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汽轮机培训讲义第一章概述汽轮机又叫蒸汽透平，它是以水蒸汽为工质，转子按一定方向作旋转运动的连续工作的原动机。广泛地应用于发电、船舰、冶金、石油、化工等工业部门，已有一百多年的历史。工业汽轮机是指除去中心电站、中心热电站及船舰用汽轮机以外的其它有关行业中使用的汽轮机都统称为工业汽轮机。三十年代冶金工业加速了工业汽轮机的发展，尤其是六十年代初期高压离心式压缩机用于合成氨、乙烯生产，使工业汽轮机获得极其广泛地使用。为什么汽轮机在国内外、在许多工业部门获得非常广泛的应用呢？主要因为汽轮机具有以下几个优点：1.功率范围大：由几千瓦的小汽轮机到110万千瓦的大型汽轮机都可以生产，供给各工业部门选用。2.效率较高：在所有的原动机中，汽轮机装置的效率仅比柴油机稍低，而比燃气轮机、蒸汽机的效率高许多，使用汽轮机可使产品成本降低。3.汽轮机的转速易于调节，变转速运行的灵敏性及稳定性使工业生产的实际要求获得满意地实现，自动化控制十分方便；4.汽轮机的防爆、防潮性比电动机好，可以露天运行，在化工等防爆要求严格的场所使用汽轮机，安全性好。5.汽轮机起动几乎不用电，减少对电网供电的依赖性，使运行费用降低。6.汽轮机在高转速下效率更高，因此用它来驱动在高速运转的离心式压缩机、泵等，这样机组运行时经济性好。7.便于实现热能的综合利用，这是最主要的优点。第二章汽轮机的分类1.按热力过程分类：1）凝汽式汽轮机：纯凝汽式汽轮机一般简称为凝汽式汽轮机，如图所示，蒸汽在汽轮机中做功后，全部排入凝汽器，凝汽器的压力低于大气压力。即排汽压力小于大气压力。2）抽汽凝汽式汽轮机：如图所示，蒸汽在汽轮机前面几级做功后，将其中一部分蒸汽从气轮机中抽出去，送入相应的蒸汽管网供汽轮机或其它生产工艺加热用，其余的蒸汽在汽轮机的后几级做功后排入凝汽器。3）背压式汽轮机如图所示，蒸汽进入汽轮机膨胀作功后在大于一个大气压力下排出气缸，即P排＞P大气，其排出气送入相应的蒸汽管阀。4）多压式汽轮机若工艺过程中有某一个压力的蒸汽用不完时，就把这股多余的蒸汽用管路注入汽轮机中的某个中间级内，与原来的蒸汽一起工作，这样就可以从多余的蒸汽中获得能量，得到一部分有用功，作为蒸汽热量的综合利用，称为注入式汽轮机。另外，汽轮机按工作原理可分为冲动式、反动式、冲动与反动组合式汽轮机；按结构可单级汽轮机、多级汽轮机和速度级汽轮机。第三章汽轮机的工作原理一、冲动式汽轮机：冲动式汽轮机的最简单结构，叶轮上配装一圈动叶片与叶轮喷嘴配合在一起，构成一个作功的简单机械。喷嘴又名静叶片，它是一个截面形状特殊且不断变化的通道。由锅炉或其它蒸汽发生器中所产生的蒸汽，进入喷嘴后蒸汽发生膨胀，消耗了蒸汽的压力能。即消耗了蒸汽的热能，蒸汽的压力与温度都下降了，而蒸汽的流速却增加了，获得了高速汽流。喷嘴的作用就是将蒸汽的热能转换成动能。动叶片又称工作叶片，在叶片的外圆周上装满的一整圈叶片，常叫动叶栅。由喷嘴流出的高速汽流流过叶片时，其速度的大小及方向是一定的，汽流由于受到动叶片的阻碍（作用力），改变其原有速度的方向及大小，这时汽流必然给动叶片一个反作用力，推动叶片运动，将一部分动能转换成叶轮旋转的机械能。由上述可知，在汽轮机连续工作过程中有两次能量转换，即热能→动能→机械能。三、反动式汽轮机反动式汽轮机是利用反作用力与冲击力将蒸汽的速度能转换为机械能的。反动式的级仍然是由一列静叶栅和一列动叶栅组成。