传统产业升级改造项目汽轮机培训教材

1、传统产业升级改造项目汽轮机培训教材培训人：万树文第一讲 工业汽轮机概述工业汽轮机是以蒸汽为工质，将蒸汽热能转变为转子旋转机械能的动力机械，它具有单机功率大、效率高、转速高、调速方便、使用寿命长、运行安全可靠等优点，因此，被广泛应用于石油化工、冶金等行业。随着科学技术进步和资源的开发，新技术、新设备、新工艺不断地引进，我国石油化工工业也得到飞速发展，逐渐形成了石油化工装置设备的新特点，即大型化、单系列、自动化、智能化，引进与国产的工业汽轮机在石油化工装置中都得到了广泛的利用。石油化工装置大多采用工业汽轮机作为原动机来驱动压缩机、风机、泵及发电机等工作机械。为了提高石油化工装置的独立性，减少对电网

2、的依赖性，提高开工率，一般都建有汽轮机发电机组的自备电站，既供热又供电，这样可减少远距离输电和送汽，既解决本装置生产和生活的用汽，又可综合利用本装置资源，如生产过程的余热、余料等，这种热电联合的自备电站经济效益很明显，自备发电与公用发电并存，如有裕量还可以向公用电网送电。第一节 工业汽轮机装置的基本组成一、工业汽轮机的定义工业汽轮机是指工业企业中驱动用汽轮机与自备电站发电用汽轮机的总称，即指除公用电站汽轮机和船舶用汽轮机以外的各种类型的汽轮机。工业汽轮机的应用范围：1、 厂矿企业的自备供热发电用的汽轮机；2、 石油化工、冶金等行业装置中用于驱动泵、鼓风机、压缩机等工作机械的汽轮机；3、 自备电

3、站用于驱动锅炉给水泵和风机的汽轮机；4、 船舶用的各类辅助动力用汽轮机。二、工业汽轮机的特点工业汽轮机的应用范围十分广泛，使用场合各不相同，对进排汽参数、功率、转速以及布置型式和调节特性等方面，也都有各种不同的要求，因此品种非常繁杂，型式多样。目前汽轮机产品已系列化生产，最大程度地满足用户对工业汽轮机的需求，其主要特点是：1、使用范围宽广，易实现转速调节，具有较大的转速调节范围，通常为额定转速的-10%+15%，特殊情况可达额定转速的-40%+30%，增加了调节手段或操作的灵活性。2、汽轮机的转速高、变转速范围大，转速范围可达300016000r/min,可用来直接驱动工作机械；3、适用于各种

4、工作环境，满足防尘、防暴和防腐蚀等的特殊要求，无易燃、易爆危险；4、品种繁多，规格齐全。根据用户要求，不同的转速、功率、进、抽和排汽压力、温度及流量等技术参数，可选择不同的机组布置方式；5、适用于有较高自动化要求的工业流程；6、蒸汽来源温度、操作可靠、运行安全平稳、效率高，并能利用工厂的余热。7、汽轮机也存在辅助设备多，如油路系统、真空系统、汽封系统等，起动时间长，冷态起动需要暖管、排液、暖机等。三、工业汽轮机装置的基本组成工业汽轮机装置的基本组成如图所示，由四个主要设备组成，即锅炉、汽轮机、凝汽器和锅炉给水泵。1、锅炉锅炉是产生高温高压蒸汽的设备，水在锅炉内吸收燃料（煤、燃油或天然气）燃烧时

5、产生的热量后变成高温高压蒸汽。过热器用来将锅炉汽包来的饱和蒸汽继续加热，在原有的压力下提高蒸汽的温度，变成过热蒸汽。2、汽轮机汽轮机是利用蒸汽对外做功的设备。从过热蒸汽出来的高温高压过热蒸汽，流经汽轮机后，蒸汽在喷嘴中和动叶中不断膨胀将热能转变为动能，进而在动叶中又将动能转变为机械能，由汽轮机的轴端输出，用于驱动压缩机、风机、泵以及自备电站发电机等工作机械。蒸汽在膨胀过程中压力、温度不断降低。最后排入凝汽器。3、凝汽器凝汽器又称为冷凝器，是凝汽式汽轮机中工质的低温放热源。在工业汽轮机内做完功的蒸汽排到凝汽器内，在一定压力下将汽化潜热释放给冷却水，蒸汽凝结成水，并形成凝汽器中真空。凝结水由凝水泵

6、抽出，经锅炉给水泵再送回锅炉。作为锅炉给水。凝汽器的作用：一是将作完功的蒸汽回收，凝结成水后再供给锅炉，循环使用，这样可以降低运行成本，提高经济效益，保证蒸汽质量，减少对设备的腐蚀；二是建立并保持汽轮机排汽口的高度真空，增大蒸汽的可用焓降，从而提高汽轮机的功率和循环热效率，这样对汽轮机的功率和汽轮机装置的经济性具有重大的影响。通常每台凝汽式汽轮机配置一台凝汽器，但也有几台汽轮机共用一台凝汽器。背压式汽轮机的排汽压力高于大气压，它的排汽可供其他用汽单位利用，所以不需要凝汽器。4、锅炉给水泵锅炉给水泵的作用是消耗一部分功率用来完成热力循环中的压缩过程，经凝结水的压力提高，送入锅炉，锅炉给水泵的运行

7、情况对装置的经济性和安全性都有重大的影响。常用的锅炉给水泵多为多级离心泵。从图中可以看出，汽轮机装置中有3个封闭的回路。1、汽水回路水在锅炉内吸收燃料燃烧时产生的热量后，变为高温高压蒸汽。汽轮机经高温高压蒸汽中的一部分能量转换为机械功，向外界输出驱动工作机械旋转。蒸汽的压力和温度随之降低，然后排入凝汽器中被冷却水凝结成凝结水，再由锅炉给水泵加压送入锅炉。这样，就构成了一个锅炉、汽轮机、凝汽器和锅炉给水泵组成的封闭回路，工质在这个回路里不断地进行水变汽，汽变水的变化过程。这个回路就是汽水回路，这是汽轮机装置中一个主要回路。2、空气烟气回路空气进入锅炉后和燃料一起产生燃烧过程变成烟气，高温烟气在锅

