汽轮机基础知识

第十章蒸汽轮机基础知识第一节概述一、概述汽轮机是用蒸汽做功的一种旋转式热力原动机，它的优点是功率大、效率高、结构简单、易损件少，运行安全可靠，调速方便、振动小、噪音小、防爆等，在炼油厂还可以充分利用炼油过程的余热生产蒸汽作为机泵的动力，这样可以综合利用热能。正因为这些优点，蒸汽轮机在炼油厂得到了广泛的应用。二、汽轮机的种类蒸汽轮机的种类繁多，根据其工作原理、性能、结构特点等，可按如下几方面进行分类。分类名称说明按工作原理分冲动式汽轮机蒸汽主要在喷嘴叶栅内膨胀反动式汽轮机蒸汽在静叶栅与动叶栅内膨胀按所具的级数分单级汽轮机通流部分只有一个级多级汽轮机通流部分有两个以上的级按蒸汽在汽轮机内流动的方向分轴流式汽轮机蒸汽流动方向与轴平行辐流式汽轮机蒸汽流动方向与轴垂直周流式汽轮机蒸汽流动方向沿圆周流动按汽轮机热力系统特征分类凝汽式汽轮机排汽压力低于大气压力抽汽背压式汽轮机排汽压力高于大气压力，中间有抽汽背压式汽轮机排汽压力高于大气压力按用途分电站汽轮机用于发电工业汽轮机用于带动泵、压缩机泵船用汽轮机作为船舶的动力装置按汽轮机进汽压力分低压汽轮机1.2~1.5MPa中压汽轮机2~4MPa次高压汽轮机5~6MPa高压汽轮机6~12MPa超高压汽轮机12~14MPa按转速分低速汽轮机n＜3000转/分中速汽轮机n＝3000转/分高速汽轮机n＞3000转/分第二节汽轮机的工作原理汽轮机的主要元件是由喷嘴（也称静叶）与动叶（也称叶片）两个部件组成。喷嘴固定在机壳或隔板上，动叶固定在轮盘上。蒸汽通过喷嘴时，压力下降，体积膨胀形成高速汽流，推动叶轮旋转而作功。如果蒸汽在叶片中压力不再降低，也就是蒸汽在叶片通道中的流速（即相对速度）不变化，只是依靠汽流对叶片的冲击力量而推动转子转动，这类汽轮机称为冲动式，也称压力级，在工业中应用广泛。如果蒸汽在叶片中继续膨胀（简称相对速度）比进口时要大，这种汽轮机的作功不仅由于蒸汽对叶片的冲击力，而且还有由于蒸汽相对速度的变化而产生的巨大的反作用力，因此这类汽轮机称为反动式汽轮机，在炼厂中应用较少。只有一列喷嘴和一列动叶片组成的汽轮机叫单级汽轮机。由几个单级串联起来叫多级汽轮机。由于高压蒸汽一次降压后汽流速度极高，因而叶轮转速极高，将超过目前材料允许的强度。因此采用压力分级法，每次在喷嘴中压力降都不大，因而汽流速度也不高，高压蒸汽经多级叶轮后能量既充分得到利用而叶轮转速也不超过材料强度许可范围。这就是采用多级汽轮机的原因。如果由于蒸汽离开每一级叶片的流速仍高，为了充分利用汽流的动能，可用导向叶片将汽流引入第二排叶片中（每一个叶轮可安装二排叶片）进一步推动转轴做功，这称为速度分级，简称速度级（又称复速级）。速度级常用于小型汽轮机，或汽轮机的第一级。第三节汽轮机结构汽轮机包括汽轮机本体、调节保安装置及辅助设备三大部分。一、蒸汽轮机本体蒸汽轮机本体包括：静体（固定部分）--汽缸、喷嘴、隔板、汽封等；转子（转动部分）--轴、叶轮、叶片等；轴承（支承部分）--径向轴承和止推轴承。1、汽缸汽缸本身是水平剖分为上下部分，上下缸又各分有前后缸。前缸因温度高用铸钢制造，后缸温度低用铸铁制造。汽轮机组在起动或停机、增减负荷时，缸体温度均会上升或下降，会产生热胀和冷缩现象。由于温差变化，热膨胀幅度可由几毫米至十几毫米。但与汽缸连接的台板温度变化很小，为保证汽缸与转子的相对位置，在汽缸作为台板间装有适当间隙的滑销系统，其作用是：a、保证汽缸和转子的中心一致，避免因机体膨胀造成中心变化，引起机组振动或动、静之间的摩擦；b、保证汽缸能自由膨胀，以免发生过大应力而引起变形；c、使静子和转子轴向与径向间隙符合要求。根据滑销的构造，安装位置和不同的作用，滑销可分为：a、横销(图5-7-1)：其作用是允许汽缸在横向能自由膨胀，一般装在低压缸排气室的横向中心线上或排气室的尾部，左、右各装一个。图5-7-1纵横销b、纵销(图5-7-2)：其作用是允许汽缸沿纵向中心能自由膨胀，限制汽缸纵向中心的横向移动。