它的工作原理是：在静叶栅中气流与流经喷嘴时相似，压力降低，容积膨胀，速度增加；而它的动叶栅也做成截面逐渐收缩气道，气流在动叶栅进一步降压、膨胀和加速，根据惯性定律可知，运动的物体不受外力作用的话，则一定按照它原来速度的大小和方向运动下去，气流在动叶栅中既然获得了加速度，那必然有外力作用在气流上，这个力是由于在动叶栅中降低了气流的压力和温度，即气流的热能转换为动能所得到的。在动叶栅中进一步使汽流降低压力、速增并以高速离开，这时气流必然给动叶栅一个大小相等、方向相反的作用力，使动叶栅转动，带动轴旋转对外作功。这就是反动汽轮机的作功原理。冲动式与反动式汽轮机的叶栅汽轮机的结构1、转子汽轮机中所有转动部件的组合体称转子。转子是汽轮机最重要的部件之一，它包括主轴、叶轮或转鼓、动叶片、止推盘、危急保安器、联轴器以及其他装在轴上的零部件。汽轮机的转子的作用是将蒸汽的动能转变为机械能，传递作用在叶片上的蒸汽圆周分力所产生的扭矩，向外输出机械能，驱动压缩机、泵等。汽轮机转子按结构型式可分为轮式转子和鼓式转子按制造工艺可分为整锻式、套装式、组合式和焊接转子套装式转子是叶轮与主轴分别加工，再以过盈配合方式将叶轮套在轴上。这种转子加工方便，材料利用合理，叶轮与主轴的锻件质量容易得到保证，但它不适合在高温情况下工作，快速启动性差。汽轮机转子的结构形式整锻式转子各级叶轮与主轴一起锻出，其优点是叶轮受力情况好，强度高，不存在运行中主轴与叶轮间松动的问题，可适用于高温、高速条件；结构紧凑、转配简单、省去了也轮到哦套装过程。缺点是转子直径不宜过大，直径过大不容易保证锻件的质量，另外对整锻式转子的制造技术要求较高组合转子组合转子的高压部分为整锻式，中压部分为套装式。这种转子兼有上述两种转子的优点。焊接转子焊接转子是由几个强度很高的实心轮盘和两个轴端在外缘部分焊接而成。这种转子的优点是强度高、重量轻、结构紧凑、刚性好，应用很广泛。但焊接鼓式转子在制造时，要求材料的焊接性能好，并且对焊接技术要求较高。2、转子叶轮汽轮机转子叶轮的作用是用来安装冲动级动叶片，并将动叶片所受的汽流作用力所产生的旋转力矩传递给主轴做功。叶轮工作时，主要承受的力有以下几种。1、叶轮自身质量引起的离心力。2、叶片、围带和拉筋引起的离心力。3、套装转子由于叶轮套装在轴上的过盈产生的接触应力4、在较高温度区域内的叶轮以及在透平启动过程中，叶轮受到温度沿径向分布不均引起的温度应力。5、在带反动度的级中，由叶轮前后压差造成的轴向力。转子叶轮的形式主要有等厚度叶轮、锥形叶轮、等强度叶轮。其中等厚度叶轮加工方便、但叶轮强度差；锥形叶轮不但加工方便而且强度高；等强度叶轮的特点是径向各处的应力都相等，这种叶轮强度最高。叶轮一般分轮缘、轮毂、轮盘三部分。轮缘是安装动叶片的部分。轮缘一般做成等厚度，有安装动叶片的叶根槽；整锻式转子的轮毂与轴一起锻出。套装式转子是靠轮毂将叶轮套装在轴上；轮盘是轮毂与轮缘的中间部分。3、转子叶片汽轮机转子的叶片又称动叶片，是汽轮机中重要的零部件之一，它装满了叶轮一周。由喷嘴流出的高速汽流流进动叶片时，其速度的大小和方向都是一定的，在动叶片中，汽流由于受动叶片的作用力，改变了原来的速度大小和方向，这时汽流就给动叶片一个反作用力，该反作用力沿转子轮周方向的分力，推动转子做旋转运动，对外做功，将蒸汽的动能转变为转子的机械能。4、隔板冲动式多级汽轮机调节级以后的级称压力级，各级间都有隔板隔开，因此，隔板是汽轮机各级的间壁，其上安装有喷嘴，同时还起到阻止级间漏气的作用。喷嘴叶栅与转子上相应的叶轮上的工作叶栅构成一个级，所以可以说，用隔板使每个叶轮都在一个相应的蒸汽室内运转。隔板由隔板体、喷嘴、外缘以及隔板内圆汽封组成。按喷嘴在隔板上的固定方法不同，可分为焊接隔板和铸造隔板。5、静叶片汽轮机静叶片又称喷嘴，其作用是蒸汽在喷嘴中流动时降压、升速，将热能转化为动能，并使高速汽流按一定的方向喷向工作叶片。