,动叶片的工作条件：1、因高速转动、汽流作用，承受较高的静应力和动应力。2、处在高温过热蒸汽区、二相过渡区和湿蒸汽区内工作，动叶要承受高温、腐蚀和冲蚀。,一.叶片的结构与分类,叶片的结构示意图如图 632所示。 叶片分为三部分：叶型部分、叶根、叶顶,图6-32 汽轮机叶片结构图,（1）叶型,叶型为叶片的工作部分。按叶型沿叶高横断面是否变化可分为：等截面叶片和变截面叶片（扭叶片）。,（2）叶根 电厂汽轮机常用叶根主要有T型叶根、叉型叶根和纵树叶根，如图633所示。 说明各叶根的结构特点及适用场合。,（3）叶顶,汽流通道的

3、上表面，并通过围带的不同结构起到调整叶片频率作用 。包括在叶顶处将叶片连接成组的围带和在叶型部分将叶片连接在成组的拉金。,围带 作用：增加叶片抗弯刚度,降低叶片中汽流产生的弯应力,调整叶片频率以提高其振动安全性;构成封闭的汽流通道,减小叶顶漏汽损失。 结构形式：常见的结构形式有整段围带、铆接围带、弹性拱形围带，如图634所示。,634 常见围带结构形式 (a)整体围带 (b)铆接围带 (c)拱形围带,拉金 作用：调整叶片的自振频率，增强叶片振动阻尼。 拉筋置于动叶流道内，造成流动损失，降低经济性，只有在叶片振动特性迫切需要才使用。,图635 拉金连接方式 (a)成组连接 (b)网状连接 (c)

4、整圈连接 (d)Z形连接,结构及连接：拉金为612mm的实心或空心金属线穿在叶型部分的拉金孔中，与叶片间可焊接，或采用松装结构；连接方式有整圈连接、成组连接、网状连接和Z形连接，如图635所示。,二、叶片的受力分析 （1）叶片、围带、拉金的质量产生的离心力 离心力作用：产生拉应力、弯曲应力 （2）高速汽流冲动叶片汽流力（轴向、圆周方向的应力） 不随时间变化的应力静应力（静的弯应力） 随时间而变化的应力交变应力（振动应力） （3）启停时由于温差引起的热应力,三、引起叶片振动的激振力,1.低频激振力,（1）部分进汽。（2）级前有抽汽口。（3）个别喷嘴加工尺寸偏差过大或者损坏。（4）上下两隔板结合面

5、处（错位）汽流异常。（5）喷嘴带有加强筋。 如图339所示。,激振力频率计算：,式中 a级中均匀分布的激振源； n-转子转速。,2.高频激振力,由喷嘴出口边总有一定厚度（喷嘴尾迹）引起的，另外汽流和通道壁面的摩擦力，使喷嘴出口沿圆周方向汽流的作用力不是均匀分布，叶片每经过一只喷嘴片，汽流作用力就减小一次，即受到反方向的扰动，如图640。,激振力频率计算：,全周进汽： 部分进汽：,式中 z喷管数； e-级的部分进汽度,定义：叶片绕其截面最小惯性轴的振动，其振动方向接近于圆周的切向方向。 切向振动是汽轮机叶栅最易激发且最危险的振动。（因这个方向刚性小，且汽流力接近此方向）振型：按振动时叶顶是否偏离

6、平衡位置，可分为,叶片振动的基本型式,1.单个叶片的振动,（1）弯曲振动,切向振动,1）A振动 叶根固定，叶顶自由，如图641所示。按叶片全长节点数又可分为,2）B振动 叶根固定，叶顶不动，如图641所示。按叶片全长节点数又可分为,轴向振动,定义：叶片绕其截面最大惯性轴的振动，其振动方向接近于轴的方向。振型：也分为A型振动和B型振动两种。,(2)扭转振动,定义：沿叶高方向叶片绕其截面形心轴的振动。 这种振动常出现在较长的扭曲叶片中。,2.叶片组的振动 叶片组：用围带或拉金连接的叶片。 自由叶片：单个叶片。,（1）也分为切向振动，轴向振动和扭转振动。,（2）切向振动也分为A型振动和B型振动。如图