8、炉内将一部分热量传给水和蒸汽后温度降低，燃烧后的烟气经锅炉尾部烟道、除尘器后由吸风机抽出并经烟囱排入大气。同时，新鲜空气不断地进入锅炉参加燃烧。3、冷却水回路冷却水由冷却水池或冷却塔经冷却水泵加压进入凝汽器，在凝汽器中吸收排汽的汽化潜热后，冷却水温度升高，排入冷却水池中进行冷却，形成封闭回路。在一个动力装置中有上述三个不同工质构成的独立封闭回路，这是汽轮机装置的一个特点。回路多，使整个装置变得复杂，但对装置的运行性能也产生深刻的影响，这样可以减少装置中各主要设备彼此之间的相互影响，有利用保持汽轮机装置的主要工作热性的稳定性。例如，当外界负荷发生变换的时候，可以调节空气烟气回路和冷却水回路，使汽

9、水回路中的工质的进出口参数不变。第二节 工业汽轮机的分类汽轮机类别和型式很多，可按热力特性、工作原理、蒸汽初压、结构形式和用途等进行分类。一、按热力热性分类1、凝汽式汽轮机蒸汽在汽轮机中膨胀做功后，全部排入凝汽器，排汽压力在低于大气压的真空状态下凝结成水。这类汽轮机广泛应用于石油化工、冶金、电力行业。 2、抽汽凝汽式汽轮机蒸汽在抽汽式汽轮机中膨胀做功时，从中间某一级抽出进入热力官网供给工业或热用户使用，其余蒸汽继续在后几级膨胀做功后排入凝汽器。若抽汽压力可以在某一范围内进行调节时，称为调节抽汽汽轮机。这类汽轮机广泛应用于石油化工装置。生产用汽的抽汽压力一般为0.781.56MPa,生活用汽的抽

10、汽压力一般为0.0680.245MPa3、背压式汽轮机蒸汽在汽轮机中膨胀做功后，在大于一个大气压的压力下排出汽缸，可供工业或热用户采暖用汽。当排汽供给其他中、低压汽轮机使用时，称为前置汽轮机。4、抽汽背压式汽轮机为满足不同用户的需要，在抽汽背压式汽轮机中间某一级抽出部分压力较高的蒸汽，进入热力管网供给工业用户使用，其余大部分蒸汽在汽轮机后面几级继续膨胀做功后，以较低的压力排入管网，供给工业或热用户采暖供汽。5、混压（多压）式汽轮机除引进新蒸汽外，还将生产工艺过程中多余蒸汽用管路注入汽轮机中的某一中间级内，与原来的蒸汽一起工作。这样可以从多余的工艺蒸汽中获得能量，得到一部分有用功，实现蒸汽热量的

11、综合利用，这种汽轮机称为注入式汽轮机，也称为多压式或混压式汽轮机。二、按工作原理分类1、冲动式汽轮机蒸汽主要在喷嘴叶栅（或静叶栅）中进行膨胀，在动叶栅中只有少量的膨胀。2、反动式汽轮机蒸汽在喷嘴叶栅（或静叶栅）和动叶栅中都进行膨胀，且膨胀程度相同。三、按结构型式分类1、单级汽轮机通流部分只有一级（单列、双列、三列）组成的汽轮机称为单级汽轮机。一般为背压式汽轮机，可作工业驱动（泵、风机等辅助机械）用，也可带动发电机。2、多级汽轮机这种汽轮机通流部分由两个以上的级组成的汽轮机称为多级汽轮机。由于其功率大、转速高、效率高、广泛应用于石油化工、冶金、轻纺、制糖等部门。可作为背压式、凝汽式、抽汽背压式和

12、混压式汽轮机。四、按新蒸汽的参数分类（按汽轮机的进汽压力分类）低压汽轮机(1.21.5MPa)；中压汽轮机(24MPa)；高压汽轮机(610MPa)；超高压汽轮机(1214MPa);亚临界汽轮机(1618MPa);超临界汽轮机(22.2MPa以上)的汽轮机。五、按汽轮方向分类1、轴流式汽轮机蒸汽在汽轮机内基本上沿轴向流动，流动总体方向大致与转子相平行。2、辐流式汽轮机蒸汽在汽轮机内基本上径向流动，流动总体方向大致与转子垂直。3、周流（回流）式汽轮机蒸汽在汽轮机内大致沿着轮周方向流动的小功率汽轮机。六、按用途分类1、工业驱动用汽轮机单纯驱动用汽轮机仅用来驱动各种工业机械，不向外界供汽。汽轮机多为

13、凝汽式，可以变转速运行。主要用于石油化工、冶金和自备电站锅炉给水泵等。驱动并供热汽轮机用来驱动各种工业机械，同时向外界供汽，以满足其他用途（动力、工业或生活）。汽轮机为背压式或抽汽背压式或抽汽凝汽式可以变速运行的汽轮机。主要用于石油化工、冶金部门等。2、工业电站汽轮机单纯发电用汽轮机工厂自备动力电站中驱动发电机，不向外界供汽。汽轮机为凝汽式，定转速运行。主要应用于石油化工、冶金和制糖、造纸等轻工业部门。发电并供热用汽轮机用于工厂自备动力电站驱动发电机，并向外界供汽。汽轮机为抽汽背压式、抽汽凝汽式或背压式，定转速运行。主要应用于石油化工、冶金和制糖、造纸等轻工业部门。七、按蒸汽流道数目分类1、单

14、流道汽轮机全部排汽都通过末级的汽轮机2、双流道或多流道汽轮机蒸汽在两个或多个并列的汽流中分流的汽轮机。八、按能量传递方式分类1、直联式汽轮机汽轮机直接与工作机械相连。2、带变速齿轮箱的汽轮机汽轮机通过变速齿轮箱与工作机械相连。传统产业升级改造项目的几台汽轮机性能以及特点介绍1、丙烯机组：凝汽式汽轮机，汽轮机额定转速7975r/min，额定功率：6148KW，额定进汽压力：2.3MPaG，进气温度：380，耗汽量29.74t/h，排气温度49，排汽压力0.012MPaA。2、甲醇合成循环机：凝汽式汽轮机， 3、甲醇循环泵：凝汽式汽轮机第二讲 工业汽轮机的工作原理汽轮机是用蒸汽来做功的旋转式原动机

