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3-1第三章汽机设备及其热力系统(一)汽轮机的基本工作原理1．1、汽轮机的分类及型号1．1．1汽轮机的分类汽轮机用途广泛，类型繁多，可以从不同角度将汽机进行分类。1）工作原理分：冲动式、反动式、冲动反动联合式等2）热力特性分：凝汽式（纯凝汽式和回热凝汽式）——排汽在高度真空状态下进入凝汽器凝结成水。背压式——排汽直接用于供热，没有凝汽器。调整抽汽式——从蒸汽某级后抽出一定压力的部分蒸汽对外供热，其余排汽仍进入凝汽器。抽出的供热蒸汽需进行调节，以适应用户的需要。抽汽背压式——具有调节抽汽的背压式汽轮机中间再热式——进入汽轮机的蒸汽膨胀到某一压力后，被全部抽出送往锅炉的再热器进行再热后，再返回汽轮机膨胀做功混压式——利用其它来源的蒸汽引入汽轮机相应的中间级。3）按蒸汽参数高低分：低压汽轮机（新蒸汽压力小于1.5Mpa）、中压（2~4MPa）、高压（6~10MPa）、超高压（12~14MPa）、亚临界压力（16~18MPa）、超临界压力（大于22.8MPa）4)按汽缸数目分：单缸、双缸、多缸5)按转子轴线数分：单轴、双轴6)按用途分：电站汽轮机、工业汽轮机、船用汽轮机、凝汽式供暖3-2汽轮机7)按功率分：大功率汽轮机——200MW以上的汽轮机小功率汽轮机8)按汽流方向分：轴流式、辐流式1．1．2国产汽轮机的型号国产汽轮机的表示方法是：△╳╳——╳╳——╳N—代表凝汽式B—背压式C—一次调节抽汽式CC—两次调节抽汽式CB—抽汽背压式H—船用式汽轮机类型变型设计次序蒸汽参数，Mpa、℃额定功率，MW3-3如：N300-16.7/537/537型汽轮机300—代表300MW的额定功率16.7—主蒸汽压力16.7Mpa537—主蒸汽温度537℃537—再热蒸汽温度537℃1．2汽轮机的作功原理汽轮机是一种把蒸汽的热能转换成机械能（机械功）的旋转机械。在汽轮机中一列喷嘴和一圈动叶组成基本单元——级。在一级中蒸汽的热能转变为机械能分两步完成：（1）在喷嘴中，蒸汽的热能转变为蒸汽汽流的动能；（2）在动叶流道中，蒸汽汽流的动能转变为机轴上的机械能。多级汽轮机就是有一定数量的喷嘴和动叶组成。1．3汽轮发电机的损失和效率内部损失——蒸汽在汽轮机通流部分做功时产生的能量损失。包括叶栅损失、扇形损失、余速损失、撞击损失、部分进汽损失、湿汽损失、叶轮摩擦损失、漏汽损失。外部损失——包括进、排汽机构的节流损失，前后端轴封漏汽损失及功率传递过程中克服轴承摩擦及带动主油泵、调速器等的功率消耗的机械损失等。发电机损失——发电机在将机械能转换成电能过程中产生的机械损失和电气损失。冷源热损失——凝汽器内冷却水带走的热量。3-4这些损失中，以冷源热损失比例最大。(二)汽轮机本体设备汽轮机主要由静止部分和转动部分组成。静止部分有喷嘴、隔板、汽缸、轴封和轴承座等部件。转动部分有动叶片、叶轮、主轴和联轴节等部件。2．1汽缸的结构汽缸是汽轮机的外壳，它的作用是将汽轮机通流部分与大气隔开，形成封闭的汽室，使蒸汽能在其中流动做功。汽缸大体呈圆筒形或近似圆锥形，它一般做成水平对分式，即分为上、下汽缸。汽缸内部装有喷嘴室、隔板，隔板套等，外部连接进汽管、抽汽管、排汽管。小容量机组一般为单缸，大容量机组一般为双缸或多缸，即高压缸、中压缸和低压缸。2．1．1高压缸大功率汽轮机高压缸的工作特点是缸内承受的压力和温度都很高，一般采用双层缸的结构。（1）高压内缸高压内缸由其下缸中分面处四个猫爪搭在外缸下半中分面的凹槽中，每个猫爪的上下两面各有一块调整垫片，在安装中配准猫爪下的垫片，使内缸中心轴线与外缸中心轴线的同轴。配准猫爪上部垫片，使猫爪与外缸上半之间有热胀间隙。内缸前后两端上、下各装一个导向键，当汽缸温度变化时，使内外缸保持同心。3-5(2)高压外缸高压外缸固定和支承了高压内缸、隔板套、汽封套等高压部分静止部件，构成蒸汽导入和排出腔室。外缸的支承方式一般采用猫爪结构。