调节级喷嘴是直接安装在高压蒸汽室中的，调节级的喷嘴按需要分为几个喷嘴组，每个喷嘴组由一个调节汽阀控制。冲动式汽轮机调节级以后的喷组均安装在相应的各级的隔板上，在整周均匀分布；反动式汽轮机中通常不使用隔板，各反动级静叶直接安装在汽轮机缸体上或静叶持环上，静叶持环再安装在汽轮机缸体上。高压段的静叶片一般都有围带，它可以提高静叶片的强度和密封效果，围带也分自带和铆接两种。6、汽缸汽轮机缸体主要用来支撑转子、隔板、静叶持环、调节汽阀等部件，容纳并通过蒸汽，保证汽轮机在缸体内完成能量的转换做功过程，同时把汽轮机的喷嘴、静叶、转子等与大气隔开，形成密封腔体。汽轮机汽缸体为检修方便，一般设有水平中分面。为了合理利用材料，还常沿轴向分为两段，高压段承受压力，温度较高，通常用耐高温贵重金属材料制造，而低压段则通常采用铸铁或钢板焊接结构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。滑销的分类1、横销：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。2、纵销：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。立销：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。猫爪横销：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。我厂汽轮机猫爪结构如图所示，汽轮机采用上猫爪支撑，汽缸中心线与转子的中心线重合，这样就消除了猫爪在热态工作环境下对汽缸中心线的影响。的猫爪下有两个球形垫圈支撑，在机组温度变化时，保证汽轮机猫爪的移动。汽轮机轴承座与汽缸有一个拉杆连接，在汽轮机缸体产生位移时，推着汽轮机轴承座前后移动。另外在汽轮机猫爪旁边还有热膨胀监测装置，用以监测汽轮机开机后的汽缸膨胀量。角销：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。斜销：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。7、外汽封在转子穿出汽缸的部位配置有汽封，前汽封为防止、减少缸内汽封向外泄漏，防止高温蒸汽漏入轴承座致使轴承温度升高及润滑油含水，低压侧汽封的作用是阻止空气漏入排气缸，破坏真空。汽封的工作原理如图，汽缸内一部分蒸汽经250、275的内侧漏至腔室Ⅱ，前后汽封的腔体Ⅱ用外管路联通，根据汽轮机漏气量的大小，漏气排入大气或引至汽封冷却器，腔体Ⅱ中还有一小部分蒸汽继续通过汽封外侧漏至腔体Ⅰ，并经由上部冒汽管线及汽封端部件拍向大气。在腔体Ⅰ中加工有甩汽盘，利用它将漏汽甩向冒汽管8、平衡活塞汽封汽轮机在运行时会产生轴向推力，所以设置有平衡活塞，以抵消一部分轴向推力。如图所示，在汽轮机运行时，各级叶片都有压差，加之转鼓不是等根径而是沿汽流方向逐渐增大，致使转子产生一个轴向推力F1；同时P1腔室的一部分蒸汽经过平衡活塞汽封漏至平衡腔室P2，P2的压力小于P1，所以产生了一个与F1反方向的力F2，在它们共同作用下，轴向推力为F=F1-F2+F3，F3为联轴器的附加轴向推力。9、油封环油封环主要安装在前后轴承座靠汽缸侧端部，其作用是防止轴承座中飞溅的同油沿着转轴向外泄露，同时也能阻止汽封汽漏入轴承座如图所示，油封环4、6分别装在轴承座上，轴承座内的油沿轴向向外漏时，通过甩油盘盘将油甩回轴承箱，一小部分油气接着沿轴向外漏，通过油封环的拦截，冷凝的润滑油通过回油孔7回到轴承向内10、调节汽