15、。来自锅炉或热网的蒸汽，经主汽阀、调速阀进入汽轮机，依次高速流经一系列环形配置的喷嘴(或静叶栅)和动叶栅而膨胀做功推动汽轮机转子旋转，将蒸汽热能转换成动能，再将动能转换成机械功。这便是汽轮机简单的工作原理。蒸汽在工业汽轮机中，进行两个能量的转换过程，蒸汽的热能在喷嘴内转换为汽流动能，动叶片又将动能转换为机械能。而对于反动式叶片，蒸汽在动叶膨胀部分直接由热能转换为机械能。蒸汽在汽轮机内进行的能量转换通常是通过冲动原理和反动原理实现，由于动能转变为机械能的方式不同，便有不同工作原理的汽轮机。一、汽轮机的工作原理1、冲动作用原理及反动作用原理在冲动式汽轮机中，蒸汽在喷嘴中产生膨胀、压力降低，速度增加

16、，热能转变为动能。高速汽流流经动叶片时，由于汽流方向的改变，产生对动叶片的冲击力，推动叶轮旋转做功，将蒸汽的动能转变为转子旋转的机械功，这种利用冲动力的做功原理，称为冲动作用原理。图2 冲动式汽轮机动叶片的分析图 图3 蒸汽微团作用在叶片上的离心力动叶片工作示意图：如果我们用一个直立的平板，让高速汽流冲击到它的表面上，平板由于受到汽流的冲击作用而发生运动。但因在平板的表面附近产生了很大的扰动和涡流损失，使蒸汽中大量的有用能量不能得到很好的利用以至造成浪费。所以经过大量的实践改进，现代的汽轮机的动叶片都做成弯曲形。如果要产生最大的作用力，就要使蒸汽的喷射方向与动叶片的运动方向一致，然后再转一个1

17、80而离开动叶片，如图2所示，这时动叶片受到的冲击力如图3所示。汽流以C1的速度流向曲面，它相当于汽轮机的动叶片，并能沿平行于汽流的方向移动。汽流进入弯曲流道内弧所构成的汽道后,便沿着内弧逐步改变其流动方向，最后流出汽道时的速度为C2，方向恰与C1方向相反。当汽流流过曲面时，实际上作圆周运动，因此组成汽流的每一个蒸汽微团都受到叶片所作用给它的一个向心力，同时叶片受到汽流给它一个大小相等、方向相反的反作用力。在这里就是一个离心力。假如汽流微团的离心力用向量表示。在1点处的离心力P1可分解成轴向分力P1Z及运动方向上的分力P1U，在2点处的离心力P2也可以分解成P2Z和P2U。轴向分离P1Z和P2

18、Z恰好相互抵消，因为此二力大小相等、方向相反，且共同作用在一个叶片的同一条支线上。同样，其它点的轴向分力也相互抵消，因此汽流的离心力在轴向上的分力之和为零，即P1Z+P2Z+=0在弯曲面运动方向上的分力之和等于P，即P1U+P2U+=P在这个P力的作用下，弯曲面（叶片）向右运动，通过叶轮及轴产生旋转运动。力P称为冲动力，若带动压缩机、泵、风机等机械，就可以输出机械功。这就是冲动式汽轮机的工作原理，采用冲动原理工作的汽轮机称为冲动式汽轮机。图1 单级冲动式汽轮机示意图1、转轴 2、叶轮 3、动叶片4、喷嘴实际上，由于机械结构等方面的限制，喷嘴不可能装在两个动叶片之间，从喷嘴流出来的气流不能与动叶

19、片的运动方向完全相同，而成一个夹角。动叶片也不是一个对称的半圆弧，而是由好几段曲线组成，一般是圆弧和抛物线弧。这样，虽然蒸汽推动叶轮旋转的作用力有所减小，但其工作原理仍然相同。2、反动作用原理由牛顿第三定律，一物体对另一物体施加一作用力时，这个物体必然受到与其作用力大小相等、方向相反的反作用力。这个反作用力称为反动力，利用反动力做功的原理，称为反动作用原理。例如：火箭发射时，燃料燃烧产生的高压气体以很高的速度从火箭尾部喷出，在喷出的同时高速汽流给火箭一个与气流大小相等、方向相反的作用力，推动火箭向前运行。这种气体以很高的速度从容器内流出并给容器一个与汽流方向相反的作用力，此力便为反动力。图示。

20、反动式汽轮机中的一个级的断面示意图。蒸汽在静叶栅中膨胀后达到较高的速度，蒸汽离开静叶栅后，进入动叶栅气道，沿着汽道壁的内弧改变方向，因此动叶片就受到由于冲动原理产生的冲击力，记为P冲；又由于汽流在动叶栅汽道内从P1膨胀降压至P2，因而动叶片上又受到由于反动原理而引起的反作用力P反的作用。P冲与P反的合力为Pu。此外，动叶片前后有压差也引起一个轴向力P轴。Pu与P轴的合力为P总，这就是作用在动叶片上的力。沿动叶片运动方向的分力，使动叶片向右移动，并做机械功。因此，作用在反动式汽轮机的级的动叶片上的力，既有冲动力，也有反作用力。也就是反动式汽轮机既利用冲动作用原理，又利用反动作用原理。1-导向叶片

21、 2-动叶片 3-平衡活塞单级反动式汽轮机示意图2、单级冲动式汽轮机如图1所示，叶轮上装配一圈动叶片与喷嘴配合在一起，构成一个做功的简单机械。我们把由喷嘴和与其配合的动叶片构成的汽轮机做功的单元称级。由一个级组成的汽轮机叫单级汽轮机。单级冲动式汽轮机结构简单，主要由转子、叶轮、动叶栅和汽缸等组成。单级冲动式汽轮机由于功率小（一般在500800kw）,转速高、效率低，常用来驱动功率不大的汽动离心式油泵、汽动给水泵。 3、单级反动式汽轮机动叶片安装在转鼓上，轴、平衡活塞及转鼓组成转子。静叶片安装在汽缸上，与进、排汽管等组成静子。单级反动式汽轮机仍然是由一列静叶片和一列动叶片组成。4、速度级汽轮机在