所谓猫爪就是从下（或上）汽缸两侧水平法兰向前延伸出两个爪子（或前后伸出四个爪子），搭在轴承箱上，轴承箱坐落在基础台板上。在猫爪的下部装有横销，以保持汽缸与轴承箱轴向距离一定，同时不妨碍汽缸的横向热膨胀。汽缸猫爪的形式有上猫爪支承和下猫爪支承两种。上猫爪支承是汽轮机正常工作时由上缸伸出的猫爪来支承，称为工作猫爪，下汽缸由水平法兰螺栓拧紧在上汽缸上。所谓下猫爪支承方式，是用下猫爪支承整个缸体的重量，采用下猫爪倒挂的支承方式对于检修与安装工作较为方便，同时汽缸中分面连接螺栓的受力状态和汽缸的密封性都较好。(3)高压进汽管由于高压缸采用了双层缸结构，所以高压进汽管既不能同时固定在内缸和外缸上，又不能让大量高温高压蒸汽外泄，因此采用了滑动密封式的联接结构。一般高压汽缸设置有4（或6）个进汽管，上下缸各2（或3）个，分别通过弹性法兰固定在外缸上。因外缸材料的要求，进汽管法兰处的温度不允许太高，因此采用双层套管式结构。内套管插入内缸喷嘴室内，用活塞环密封，内套管可在喷嘴室内滑动，以补偿内外缸热膨胀和进汽管与外缸的胀差，并允许有少许轴向及径向移动。3-62．1．2中压缸大容量中间再热机组中压缸的运行参数，压力不是很高，但温度一般与初参数相同。从回热系统的设计考虑，中压缸一般为单层缸隔板套结构，隔板套之间即为回热抽汽口。缸体也是猫爪支承结构，下缸前后设有立销，使汽缸中心线与两个轴承箱中心线保持一致。2．1．3高中压汽缸结构采用高中压合缸布置，高压高温蒸汽由汽缸中部进入（如引进型300MW汽轮机），在调节级为正向流动，然后汽流折向180度，进入高压内缸做功，汽流呈反向流动。这种布置的优点是高温部分集中在汽缸中部，加之双层缸结构，汽缸热应力较小。高中压缸的两端分别是高、中压缸排汽，压力温度较低，因而两端外轴封漏汽较少，轴承受汽封温度的影响较小。加之有平衡活塞，轴向推力也较易平衡。推力轴承负荷减小，推力轴承的尺寸减小，有利于轴承座的布置。另外高中压合缸还可缩短主轴长度，减少轴承数。高中压双层结构，可将巨大的压差分摊给内外两层缸，从而使每层汽缸的壁厚和法兰尺寸大为减小。在正常运行时，内外缸之间有蒸汽流动，使外缸得到冷却。在启动过程中，内外缸夹层间的蒸汽可使汽缸迅速加热。有利于缩短启动时间。双层缸内外缸的应力比单层缸小得多。高中压内外缸均由上下缸组成，具有法兰中分面。高中压内缸用挂耳支承在外下缸上，外下缸用猫爪支承在前轴承座和低压缸前端轴承上。猫爪支承面与汽缸中分面标高相同，保证了汽缸热膨胀时不致破坏汽缸与转子的相对中心位置。在外缸下部用工字梁结构与两端轴承3-7座联接，保证机组运行中热膨胀时，轴向中心位置不变。2．1．4低压缸低压缸为单缸双流式结构，一般采用焊接式双层钢结构（有些采用三层汽缸组成），轴承座设在低压外缸上，外形尺寸比较大。（1）低压内缸低压内缸为焊接结构，沿水平中分面将内缸分为上、下两半，内缸下半水平总分面法兰四角上各有一个猫爪搭在缸上，支撑整个内缸和所有隔板的重量。水平法兰中部对应进汽中心处有立键，作为内缸的相对死点，使汽缸轴向定位而允许横向自由膨胀，内缸下半两端底部有纵向键，沿纵向中心线轴向放置，使汽缸横向定位而允许轴向自由膨胀。内缸两端装有导流环，与外缸组成扩压段以减少排汽损失。三缸结构的低压内缸，#1内汽缸用机脚支承在#2内汽缸上，#2内汽缸以机脚支承在外下汽缸上。外下汽缸四周支承座与板式台板连接，安装在基础平台上。（2）低压外缸低压外缸采用焊接结构，其外形尺寸较大，为便于运输在轴向分为三段，用垂直法兰螺栓连接，上半顶部进汽部分由带螺纹的波形管作为低压进汽管与内缸进汽口联接，以补偿内外缸胀差和保证密封，顶部两端装有大气伐，作为真空系统的安全保护措施，当缸内压力升高到一定值时，大气伐中1毫米厚的石棉橡胶板破裂，使蒸汽排空，以保护低压叶片的安全。下缸坐在四周均布的支承台板上，承受整个低压部分的重量和运行时凝汽器中水的重量，凝汽器用弹簧支承在基础3-8上，喉部与排汽口采用刚性连接。低压缸前后部分与机架间装有纵向键，中部左右两侧基架上设有横销。