纵销中心线与横销中心线的交点称为“死点”汽缸膨胀时这点始终保持不动。纵销安装在后轴承座、前轴承座的底部。c、立销(图5-7-2)：其作用是保证汽缸在垂直方向能自由膨胀，并与纵销共同保持机组的纵向中心不变。立销安装在低压汽缸排气室尾部与台板之间、高压汽缸的前端与前轴承座之间以及双缸汽轮机的低压汽缸前端和高压汽缸端与中心轴承座之间。所有的立销均在机组的纵向中心线上。图5-7-2立销d、猫爪横销(图5-7-3)：其作用是保证汽缸能横向膨胀，同时随着汽缸在轴向的膨胀和收缩，推动轴承座向前或向后移动，以保持转子与汽缸的轴向相对位置。猫爪横销安装在前轴承座及双气缸汽轮机中间轴承座的水平结合面上。猫爪横销和立销共同保持汽缸的中心和轴承座的中心一致。图5-7-3猫爪横销e、角销(图5-7-4)：装在前部轴承座及双缸汽轮机中间轴承座底部的左右两侧，以代替连接轴承座与台板的螺栓，但允许轴承座纵向移动。图5-7-4角销f、斜销(图5-7-5)：它是一种辅助滑销，起纵销和横销的双重导向作用。装在排汽室前部左右两侧撑脚与台板之间。图5-7-5斜销前轴承箱座落在前座架上，前座架由地脚螺栓固定在基础上，前轴承箱与前座架之间有纵向键导向允许前轴承箱沿前座架沿纵向滑动。前汽缸靠猫爪与紧固在前轴承箱上的滑块连接，前汽缸与前轴承箱之间有垂直键定位保证两者纵向中心一致。后汽缸座落在后座架上，后座架由地脚螺栓固定在基础上，后汽缸导板保证后汽缸与纵向中心一致。就每台汽轮机的滑销系统而言，都有一个点，不管汽轮机的汽缸怎么前后左右膨胀，这个点的相对位置都不变，这个点叫汽缸膨胀的死点。为保证汽缸能向前、后、左、右自由膨胀，为此各滑销与其槽的配合上，要求有一定的间隙，并且在精密加工之后，由钳工精心配制，滑动面要求光洁，无锈斑及毛刺，滑销系统发生故障，会妨碍机组的正常膨胀，严重时会引起机组的振动，甚至使机组无法正常运行。2、喷嘴组和隔板在冲动式汽轮机中，蒸汽热能转变为动能的过程是在喷嘴中发生的。蒸汽流过变截面的喷嘴汽道后之后，体积膨胀，压力降低，流速增加，然后按一定的喷射角度进入动叶片中做功。汽轮机汽缸中的隔板是由隔板外缘、喷嘴、隔板体构成的圆形板状组合件，汽缸内的一级隔板与其后的一级叶轮组成一个压力级。隔板分为上下两个半圆，在中分面上有定位键，以保证上下隔板组成一体。在汽轮机中，通常将装在调节汽室上的喷嘴组合体简称为喷嘴组，它是由喷嘴组外缘、喷嘴及喷嘴组内缘所组成。汽轮机隔板按制造方法来分，可分为铸造隔板、焊接隔板、组合隔板三种。3、汽封汽轮机高压端轴封称为高压轴封，在单缸汽轮机中又称为前轴封。低压端轴封称为低压轴封，在单缸汽轮机中又称为后轴封。装在隔板汽封槽中的汽封称为隔板汽封。另外装在隔板上与围带配合防止漏汽的又称为围带汽封。不论是轴封还是隔板汽封、围带汽封，其构造及外形均大同小异，阻汽原理一致，统称为汽封。（1）汽封的作用汽轮机汽缸两端轴孔处与转轴间有一定间隙，这样在工作时，汽缸内进汽端将发生高压蒸汽大量泄露。再看排汽端，一般凝汽式汽轮机的排汽压力在0.02公斤/厘米2(绝对)左右,即排汽端处于高真空状态,大气中的空气将沿后轴孔大量漏入排汽管和凝汽器，就会破坏汽轮机的真空。因此，为了减少高压端的向外漏汽和排汽端往里漏空气，要求在汽缸两端轴孔处配备汽封装置（又称轴封）。（2）汽封的结构目前广泛采用的是高低齿型的梳齿结构，如图5-7-6所示轴封片直接在轴封环上车出，或将轴封片压紧在轴封环的槽道里，轴封环一般由四个或六个弧段组成。齿尖最薄处厚度为0.1毫米。有弹簧片压住轴封环，使其紧贴隔板或汽封体，弹簧片的作用是箍紧轴封环，当轴封片与主轴相碰时，可自动退让，防止轴封受损。当压差较小时，可以不用高低齿，而用平齿。为了减少漏汽，要求轴封间隙尽量小，但为了保证机组的安全运行，要求轴封不发生碰擦现象，所以轴封间隙有一定的要求。1-弹簧片2-轴封套3-轴封环4-轴图5-7-6高低齿型轴封除了汽轮机两端有轴封外，每一级隔板轴孔也需要安装汽封片，以减少级间漏汽。