22、单级冲动式汽轮机中，当汽流离开叶片还具有很高的速度时，这部分排汽的动能如果不能很好地利用将造成余速损失，从而降低汽轮机的效率。为充分利用排汽的余速，减少这部分损失，就制造了速度级汽轮机。它比单级冲动式汽轮机对蒸汽能量的利用更加充分。图示：具有双列速度级的单级汽轮机。叶轮上装有两列动叶片，叶片之间装有导向叶片7，导向叶片的安装位置与喷嘴的安装位置向对应。这样从第一列动叶片流出的汽流所具有的动能，在第二列动叶片中加以利用，减少了动能损失。速度级汽轮机和单级冲动式汽轮机一样，蒸汽的全部膨胀是在一级喷嘴中进行。其不同的是第一列动叶片和排汽动能可进一步得到利用，所有速度级汽轮机的功率比单级汽轮机要大一些

23、。速度级汽轮机可以使用较大的焓降，结构比较简单，运行、维护方便。但由于焓降大、蒸汽在喷嘴和动叶栅的流速高。再加之速度级装了导向叶片，汽流要经过多次转向，因而增大了流动损失，所以它的效率低于单列级效率。在中、小功率的多级汽轮机上，可以利用双列速度级焓降大的特点，将其制作成多级汽轮机的第一级，从而减少多级汽轮机的级数，可以简化结构、缩小体积，同时因高压段汽压、汽温下降较多，汽缸可用较差材料制造。5、多级冲动式汽轮机汽轮机向高参数、大功率和高效率的方向发展，因此，单级汽轮机已不适应需要。由若干个冲动级依次迭加设置而成的多级汽轮机，称为多级冲动式汽轮机。因为蒸汽每经过一级其压力都要下降一次，所以这种级

24、称为压力级。由于多级汽轮机的蒸汽焓降是分配给每一压力级，所以可在各级焓降不大，即每一级的蒸汽流速不高，喷嘴、叶片损失都较小的情况下，使汽轮机整机得到较高的效率，所以在汽轮机级数增多的条件下，可使新蒸汽压力、温度得到适当地提高，为提高循环热效率创造条件。在多级汽轮机中，由于流经各级后的蒸汽压力逐渐降低，蒸汽比体积逐渐增大，为保证蒸汽的流通，喷嘴和动叶片的通流面积也应随之逐渐增大，所以随着蒸汽的不断膨胀，各级喷嘴和动叶的高度是随着蒸汽压力的降低不断增大的。多级冲动式汽轮机中各级隔板前后都存在压力差，为减少隔板内孔与轴之间的间隙的漏汽，在隔板内孔与轴之间装有汽封。为提高冲动式汽轮机的效率，在动叶中蒸

25、汽有少量的热焓降，也就是使动叶有一定的反动度。多级汽轮机的功率是各级功率之和，因此多级汽轮机的功率可按需要做得很大，级数做得很多。6、多级反动式汽轮机汽轮机的动叶片都直接装在轮鼓上，在两列动叶之间装有静叶，静叶像喷嘴一样安装在汽缸内壁上。动叶与静叶的断面形状基本一致。蒸汽不断流经各级静叶和动叶，一直在膨胀、压力不断下降，比体积不断增大。直到蒸汽流经最末一级动叶片后，从排汽管排出。由于蒸汽的比体积随压力的降低而增加，因此，叶片的高度相应增加，使通流面积逐渐增大，以确保蒸汽顺利流过。由于反动式汽轮机的动叶前后都存在压力差，因而在整个转子上产生很大的轴向推力。为保证动、静叶片之间的轴向间隙、减少轴向

26、推力，所以在转子前部装有平衡活塞。平衡活塞前的空间用一联通管和排汽管连接，使平衡活塞产生一个向前的轴向推力，平衡转子的轴向推力。二、汽轮机级的反动度近代常用的汽轮机，实际上用的是带反动度的冲动式汽轮机。在这种汽轮机中，动叶栅中也有汽流膨胀，但比喷嘴中的膨胀程度小些。一般常用反动度表示，所谓反动度，就是在动叶栅中蒸汽膨胀的程度占级中总的应该膨胀程度的比例数，或是在动叶栅中的理想焓降与总焓降之比，常用表示反动度。纯冲动式级的=0；反动级的=0.5；带反动度的冲动式级的00.5。带有不大反动度的冲动级使用最广泛，它可以提高冲动式汽轮机的效率。三、汽轮机级的类型根据蒸汽在汽轮机级通流部分的流动方向，汽

27、轮机可分为轴流式和幅流式汽轮机两种，工业汽轮机大多数采用轴流式，轴流式汽轮机通常有下列几种分类方法。1、冲动级和反动级根据反动度的不同，级可分为以下几种：纯冲动级：反动度=0的级称为纯冲动级，特点是蒸汽只在喷嘴中膨胀，而在动叶中不膨胀只改变流动方向，其叶片的形式为对称叶片，所以动叶片进、出口压力及其相对速度均相等。纯冲动级做功能力大、流动功率低，现代汽轮机均不采用纯冲动级。纯反动级：反动度=0.5的级称为反动级，特点是蒸汽膨胀一半在喷嘴叶珊中进行，另一半在动叶栅中进行。由于喷嘴型线与动叶型线完全一致，所以蒸汽在喷嘴和动叶中的膨胀程度也相同。反动级的效率比冲动级效率高，但做功能量小。带反动度的冲

28、动级：为提高冲动式汽轮机的效率，冲动级应具有一定的反动度（00.5），这种级的反动度一般在0.050.20之间。冲动式汽轮机的前几级的反动度不大于10%15%，最后几级的反动度可达20%30%。蒸汽膨胀大部分在喷嘴中进行，而只有小部分在动叶片中进行。带不大反动度的冲动级应用最广泛。速度级（双列速度级）：速度级又称为复速级或寇蒂斯级，速度级除有双列速度级外，还有三列速度级。速度级常用于单级汽轮机和多级汽轮机的第一级。2、压力级和速度级按照蒸汽的动能转换为转子机械能的过程不同，还可以将级分为压力级和速度级。压力级:在可以利用的蒸汽能量很大的情况下，只有一个级不能充分利用这些能量。因此，由喷嘴和动叶

