汽轮机原理第六章

汽轮机原理第六章当前1页，总共70页。第一节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，中压缸，低压缸。当前2页，总共70页。（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6－1,6－2，6－3所示。

采用双层缸，如图6－2,6－3所示。当前3页，总共70页。4.300MW汽轮机汽缸简介图6－2优化引进型300MW机组汽轮机高中压内外缸蒸汽冷却（加热）系统结构当前4页，总共70页。图6－3优化引进型300MW机组汽轮机高中压缸纵剖面图当前5页，总共70页。（3）低压缸采用三层缸，如图6－4所示。图6－4优化引进型300MW机组汽轮机低压缸纵剖面图当前6页，总共70页。

附：图6－3,6－4标注。当前7页，总共70页。5.300MW汽轮机进汽部分如图6－5所示。图6－5喷嘴室横断面图图6－6喷嘴组－蒸汽室－调节阀布置当前8页，总共70页。

附：国产600MW汽轮机汽缸结构图6-7高中压内下缸外形图当前9页，总共70页。图6-8高中压内上缸外形图当前10页，总共70页。图6-9高中压外下缸当前11页，总共70页。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。当前12页，总共70页。（4）国产优化引进型300MW汽轮机滑销系统如图6－10所示。图6－10300MW汽轮机滑销系统当前13页，总共70页。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6－11，6－12所示。其作用是：固定喷嘴；分隔汽室。图6－11隔板结构示意图（1）组成与作用当前14页，总共70页。图6-12600MW汽轮机第9、10、11级隔板结构图当前15页，总共70页。（2）种类

①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6－13所示。当前16页，总共70页。

特点：具有较高的强度和刚度，适用于高于350℃的高中压级隔板。

②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6－14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。当前17页，总共70页。2.隔板套（1）优缺点优点：便于拆装；有利于抽汽口的布置；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6－15所示。隔板固定在隔板套中，隔板套再固定在汽缸上。当前18页，总共70页。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—顶开螺钉当前19页，总共70页。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6－16,6-17所示。当前20页，总共70页。当前21页，总共70页。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6－18，6－19所示。当前22页，总共70页。

（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。

2.种类

（1）圆筒形轴承

如图6－20所示。当前23页，总共70页。

（2）椭圆形轴承

如图6－21所示。

（3）三油楔轴承

如图6－22所示。

（4）可倾瓦轴承

如图6－23所示。当前24页，总共70页。

（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。

2.结构及工作原理

如图6－24,6－25所示。当前25页，总共70页。第二节汽轮机转动部分结构一、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①轮式转子

有叶轮，用于冲动式汽轮机。

②鼓式转子

无叶轮，用于反动式汽轮机。当前26页，总共70页。（2）按主轴与其他部件间的组合方式，轮式转子又分为：

①套装转子

叶轮等部件加工好后“红套”在主轴上，

如图6－26所示。

优缺点：（简述）

适用场合：常用于低压转子。

当前27页，总共70页。②整锻转子

将叶轮等部件与主轴一起锻造加工而成。

如图6－27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。

当前28页，总共70页。③焊接转子

由若干个叶轮和两个端轴拼焊而成。

如图6－28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。

当前29页，总共70页。④组合转子

由整锻转子和套装转子组合而成。

如图6－29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。当前30页，总共70页。二、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6－30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6－31所示。当前31页，总共70页。当前32页，总共70页。1.叶片的结构与分类叶片的结构示意图如图6－32所示。叶片分为三部分：叶型部分、叶根、叶顶

三、动叶片图6-32汽轮机叶片结构图当前33页，总共70页。（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6－33所示。

说明各叶根的结构特点及适用场合。当前34页，总共70页。（3）叶顶

汽流通道的上表面，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。

①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6－34所示。当前35页，总共70页。6－34常见围带结构形式

(a)整体围带(b)铆接围带

(c)拱形围带②拉金

作用：调整叶片的自振频率，增强叶片振动阻尼。

拉金置于动叶流道内，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。

当前36页，总共70页。

图6－35拉金连接方式

(a)成组连接(b)网状连接

(c)整圈连接(d)Z形连接

结构及连接：拉金为6~12mm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6－35所示。

当前37页，总共70页。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6－36，6－37所示。

电厂汽轮机广泛采用刚性联轴器。

当前38页，总共70页。当前39页，总共70页。五、盘车装置1.盘车装置的作用2.盘车装置的分类

（1）按驱动力来源

电动盘车和液动盘车。

（2）按盘车转速

高速盘车和低速盘车。（1）防止转子受热不均产生热弯曲。

（2）机组启动前盘动转子，可用来检查机组是否具备启动条件。

如：动静部分是否摩擦，主轴弯曲值是否正常，润滑油系统工作是否正常等。

（3）减少汽轮机启动时的冲转力矩。当前40页，总共70页。3.盘车装置的工作原理（1）具有螺旋轴的盘车装置

如图6－38所示。当前41页，总共70页。（2）具有具有链轮－蜗轮蜗杆的盘车装置

如图6－38所示。图6-38盘车装置及其齿轮传动（a）装置结构图；（b）齿轮传动图1—摆动板；2—盘车齿轮与轴；3—主齿轮轴；4—从动链轮；5—连杆；6—齿轮链；7—主动链轮；8—操纵杆；9—手柄；10—操纵杆；11—蜗轮；12—蜗杆；13—滤油网框架当前42页，总共70页。第三节叶片振动一、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当前43页，总共70页。二、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）上下两隔板结合面处（错位）汽流异常。

（5）喷嘴带有加强筋。

如图3－39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。当前44页，总共70页。当前45页，总共70页。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6－40。

激振力频率计算：全周进汽：部分进汽：式中z—喷管数；

e-级的部分进汽度当前46页，总共70页。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平衡位置，可分为三、叶片振动的基本型式1.单个叶片的振动（1）弯曲振动①切向振动当前47页，总共70页。1）A振动

叶根固定，叶顶自由，如图6－41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6－41所示。按叶片全长节点数又可分为当前48页，总共70页。②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。

当前49页，总共70页。（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6－42,6－43所示。

图6－42叶片组切向Ａ型振动

图6－43叶片组的切向Ｂ０型振动（a）第一类对称Ｂ０型振动（b）第二类对称Ｂ０型振动当前50页，总共70页。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）当前51页，总共70页。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。当前52页，总共70页。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。当前53页，总共70页。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6－44.

图6－44叶根牢固性修正系数当前54页，总共70页。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6－45离心力对叶片的影响当前55页，总共70页。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。当前56页，总共70页。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。当前57页，总共70页。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；（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；当前58页，总共70页。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。

当前59页，总共70页。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。

当前60页，总共70页。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静弯曲应力。

则当前61页，总共70页。

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6－46所示。当前62页，总共70页。图6－46A0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值是叶当前63页，总共70页。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，其安全条件为当前64页，总共70页。6.调频叶片的安全准则

调频叶片应满足调频指标，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