7、642,643所示。,图642 叶片组切向型振动,图643叶片组的切向型振动 （a）第一类对称型振动 （b）第二类对称型振动,3.叶片最危险的振型,无论是单个叶片还是叶片组，最危险的振型均为切向 型振动，特别是切向 型振动更危险。 （现场叶片测频就是测切向 振动）,四、叶片振动的自振频率计算,叶片的自振频率又分静频率和动频率。,将叶片视为刚性固定的弹性梁，在交变载荷下产生弯曲振动。经一定假设，通过求解微分方程得A型振动频率表达式（等截面叶片）,分析：f与叶片的刚性（EI）的平方根成正比，与叶片质量的平方根成反比。,五、对叶片自振频率计算值的修正,1.温度修正,计算时，通常采用20条件下的弹性模

8、量，所以必须进行修正。引入温度修正系数,式中,分别为工作温度和20时材料的弹性模量。,分析：温度升高，E降低，所以f随温度的升高而减小。,2.叶片根部牢固性修正,引入牢固性修正系数Kr，则叶片的静频率为,牢固性修正系数Kr可查图644.,图644 叶根牢固性修正系数,3.离心力修正,引入动频系数B后，则叶片的动频率为,等截面叶片：,变截面叶片：,分析：离心力的存在使叶片的频率增大。,图645 离心力对叶片的影响,六、叶片组,叶片成组后，围带和拉金对叶片组内叶片的自振频率有两方面的影响：一方面，它们的质量分配到各叶片上，相当于叶片的质量增加，使频率降低；另一方面，它们对叶片的反弯矩使叶片的抗变形

9、能力增加，使频率升高。 叶片成组后的频率是升高还是降低，取决于以上哪方面影响更大些。一般情况下，刚度增加使频率增加的值大于质量增加使频率降低的值。所以叶片组的频率通常比单个叶片的同阶频率高。,七、叶片振动的安全准则和调频,1.新准则“汽轮机叶片振动强度安全准则” 主要特点（ 1980年完成）： （1）.采用表征叶片抵抗疲劳破坏能力的安全倍率Ab新概念； （2）采用叶片材料在静动载荷联合作用下的耐振强度来衡量叶片的动强度，并考虑了实际叶片工作条件对耐振强度以及静应力（蒸汽弯曲应力）的影响。,2. 叶片的三种危险振型（主振型） （1）切向A0型振动的动频率与低频激振力频率kn合拍时的共振第一种共振

10、； （2）切向B0型振动的动频率与高频激振力频率zn合拍时的共振第二种共振； （3）切向A0型振动的动频率与zn相等时的共振第三种共振；,3.不调频叶片 某些叶片允许其某个主振型频率与某类激振力频率合拍而处于共振状态下长期运行，不会导致叶片疲劳破坏，这种叶片对这一主振型，称为不调频叶片。 4.调频叶片 对有些叶片要求其某个主振型频率避开某类激振力频率才能安全运行，这种叶片对这一主振型，成为调频叶片。,5.不调频叶片的安全准则 (1) 叶片的安全倍率Ab 不调频叶片的动应力幅值应小于许用耐振强度，即,式中 耐振强度； ns安全系数。,式中 叶片的动应力幅值； Cd动应力系数； 叶片振动方向的蒸汽

11、静弯曲应力。,则,将修正后的 和 用 和 表示，其比值定义为安全倍率Ab ，即,为了得到不同振动阶次下的许用安全倍率 ，对国内已运行的汽轮机叶片进行大量统计计算，得到了在共振状态下能长期安全运行的和已经损坏的各种叶片的安全倍率Ab，如图646所示。,图646 A0型共振时Ab与k的关系曲线,从图中可发现，在统计的安全点和事故点之间，有一条较明显的分界线，位于该曲线以上的Ab 值的叶片是安全的，位于该曲线以下的Ab值的叶片是危险的。曲线上的 Ab值是叶,片安全和危险的界面值，定义为许用安全倍率 。 所以，可以得到一个判别不调频叶片的新的安全准则，其安全条件为,6. 调频叶片的安全准则,调频叶片应

12、满足调频指标，同时还应满足安全倍率许用值要求。由于调频后避开了共振，动应力大为减少，所以Ab值减小了。,同一级中测得的叶片自振频率（切向A0型）的最大值与最小值之差再与其平均值之比，即,(1） A0型频率振动与kn的避开率和安全倍率 叶片频率分散度定义：,要求 。 时 ， 说明叶片安装质量不合格， 应消除缺陷，合格后才能校核振动安全性,叶片的频率介于kn0与(k-1)n0之间时,（2）B0型振动频率与zn高频激振力频率的避开要求和安全倍率,避开率要求如下：,安全倍率Ab按该叶片的A0型与kn的不调频叶片确定。,7. 叶片的调频,（1） 叶片调频的定义,调整叶片的自振频率或激振力频率，使两者在数