29、片组成的级串联在同一根轴上，将蒸汽的能量分别在若干个级中加以利用。从结构来看，就是一列喷嘴和一列动叶片，其后又是一列喷嘴和一列动叶片，这样逐次排列下去。在第一列喷嘴进口处的蒸汽压力最高，以后逐级降低，这就是常见的多级汽轮机的结构形式，其中的每个级，都叫做压力级。速度级：除压力级外，在有些汽轮机上还设有速度级。速度级又叫复速度级或寇蒂斯级，比压力级在结构上复杂一点。双列速度级的单级冲动式汽轮机比单级冲动式汽轮机对蒸汽能量的利用更充分一点。3、调节级和非调节级按级通流面积是否随负荷大小而变化，汽轮机的级可分为可调节级和非调节级。调节级：采用喷嘴调节的汽轮机中，第一级的通流面积是能随负荷变化而改变的

30、，这种改变的另一个原因是采用部分进汽，称它为调节级。调节级可以是复速级也可以是单列级。一般中小型汽轮机用复速级作为调节级，而大型汽轮机常采用单列冲动级作为调节级。非调节级：通常通流面积是不随负荷变化而改变的级称为非调节级，非调节级既可以是全周进汽也可以是部分进汽。四、喷嘴喷嘴是将蒸汽的热能转变为动能的具有特定形状的流道，具有一定压力和温度的蒸汽流经喷嘴时，由于喷嘴的截面形状沿汽流方向发生变化，使其压力、温度和焓均有所降低，而其速度和比体积增加。喷嘴的结构型式有渐缩喷嘴和缩放喷嘴。渐缩喷嘴因为承担的焓降较小，所以多用于冲动式汽轮机的中间级，以满足这类级的焓降不大，喷嘴出口是亚音速汽流的需要。缩放

31、喷嘴因承担的焓降大，多用于单级汽轮机和多级汽轮机的第一级与最末级，满足级中焓降大、喷嘴出口是超音速汽流的需要。但缩放喷嘴工作效率低、不易加工制造，故只用于少数必须装缩放型喷嘴的地方。一般汽轮机中尽量选用斜切喷嘴代替缩放喷嘴，获得超音速汽轮，但是替代有限。在汽轮机中，为了使蒸汽顺利进入动叶栅流道，喷嘴轴线在出口处与动叶的运行方向之间形成一定的角度，因此喷嘴出口都有一段斜切部分，这种喷嘴称为斜切喷嘴。由于蒸汽在渐缩斜切喷嘴中能够膨胀到低于临界压力获得超音速汽流，因而扩大了应用范围，特点是比缩放喷嘴具有制造工艺简单、变工况时工作稳定的特点，因而在实际应用中尽可能采用渐缩斜切喷嘴代替缩放喷嘴。五、汽轮

32、级的级内损失及效率蒸汽在级内能量转变过程中影响蒸汽状态的各种损失称为级内损失，包括喷嘴损失、动叶损失、余速损失、叶高损失、撞击损失、扇形损失、摩擦损失、部分进汽损失、湿气损失及漏气损失等。上述各种损失均使级的效率下降。喷嘴损失和动叶损失统称为叶栅损失，蒸汽在喷嘴中流动时存在的损失称为喷嘴损失，主要包括喷嘴表面不光滑，蒸汽与喷嘴壁之间摩擦；蒸汽分子运行速度不同，存在速度梯度，蒸汽分子之间摩擦损失；汽流脱离喷嘴壁时的涡流损失。余速损失：蒸汽离开动叶片时，仍具有一定的速度即余速，蒸汽在本级内并没有将动能全部转换为机械能，而是存在余速损失，这种排汽动能损失称为余速损失。叶高损失：静、动叶栅端部的损失称

33、为叶高损失，本质上仍是喷嘴和动叶的流动损失。扇形损失：等截面叶片是沿圆周布置成环形叶栅，叶栅的槽道断面呈扇形，因此在叶顶和叶根部分的圆周速度、节距和蒸汽参数都不同于动叶平均直径处的数值。由于沿叶高的栅距、圆周速度及汽流参数的变化而引起的损失，称为扇形损失。叶轮摩擦损失：叶轮在蒸汽中高速旋转时，克服摩擦而消耗的功，称为摩擦损失。产生摩擦损失的根本原因是由于蒸汽具有黏性造成的。部分进汽损失：由于部分进汽而产生的附加损失，由鼓风损失和斥汽损失组成。湿气损失：凝汽式多级汽轮机的末几级在湿蒸汽区域内工作而产生的附加损失，称为湿汽损失。漏气损失：蒸汽通过汽轮机转子与静子动、静部分之间的间隙产生泄漏而引起的

34、损失，称为漏气损失。可分为隔板漏气损失、轴端漏气损失、叶顶漏气损失等。第三讲 汽轮机的结构及各部件的用途汽轮机实现能量转换，主要是通过喷嘴把热能转换为动能，通过动叶栅（由相同叶片按一定几何规律排列而成的组合体称为叶栅，分为动叶栅和静叶栅）把动能转换为机械能。因此，喷嘴一般做成静止零件，用各种不同的方法固定在汽缸上，形成汽轮机的静止部分；而动叶栅则安装在转动轴上，形成汽轮机的转子部分。所以汽轮机主要是由转子、静子两大部分组成的。（汽轮机装配动画）一、转子部分转子部分，也就是汽轮机的转动部件，靠固定于汽缸上的前后两个轴承支撑。它由主轴、叶轮或转鼓、动叶片、平衡活塞、止推盘、盘车器等部件组成，并通过

35、联轴器与被驱动机械相连。转子做高速旋转，把蒸汽作用到叶片上的力矩传递给驱动机械，达到对外做功的目的。汽轮机转子按结构型式可分为轮式转子和鼓式转子两种，轮式转子适用于冲动式汽轮机。鼓式转子主轴中间部位尺寸较大，外形像鼓筒一样，转鼓外缘加工有轴向沟槽，动叶片直接安装在周向沟槽内，这种转子结构简单，弯曲度小，通常应用于动叶片前后有一定压差，级数多每级热焓降不大和要求强度较大反动式汽轮机，由于其轴向推动力较大，一般装有平衡活塞。轮式转子按制造工艺的不同可分为套装转子、整锻转子、组合转子和焊接转子等几种型式。一般来说，中温中压进汽参数的发电汽轮机，基本上采用套装转子。高速工业驱动汽轮机采用整锻转子。高参