隔板汽封的结构与轴端汽封相同，只是压差较小，所需要汽封片数目较少而已。此外，有的汽轮机叶片上也设有汽封装置。（3）汽封环和汽封片的材料高温工作区汽封环用铬不锈钢1Cr13，或铬钼钒不锈钢1Cr11MoV，汽封片用铬镍钛不锈钢1Cr18Ni9Ti。低温工作区汽封环用锡青铜，汽封片用铅黄铜。（4）端部轴封系统为了确保汽轮机的安全工作，合理地利用端部轴封的漏汽，提高汽轮机的经济性。汽轮机端部轴封都有一套专门的轴封管路系统。高压端虽装有轴封，但仍不能避免蒸汽经过轴封向外漏，为了尽量减少这一损失，把高压端轴封分成若干段，每端之间留一定的空室，将这些空间的漏汽合理地引至不同的地方加以利用，以提高汽轮机的经济性。小型汽轮机的高压漏汽经管道可引至低压端轴封内作为密封用汽，其余少量漏汽再经几道轴封片，由信号管排至大气。运行人员可通过观察信号管的冒汽情况来判断端部轴封工作的好坏。低压端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。这部分蒸汽是由高压端轴封引来的，在轴封室中一部分经部分轴封片后流如低压汽缸中，另一部分则沿轴封间隙外流，最后经信号管排至大气。汽轮机正常工作时，高压端轴封漏汽除引入低压端轴封外，多余的部分可以经管道引入凝汽器。汽轮机起动和停机时，高压端轴封没有蒸汽，则应引用经过节流降压的新蒸汽同时送入高、低压端轴封中去。4、转子汽轮机所有转动部件的组合体称为转子。它主要包括：主轴、叶轮、叶片等部件(图5-7-7)。1、危急遮断器孔2、轴位移凸肩3、推力盘4、前径向轴承5、前汽封6、内汽封7、调节级8、转鼓段9、低压段10、后汽封11、后径向轴承挡12、盘车棘轮13、盘车油轮14、联轴器挡15、后端平衡面16、主平衡面17、前端平衡面图5-7-7汽轮机转子图汽轮机转子除了受高温高压蒸汽的作用外，更主要的是由于它在高速下工作，受离心力的作用，还必须考虑振动的问题。我国国产机组主要采用的转子形式：（1）套装式转子；（2）整锻式转子；（3）组合转子；（4）焊接式转子。国产中小型、中等参数以下的机组的转子都采用套装式结构。套装式叶轮在套装前叶轮内孔应比轴径小0.05～0.15%，套装时将叶轮内孔周缘加热，直至叶轮内孔比轴径大0.10～0.20毫米，或控制红套温度250～270℃，将叶轮红套在轴上，待叶轮冷却后内孔对轴就产生了很大的压紧力，保证叶轮高速旋转时的安全可靠。套装式叶轮的优点是加工制造方便，但是它在高温条件下工作时，叶轮与主轴之间容易发生松动，所以高温机组的转子常用整锻式结构。1、叶轮的结构叶轮的结构分为三个部分：①轮缘部分是安装叶片的部分，具有与叶根结构相配合的形状。②轮毂部分通过它叶轮红套在轴上。③轮体部分是把轮缘与轮毂联成一体的中间部分。由于速度很高，它的受力与变形主要取决于叶轮本身旋转时产生的离心力，以等强度的型式为好，但是制造困难。一般常用锥形。材料低压时用４５钢，中压用35CrMoA或34CrMoA.一般轮体上还钻有七个平衡孔，这是为了减少叶轮前后压差所造成的作用在转子上的轴向推力。2、叶片的结构与固定叶片由叶根、工作部分和顶部组成。叶根用来将叶片固定在叶轮上，叶根与叶轮的连接应牢固可靠，而且要保证叶片在任何运行条件下都不会松动，同时叶根的结构应在满足强度的条件下尽量简单，使制造、安装方便，并使叶轮缘的轴向尺寸为最小。常用的叶根有：T型、菌型叶根、叉形叶根、枞树型叶根。工作部分蒸汽从这里通过，将动能转化为机械功，工作部分是叶片的主要部分。叶片的凹入部分称为叶面，凸出部分称为叶背，一般汽轮机的叶片型线沿叶高是相同的，当叶高很长时，而叶高与直径之比大于１／１０时，则用扭曲叶片。叶顶一般做成铆钉状，上面有套装围带，它加强了叶片强度又减少了漏汽。围带有以下几种形式：①铆接围带：围带由扁钢制成，然后用铆接法固定在叶片的顶部。②整体围带：围带与叶片同为一整体，在加工叶片时一起铣出，待叶片组装后，再将围带焊在一起。③弹性拱型围带：它