13、值上不等，并错开一定的安全范围。,（2） 叶片调频的措施,1）在围带或拉金的连接处加焊。 刚度提高，使叶片的自振频率增加。,2）当叶片较厚时，在叶顶钻径向减荷孔。 使叶片的质量减小，自振频率提高。 用于具有整体围带的短叶片中，钻直径48mm的小孔,。孔深小于12叶片高度。,3）重新安装叶片，改善叶片的安装质量。 使刚度提高，叶片的自振频率增加。,4）改变叶片组中的叶片数。 一般，随着组内叶片数增加，叶片的自振频率增加；但当组内叶片已较多时，效果就不明显了。,5）对单个自由叶片加装围带或拉金。 使刚度提高，叶片的自振频率增加。,6）变更喷嘴数，甚至重新设计隔板。 改变激振力的频率（zn）。,注：

14、前五项措施是改变叶片的自振频率，后一项是改变叶片的激振力频率。,第二节、 叶轮,1. 叶轮的作用,安装叶片，并传递汽流力作用在叶栅上的扭矩。,2. 叶轮的结构,叶轮由轮缘、轮面和轮骰三部分组成，如图630所示。,3. 叶轮的分类,按照轮面的型线可分为：等厚度叶轮、锥形叶轮、双曲线形叶轮和等强度叶轮，如图631所示。,第三节 转子,1. 转子的作用,将蒸汽的动能转变为机械能，并传递扭矩。,2. 转子的分类,（1） 按有无叶轮,轮式转子 有叶轮，用于冲动式汽轮机。鼓式转子 无叶轮，用于反动式汽轮机。,（2）按主轴与其他部件间的组合方式，轮式转子又分为：,套装转子 叶轮等部件加工好后“红套”在主轴上

15、，如图626所示。,优缺点：（简述）适用场合：常用于低压转子。,整锻转子 将叶轮等部件与主轴一起锻造加工而成。如图627所示。,优缺点：（简述）适用场合：常用于大功率汽轮机高中压转子。注：目前300MW、600MW机组高、中、低压转子广泛采用整锻转子。,焊接转子 由若干个叶轮和两个端轴拼焊而成。如图628所示。,优缺点：（简述）适用场合：常用于大功率汽轮机的低压转子。,组合转子 由整锻转子和套装转子组合而成。如图629所示。,适用场合：用于大功率汽轮机的中低压转子，如国产200MW汽轮机的中低转子。,二、转子的临界转速,1. 定义,转子发生剧烈共振时的特定转速。,2. 危害性,机组振动剧烈增大

16、，易产生动、静部分摩擦碰撞事故。,二、转子按临界转速分类,1. 刚性转子,工作转速恒低于第一临界转速的转子。如水泵、风机的转子就是刚性转子。,2. 挠性转子,工作转速大于第一临界转速的转子。如汽轮机的转子就是挠性转子。,四、 联轴器,1.联轴器的作用 又叫靠背轮或对轮，其作用是连接汽轮机各转子及发电机转子，并传递扭矩。,2.联轴器的种类及特点 常见形式：刚性联轴器、半挠性联轴器、挠性联轴器，如图636，637所示。 电厂汽轮机广泛采用刚性联轴器。,第四章 汽轮机静止部分结构,一、汽缸,汽 轮机的外壳，其作用有两个：封闭作用；支承、固定作用。,1.作用,2.分类,（1）按汽缸进汽参数：高压缸，中

17、压缸，低压缸。,（2）按汽缸的层数：单层缸，多层缸。,3.多层缸的作用,（1）加快机组的启停和变负荷速度。,（2）节约贵重金属。,4.300MW汽轮机汽缸简介,（1）高压缸,（2）中压缸,采用双层缸，如图 61,62，63所示。,采用双层缸，如图62, 63所示。,4.300MW汽轮机汽缸简介,图62 优化引进型300MW机组汽轮机高中压内外缸蒸汽冷却（加热）系统结构,图63 优化引进型300MW机组汽轮机高中压缸纵剖面图,（3）低压缸,采用三层缸，如图64所示。,图64 优化引进型300MW机组汽轮机低压缸纵剖面图,附：图63, 64标注。,5.300MW汽轮机进汽部分,如图65所示。,图6