36、数进汽参数的发电汽轮机采用组合转子，即前半部分采用整锻转子，后半部分采用套装转子。套装转子：套装转子的叶轮、轴封套、联轴节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，以防止叶轮等因离心力及温差作用引起松动，并用键传递力矩 整锻式转子：整锻转子的叶轮、轴封套和联轴节等部件与主轴是由一整锻件车削而成，无热套部件，这解决了高温下叶轮与主轴连接可能松动的问题。整锻转子的中心通常打有100mm的中心孔，其目的主要是便于检查锻件质量，同时也可以将锻件中心材质差的部分去掉，防止缺陷扩展，以保证转子强度。焊接转子：焊接转子采用分段锻造，焊接组合，它主要由若干个叶轮与端轴拼合焊接而成。

37、组合式转子：组合转子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，以减小锻件尺寸 。鼓式转子：1、危急保安器孔 2、主推力盘 3、付推力盘 4、前径向轴承轴颈 5、前汽封 6、平衡活塞汽封 7、调节级 8、压力级 9、中间汽封 10、低压级 11、后汽封 12、后径向轴承轴颈 13、盘车棘轮 14、盘车油轮动轮 15、联轴器轴段 16、主端平衡面 17、前端辅助平衡面 图7 汽轮机转子结构图鼓式转子各部件用途介绍（1）危急保安器孔：危急保安器是汽轮机的机械式超速保护设备，当机组转速超出设定的脱扣转速时，它产生动作，通过遮断油门关闭速关阀和调节汽阀。危急保安器孔就是飞锤飞出的地方

38、。（2）主推力盘：其作用是承受转子的轴向推力，确定、保持转子正确的轴向位置。（3）副推力盘：是承受主推力盘平衡轴向推力后所剩余的少部分轴向推力。（4）前径向轴承轴颈：利用前径向轴承支承转子的部位。（5）前汽封：用于防止、减少高压端汽缸内蒸汽的外泄漏，防止高温蒸汽漏入轴承座引起轴承温度升高及润滑油乳化。（6）平衡活塞汽封：在多级汽轮机的高压端，加大其轴封直径，以便在端面上产生平衡活塞的作用。平衡活塞两端环形面积上作用着不同的蒸汽压力。在这个压差作用下产生与汽流相反方向的轴向推力，即减小轴向推力，使轴向推力在推力轴承的许用承载范围之内。平衡活塞汽封属内汽封。（7）调节级：调节级称作速度级。当汽轮机

39、采用喷嘴调节时，第一级的进汽截面积随负荷的变化而相应变化，因此通常称喷嘴调节汽轮机的第一级为调节级。（8）压力级：除调节级外，其它各级统称为非调节级或压力级。压力级是以机组中合理分配的压力降或焓降为主的级。（9）中间汽封：作用是在不同的膨胀段之间起分隔、密封作用，中间汽封属内汽封。（10）低压级：用来回收经调节级做功后的蒸汽还具有的一定的能量。（11）后汽封：为了防止空气经轴封片漏入汽缸，必须引用压力稍高于大气压力的蒸汽来封住轴封通道。（12）后径向轴承轴颈：利用后径向轴承支承转子的部位。（13）盘车棘轮：盘车投运时，在杠杆的施力端向下按压，杠杆以支座为支点撬起拉杆，框架向上移动，当插槽嵌入棘

40、轮继续上行时，就迫使棘轮、转子一起转动。（14）盘车油轮动轮：由主油泵或单独的盘车油泵输出的压力油从轴承座侧面供入，经内接油管进入喷嘴环，从喷嘴中高速喷射的压力油冲击油轮动轮叶片做功，使转子旋转。（15）联轴器轴段：用于联接汽轮机转子和被驱动机的转子（或齿轮箱主动轴），传递运动和扭矩。（16）主端平衡面：对转子的动不平衡进行校正。（17）前端辅助平衡面：辅助平衡面不仅在厂内做动平衡时使用，而且为现场不开缸进行动平衡校正提供了方便。2、转子的性能要求为使转子能安全可靠的运行，必然满足下列条件：A、必然有一定的强度，以满足支持自身重量和传动转矩的要求。B、必须经过严格的动平衡，以免高速旋转时产生过

41、大的离心力引起汽轮机振动和损坏。C、必须使汽轮机的临界转速和运行转速避开一定距离，以免发生共振。D、必须安装平衡盘、推力盘和轴套，用以平衡转子的轴向推力和并使转子在轴向定位。3、转子的轴向推力及其平衡蒸汽在汽轮机的通流部分膨胀做功时，转子上受两部分力，一部分叫做轮周力，是产生转矩对外做功的有益力；另一部分沿叶轮轴从高压端指向低压端，企图推动转子向汽流方向运动，所有叶轮轴向力之代数和，就是整个转子的轴向推力。转子的轴向推力一般要采取措施平衡掉大部分，剩余的部分由推力轴承承担。如果推力过大，就会影响轴承寿命，严重时会烧坏轴瓦，引起转子上动静部分碰撞，以致损坏机器，因此，在运行中必须严密监视转子轴向

42、推力变化，确保机组安全运行。一般来说，作用与汽轮机转子的轴向推力来源于以下几种因素：a、叶轮两侧的压力差。b、动叶片上的轴向力。c、轴上各处直径不同引起的受力。汽轮机转子所受轴向推力很大，高压汽轮机（反动式）可达到几百吨，为确保机组的安全运行，一般采取下列措施平衡轴向力：a、使用推力轴承。目的是固定转子在气缸中的位置，承受转子上的少部分轴向推力。b、使用平衡活塞或平衡盘。如图所示，在转子通流部分对侧，将转子做成阶梯形，以产生相反的轴向推力，此阶梯凸台就叫平衡活塞。其右侧为高压蒸汽，左侧与汽室相同，受低压蒸汽作用，因而产生向左的轴向力，以平衡部分轴向力。对冲动式汽轮机因其总的轴向推力不大，一般将