作为整个低压部分的死点，整个低压缸可在基架平面上以死点为中心向各个方向自由膨胀。（3）低压缸蒸汽流程中压缸排汽经连通管进入低压缸中部，蒸汽双向分流做功后排入凝汽器。在汽缸两端排汽口的导流环上，装有环状喷水降温系统，以防止在起动或低负荷时，因转子鼓风而造成排汽缸温升过高。2．2汽轮机滑销系统汽轮机是在高温高压条件下工作的，受热膨胀和冷却收缩数值变化较大。加上高、中、低压缸分段布置，温差较大。为了保持汽缸自由膨胀、收缩过程中汽缸中心与转子中心不产生偏移，在汽缸与台板，轴承座与台板，汽缸与汽缸，汽缸与前轴承箱处设置有各种形式的销子，构成汽轮机滑销系统。滑销大致可分纵销、立销、横销、斜销四种。猫爪横销属于横销，角销属于纵销。滑销系统的作用，是保证汽缸受热变化时，有规则地进行膨胀和收缩，使汽机转子和汽缸沿中心线膨胀和收缩，保持中心线不变。纵销中心线与横销中心线的交点称为“绝对死点”，汽缸膨胀时，这点始终保持不动。2．3隔板和汽封结构2．3．1隔板结构隔板为汽缸内静止部套。隔板上镶有静叶片，在蒸汽经过静叶片时3-9蒸汽压力下降而流速加快，进而推动动叶片带动转子做功。隔板呈圆盘形，由上下两个半圆组成。隔板大致可分为轮缘、喷嘴、本体等部分。由于结构及制造上的原因，大容量机组的隔板极少直接装在汽缸里，而是按照机组回热抽汽口的布置，将数级隔板装在隔板套中，再将隔板套固定在汽缸里。两个隔板套通常是机组回热抽汽口所在的位置。隔板套同样也是两半，上下隔板套结合面具有法兰，用螺栓和销钉连接。2．3．2汽封结构汽轮机是在高温高压条件下高速运转的机械，静止部件与转动部件之间必须有一定的轴向和径向间隙，以免动静之间摩擦。既有间隙，就有可能漏汽。按用途汽封分轴端汽封和通流部分汽封两大类。2．4转子的结构汽轮机的转动部分总称转子，是汽轮机最重要的部件之一，它由大轴、叶轮、叶片及其它部件组成。高速旋转的转子承受很大的离心力，并传递作用在动叶上蒸汽产生的扭矩。（1）转子结构型式现代汽轮机采用的转子型式主要由套装转子、整锻转子和焊接转子三种。有时也采用结合两种形式的组合转子。套装转子的主轴一般加工成阶梯形，叶轮最常用红套或其他方式套装在主轴上。套装转子多使用于中低压参数的冲动式汽轮机。整锻转子的叶轮、主轴及其它主要部件是在一整体锻件上加工成的。整锻转子常用作大型汽轮机的3-10高、中压转子。焊接转子由几只鼓形轮和两个端轴焊接组成。（2）叶片动叶片是使蒸汽的热能转换成机械能的重要部件，要求叶片具有足够的强度和良好的振动特性以保证叶片的安全运行，又要有良好的型线以达到较高的效率。叶根需要承受交变应力和离心应力两种的作用，叶根与轮槽结构是否适当对叶片的安全运行起着重要作用。根据叶片受力的大小，采用不同形式的叶根，现在常用的叶根结构型式有T型、外包T型、双T型、叉型和枞属性。叶顶部分的结构有三种：有铆钉头的、复环与叶片一体的和叶顶削薄的。（3）联轴器汽轮发电机组的轴借助联轴器彼此相连，用以传递扭矩，而在几个转子合用一个推力轴承的多缸汽轮机中还传递轴向力。汽轮发电机组常用下列几种联轴器：刚性联轴器、半挠性联轴器及挠性联轴器。刚性联轴器按制造方法分为整锻的和套装的两种；按结构方式分平面的和止口的两种。有止口的刚性联轴器，两半联轴器借助对心止口相互对准中心。为了保持质量平衡，对称配制的螺栓及其全部零件的重量都应当相等。没有止口的平面刚性联轴器的连接螺栓须与两半联轴一起配准，两半联轴器的孔在现场安装时找好中心后一起用铰刀加工。联轴器之间加入精加工垫片，垫片厚度根据通流间隙确定。刚性3-11联轴器的缺点是对联轴的同心度要求严格。2．5支持轴承与推力轴承汽轮机轴承是汽轮机的重要部件之一，按其用途可分两种：支承旋转时维持转子径向位置的支持轴承；另一种是承受转子轴向推力并控制其轴向位置的推力轴承。他们工作的好坏直接影响到汽轮机组的安全运行。2．5．1支持轴承的结构汽轮机轴承可分为轴承座和轴瓦两部分。轴承座一般是用铸铁铸成，大型汽轮机的轴承座是钢板焊接结