18、5 喷嘴室横断面图,图66 喷嘴组蒸汽室调节阀布置,附：国产600MW汽轮机汽缸结构,图6-7 高中压内下缸外形图,图6-8 高中压内上缸外形图,图6-9 高中压外下缸,6.滑销系统,（1）滑销系统的作用,保证汽缸能定向自由膨胀或收缩，并保证汽缸膨胀或收缩时，汽缸与转子的中心一致。,（2）滑销的种类,主要由纵销、横销、竖销（立销）、猫爪横销、角销等组成。,（3）汽缸的膨胀死点,纵销的中心线与横销中心线的交点。,（4）国产优化引进型300MW汽轮机滑销系统,如图610所示。,图610 300MW汽轮机滑销系统,二、隔板、隔板套和静叶环、静叶持环,1.隔板,主要由隔板体、静叶片和隔板外缘组成，如图

19、611，612所示。 其作用是：固定喷嘴；分隔汽室。,图611 隔板结构示意图,（1）组成与作用,图6-12 600MW汽轮机第9、10、11级隔板结构图,（2）种类,焊接隔板,将铣制或精密铸造、模压、冷拉的静叶片嵌在冲有叶型孔槽的内、外围带上，焊成环形叶栅，然后再将其焊在隔板体和隔板外缘之间，如图613所示。,特点：具有较高的强度和刚度，适用于350的高中压级隔板。,铸造隔板,将已成型的喷嘴叶片在浇铸隔板体的同时放入其中，一体浇铸而成，如图614所示。,特点：加工制造简单， 成本低，但通流部分光洁度较差，且受温度影响较大，适低于350的级中。,2.隔板套,（1）优缺点,优点：便于拆装；有利于

20、抽汽口的布置；缩短了汽轮机的轴向尺寸；简化了汽缸形状；有利于机组的启停和负荷变化。,缺点：增大了汽缸的径向尺寸，使相应的法兰厚度增加，延长了机组的启停时间。,（2）结构与固定方式,隔板套的结构与固定方式如图615所示。 隔板固定在隔板套中，隔板套再固定在汽缸上。,图6-15 隔板套 1上隔板套；2下隔板套；3连接螺栓；4上汽缸；5下汽缸；6悬挂销；7垫片；8平键；9定位销；10顶开螺钉,3.静叶环和静叶持环,静叶环相当于冲动式汽轮机的隔板，静叶持环相当于冲动式汽轮机的隔板套。如图616,6-17所示。,三 轴封系统,1 轴封系统的组成,由轴封装置和与之相连接的管道和附属设备组成。,2 轴封系统

21、的作用,（3）回收轴封漏汽的工质和热量,（1）防止高压端蒸汽外漏,（2）防止低压端空气漏入汽缸,3 轴封系统的特点,（1）轴封分段设置，各段间有环形腔室 。,（图217 、218）,通过管道将漏到腔室中的蒸汽疏走或向腔室中送汽。,（2）轴封设置供汽源,作用,密封作用,冷却轴端作用,4 轴封系统实例（图219）,三、轴承,分两大类：径向支持轴承；轴向推力轴承。,（一）轴承的工作原理,如图618，619所示。,建立液体摩擦的必要条件：1）两表面间构成楔形间隙；2）两表面之间有足够的具有合适粘度的润滑油；3）两表面间要有相对运动，且运动方向是使润滑油从楔形间隙的宽口流向窄口。,滑动轴承的工作原理,（二）径向支持轴承,1.作用,支承转子的重量及转子旋转时产生的不平衡离心力，并确定转子的径向位置,保证转子中心与汽缸中心一致，以保持转子与静止部分间正确的径向间隙。,2.种类,（1）圆筒形轴承,如图620所示。,（2）椭圆形轴承,如图621所示。,（3）三油楔轴承,如图622所示。,（4）可倾瓦轴承,如图623所示。,（二）推力轴承,1.作用,承受转子的轴向推力，并确定转子的轴向位置,以保证动、静部分间正确的轴向间隙。,2.结构及工作原理,如图624,625所示。,轴承的油膜振荡,（一）油膜振荡现象 滑动轴承工作时，轴颈支承在油膜上高速旋转，在一定条件下，油膜反过来激