43、高压汽封套直径做大些，也可以起到类似的作用。c、开平衡孔。由于汽轮机叶片两侧存在压力差，在轮盘上开有贯通两侧的小孔，即平衡孔，可减少轮盘上的轴向推力。平衡孔一般开57个奇数孔，以免在叶轮同一直径上形成对称孔，影响叶轮强度。另外开奇数孔对减轻叶轮震动也有好处。但此法会使汽轮机效率有所降低。d、采用相反流量布置。如图所示，使蒸汽在高低压缸或各区域内流向相反，而产生反方向的轴向推力，以相互抵消而达平衡。 4、转子的临界转速汽轮机在升降速过程中，转子转动时因质量中心偏移产生的离心力就成为周期性激振力作用于转子上，使之产生受迫振动，当激振力的频率，即某个转子自身的弯曲自振频率相同时即产生共振，使振动加剧

44、，此转速即为转子的临界转速。汽轮机转子的临界转速不止一个，通常可能遇到的是第一、第二阶临界转速。工作转速一般要求离开临界转速，汽轮机的转子在临界转速区域停留时间过长会造成强烈振动，乃至损坏机器，造成严重后果，因此在升速过程中，应快速平稳地通过临界转速。临界转速决定于转子的材质、制造和装配。按转子工作转速与临界转速的相对关系，将转子分为刚性转子和挠性转子。当转子工作转速低于其第一临界转速的转子称为刚性转子，这种转子在升速时不发生共振。当转子的工作转速高于第一阶临界转速的转子称为挠性转子，这种转子在升速时应迅速通过临界转速。5、叶轮作用是安装动叶片并将动叶片上的转矩传递给主轴。由轮缘：开有安装叶片

45、的叶根槽；轮面：将轮缘和轮毂或主轴连成一体，开有平衡孔；轮毂：减小叶轮内孔应力的加厚部分三部分组成。按照轮面的断面的型线，可将叶轮分为等厚度叶轮、锥形叶轮、等强度叶轮等。 （1）等厚度叶轮：加工方便，轴向尺寸小，但强度低，通常用于叶轮直径较小的高压部分；（2）锥形叶轮：加工方便，强度高；（3）等强度叶轮：无中心孔，强度最高，但加工要求高，多用于轮盘式焊接转子。6、叶片叶片分为动叶片（又称工作叶片，简称叶片）和静叶片（又称喷嘴叶片）。动叶片安装在转子叶轮（冲动式汽轮机）或转鼓（反动式汽轮机）上，接受喷嘴叶栅射出的高速汽流，把蒸汽的动能转换成机械能，使转子旋转。叶片由叶根、工作部分（或称叶身、叶型

46、部分）、连接件（围带或拉筋）组成。叶根：紧固动叶，使其在经受汽流的推力和旋转离心力作用下，不致于从轮缘沟槽里拔出来。常用的结构型式有：T型、叉型和枞树型等 。1）T型叶根：结构简单、加工方便、工作可靠为短叶片普遍采用。它的缺点是叶片的离心力对轮缘两侧截面产生弯矩，使轮缘有张开的趋势。故将叶根和轮缘上做成凸肩形。2）菌型叶根：叶根和轮缘的载荷分配比T型叶根合理，因而强度较高，但因加工复杂，其应用不如T型叶根广泛。T型和菌型叶根属于周向装配式叶根。这类叶根的轮缘槽上开有一个或两个缺口，叶片就从这些缺口一片片依次装入轮缘槽中。最后装在缺口处的叶片叫做封口叶片，研配装入后用两个铆钉固定在轮缘上。周向装

47、配式叶根的缺点是当个别叶片损坏时，不能单独拆换，而必须将部分或全部叶片拆下重装。3）叉型叶根：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。叉型叶根强度高、适应性好，被大功率汽轮机末几级广泛采用。叉型叶根加工方便，便于拆换，但装配时比较费工，且轮缘较厚，钻铆钉孔不便，所以整锻转子和焊接转子不宜采用。4）枞树型叶根：叶根沿轴向直接装入轮缘相应的枞树槽中。这种叶根承载能力强叶根齿数可根据离心力大小决定，同时拆装容易，故被大功率的调节级和末几级采用。但由于其加工面多，精度要求高，所以受到限制。叶型：叶型部分是叶片的基本部分，它构成汽流通道。叶顶部分：叶顶处将叶片连接成组

48、的围带和在叶型部分将叶片连接成组的拉筋（金）。汽轮机高压段的动叶片一般都装有围带，低压段多设有拉筋。围带主要有整体围带和外加围带两种，外加围带是一条35mm厚的扁平金属带，用叶片顶端的铆钉将围带铆接在叶片上，在叶片顶部形成一层盖板，通常420个叶片用1条围带连接起来，形成一个叶片组。整体围带和叶片的叶型部分、叶根部分是一个整体，是由同块钢材铣制出来，常用于高压缸。拉金一般是以612mm的金属丝或金属管，穿在叶身的拉金孔中。拉金与叶片之间可以是焊接的（焊接拉金），也可以是不焊接的（松拉金）。在一级叶片中，一般有12圈拉金，最多不超过3圈拉金。拉金处在汽流通道中间，将影响级内汽流流动，同时，拉金孔

49、削弱了叶片的强度，所以在满足振动和强度要求的情况下，有的长叶片可设计成自由叶片。围带或拉筋可增加叶片刚性,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 。有的围带还做出径向汽封和轴向汽封，以减少级间漏汽。 二、静子部分即汽轮机的静止部分，包括汽缸、前后支承轴承、推力轴承、喷嘴组、隔板、支撑与滑销系统、汽封系统和机座等。A、汽缸（机壳）汽缸的作用是支撑转子、容纳并通过蒸汽，将汽轮机通流部分（喷嘴、转子、隔板等）与大气隔开，保证蒸汽在机内完成其做功过程。根据所处位置不同可以分为高压缸、中压缸、低压缸。根据工艺不同，可以分为铸造缸和焊接缸。一般来说，发电机

50、组因设计参数比较固定，本体修改比较少，为了缩短加工周期和降低加工成本，一般采用铸造缸。而驱动机组因变化比较多，排缸一般设计成焊接排缸。还有一种就是因排汽压力比较高，为防止前后缸接缸处漏气，做成整体缸。汽缸上布置有进汽口、配汽机构、喷嘴箱、排汽口、疏水口、抽汽口、轴承箱、检查口、机脚、加强筋等，内部安装着隔板和隔板套、汽封等部件。要求有足够的强度和刚度、通流部分有较好的流动性能、各部分受热时能自由膨胀且中心不变、形状简单对称，还应尽量减小热应力。水平对分的上半缸和下半缸，通过法兰螺栓连接。沿轴向分为高、中、低压段，各段之间用法兰螺栓连接。高、中压缸：缸体承受蒸汽的高温、高压作用，热应力和热变形较

51、大，通常采用双层结构。每层汽缸承受的压差和温差减少，汽缸壁和法兰的厚度减薄，从而减小了启、停及工况变化时的热应力，加快了启、停速度，有利于改善机组变工况运行的适应性。低压缸：保证足够的刚度和良好的流动特性，尽量减小排汽损失。采用钢板焊接结构，并用加强筋加固；排汽室采用径向扩压结构，以充分利用排汽余速动能；低压缸进、出汽温差大，为使外壳温度分布均匀，可以采用双层甚至三层结构。进汽部分：高压缸的前端，即从调节阀到调节级喷嘴这段区域，是汽轮机的进汽部分，它包括蒸汽室和喷嘴室，是汽轮机中承受压力和温度最高的部分。B、支撑与滑销系统：目的是承受汽缸重力，并使汽缸在受热状况下的热膨胀有一定方向。汽缸的支承

52、方式一般有猫爪支承、台板支承和挠性板支承。台板支承通过排汽缸外伸的撑角直接放置在座架上。猫爪支承是汽缸通过水平剖分面法兰所伸出的猫爪支承在轴承座上，挠性板支承是用挠性板代替前轴承座和排汽缸两侧的座架滑动面。滑销系统是保证汽缸和转子中心一致，避免因热胀导致中心变化，引起机组振动或动静相擦；保证汽缸能自由膨胀，以免发生过大应力引起变形；使转子和静子部分轴向和径向间隙符合要求。由于构造、安装位置和作用的不同，可分为横销、纵销、立销、猫爪横销、角销、斜销等。凝汽式汽轮机的“死点”多布置在低压汽缸排汽口的中心线或其附近，由于冷凝器悬挂在后缸的下面，重量重、尺寸较大，当汽轮机受热膨胀时，不希望在热膨胀时冷

53、凝器发生移动，所以绝对死点在低压汽缸排汽口的中心线。C、喷嘴组和隔板：喷嘴作用如前所述，它是将蒸汽热能转化为动能的重要部件；隔板则使各组叶轮在单独的蒸汽室中运行，达到热能的充分利用。隔板用以固定汽轮机各级的静叶片和阻止级间漏汽，并将汽轮机通流部分分隔成若干个级。它可以直接安装在汽缸内壁的隔板槽中，也可以借助隔板套安装在汽缸上。隔板通常做成水平对分形式，其内圆孔处开有隔板汽封的安装槽。为了适应结构上的需要，冲动式汽轮机在汽缸上装有支承隔板的隔板套，将相邻几级隔板装在一个隔板套中，然后将隔板套装在汽缸上，上下隔板套之间采用螺栓连接，隔板套在汽缸内的支承和定位采用悬挂销和键的结构。隔板套通过其下半部

54、分两侧的悬挂销支承在下汽缸上，隔板套的上、下中心位置通过改变垫片的厚度来实现，其左右中心位置靠隔板套底部的平键或定位销来定位。为保证隔板套的热膨胀，它与汽缸凹槽之间一般留有mm的间隙，隔板在隔板套或汽缸内的支承和定位也是采用悬挂销和键支承定位结构。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。D、汽封装置：在汽缸两端、叶轮和隔板处，为避免动静部件碰撞而留有间隙。由于这些间隙前后压力差存在，主轴通过间隙处必然有漏气，从而降低机组运行的经济性并造成损失。汽封装置作用就是减少漏气，确保机组安全运行。轴端漏汽不但造成部分蒸汽热能的浪费，影响汽轮机经济性，还会

55、破坏润滑、造成油中带水、轴承润滑不良等后果。另外，汽缸后侧漏入空气，对排气温度和凝汽设备的真空建立也有一定危害。根据汽封在汽轮机中所处的工作部位的不同可分为：轴端汽封（简称轴封）、隔板汽封、通流部分汽封等。汽轮机的汽封装置有多种形式，最常用的是迷宫式汽封，（以梳齿形汽封和枞树形汽封两种应用最广泛），通过蒸汽的节流流动降低密封齿前后的流动压差和流速，从而减少漏气量，达到密封的目的。 轴端汽封：高压端的作用是减少蒸汽向外漏汽；低压端汽封的作用是防止空气漏入排汽缸破坏真空（冷凝机组）或者是防止蒸汽向外漏气（背压机组）。隔板汽封：减少级间漏气，维持隔板前后的压力差。通流部分汽封：减少叶片上部和下部漏气

56、。E、轴承按其所起的作用可分为支持轴承（又叫径向轴承）和推力轴承。径向支持轴承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，以保持转子旋转中心与汽缸中心一致，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。推力轴承则用来承受转子轴向力，限制转子轴向窜动，保持转子轴向位置。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。目前汽轮机和离心式压缩机绝大多数采用的是油润滑动压轴承，通过建立油膜压力承受载荷。支承轴承按轴瓦内孔形式可分为圆柱形轴承、椭圆形轴承、多油楔轴承和可倾瓦轴承等。工业汽轮机中常用的推力轴承有米切尔式推力轴承和金斯伯雷式推力轴承。第四讲 汽轮机的调

57、节及保安系统第一节 汽轮机的调节系统为了满足压缩机工况符合生产工艺的要求，使机组的转速维持在规定的范围内，并保证汽轮机组的安全运行，所以汽轮机上必须设置自动调节系统，由于汽轮机调节系统是以机组转速为调节对象，习惯上将汽轮机调节系统称为调速系统。一、调节系统的作用（任务）1、在汽轮机设定转速不变的情况下，无论轴端输出功率增大或减小，调节系统都能及时凋节汽轮机在给定的转速下运转。2、为了满足工艺系统的要求，当汽轮机的设定转速改变时，调速系统能及时调节汽轮机的转速跟踪设定转速在允许范围内变化。 二、调节系统自动调节的基本原理在进汽量和焓降不变时，汽轮机的负荷变化将引起机组的转速发生变化。要保证机组的转速恒定，就必须在汽轮机的负荷变化时相应地改变汽轮机的进汽量或焓降，而改变焓降是不经济的，所以只能通过改变蒸汽流