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汽轮机工作原理及结构 二00七年七月 汽轮机是一种能量转换装置 电能的生产过程是一系列的能量转换过程锅炉将水变为蒸汽的热能汽轮机将蒸汽的热能转变成轴旋转的机械能发电机把机械能转变成电能 汽轮机的优点 热效率高凝汽式汽轮机组综合热效率高达40 供热式机组综合热效率高达80 连续工作的回转机械 可以具有较大功率目前单台机组容量已突破1300MW运转平稳 事故率较低 充分提高了设备利用率一般可保持3 4年大修一次 汽轮机的应用领域 发电拖动火力发电厂 核电厂工业拖动钢铁厂 造纸厂 化工厂舰船拖动大型远洋船舶 军事大型舰艇 核动力航空母舰 汽轮机的基本概念 汽轮机是用具有一定温度和压力的蒸汽来做功的回转式原动机 按其做功原理的不同 可分为冲动式汽轮机和反动式汽轮机两种类型 蒸汽热能动能机械能 冲动式汽轮机工作原理 蒸汽在喷嘴中发生膨胀 压力降低 速度增加 热能转变为动能 高速汽流流经动叶片3时 由于汽流方向改变 产生了对叶片的冲动力 推动叶轮2旋转作功 将蒸汽的动能变成叶轮轴旋转的机械能 这种利用冲动力作功的原理 称为冲动作用原理 单级冲动式汽轮机 左图所示 蒸汽在喷嘴中发生膨胀 压力由p0降至p1 流速从c0增至c1 将蒸汽的热能转变为动能 蒸汽进入动叶栅后 改变流动方向 产生了冲动作用力使叶轮旋转作功 将蒸汽动能转变为转子的机械能 蒸汽离开动叶栅的速度降至c2 由于蒸汽在动叶栅中不膨胀 所以动叶栅前后压力相等 即p1 p2 双列汽轮机工作原理 多级冲动式汽轮机 左图所示为一种具有三个冲动级的多级冲动式汽轮机 整个汽轮机的比焓降分别由三个冲动级加以利用 蒸汽进入汽缸后 在第一级喷嘴2中发生膨胀 压力由p0降至p1 汽流速度由co增至c1 然后进入第一级动叶栅3中作功 作功后流出动叶栅的汽流速度降至c2 由于蒸汽在动叶栅中不发生膨胀 动叶栅后的压力 即第一级后压力 即等于喷嘴后的压力p1 从第一级流出的蒸汽 再依次进入其后的两级并重复上述作功过程 最后从排汽管中排出 反动作用原理 蒸汽的热能转变为动能的过程 不仅在喷嘴中发生 而且在动叶片中也同样发生的汽轮机 叫做反动式汽轮机 在反动式汽轮机中 蒸汽不但在喷嘴 静叶栅 中产生膨胀 压力由p0降至p1 速度由c0增至c1 高速汽流对动叶产生一个冲动力 而且在动叶栅中也膨胀 压力由p1降至p2 速度由动叶进口相对速度w1增至动叶出口相对速度w2 汽流必然对动叶产生一个由于加速而引起的反动力 使转子在蒸汽冲动力和反动力的共同作用下旋转作功 多级反动式汽轮机剖面图 冲动式与反动式的主要区别 汽轮机的分类 1 按热力过程特性分类凝汽式汽轮机进入汽轮机的蒸汽 除很少一部分泄漏外 全部排入凝汽器 背压式汽轮机排汽压力高于大气压力的汽轮机称为背压式汽轮机 调节抽汽式汽轮机部分蒸汽在一种或两种给定压力下抽出对外供热 其余蒸汽作功后仍排入凝汽器 中间再热式汽轮机新蒸汽经汽轮机前几级作功后 全部引至加热装置再次加热到某一温度 然后再回到汽轮机继续作功 汽轮机的分类 2 按工作原理分类冲动式汽轮机按冲动作用原理工作的汽轮机称为冲动式汽轮机反动式汽轮机按反动作用原理工作的汽轮机称为反动式汽轮机混合式汽轮机由按冲动原理工作的级和按反动原理工作的级组合而成的汽轮机称为混合式汽轮机 汽轮机的分类 3 按新 主 蒸汽压力分类低压汽轮机新蒸汽压力为1 2MPa 2MPa 中压汽轮机新蒸汽压力为2 1MPa 8MPa 高压汽轮机新蒸汽压力为8 1MPa 12 5MPa 超高压汽轮机新蒸汽压力为12 6MPa 15 1MPa 亚临界汽轮机新蒸汽压力为15 1MPa 22MPa 超临界汽轮机新蒸汽压力为22 12MPa 25MPa 超超临界汽轮机新蒸汽压力为25 0MPa以上 汽轮机的结构 汽轮机由转动部分和静止部分所组成 汽轮机转动部件的组合体称为转子 它包括主轴 叶轮 或转鼓 动叶栅 联轴器及装在轴上的其他零件 蒸汽作用在动叶栅上的力矩 通过叶轮 主轴和联轴器传递给发电机或其他设备 并使它们旋转而作功 汽轮机的静止部分包括基础 台板 机座 汽缸 喷嘴 隔板 汽封 轴承等部件 但主要是汽缸和隔板 汽轮机剖面图 汽轮机转子 汽轮机转子在高温蒸汽中高速旋转 不仅要承受汽流的作用力和由叶片 叶轮本身离心力所引起的应力 而且还承受着由温度差所引起的热应力 此外 当转子不平衡质量过大时 将引起汽轮机的振动 因此 转子的工作状况对汽轮机的安全 经济运行有着很大的影响 给水泵汽轮机转子 330MW机组低压转子 100MW机组转子 套装转子 套装转子的叶轮 轴封套 联轴器等部件和主轴是分别制造的 然后将它们热套 过盈配合 在主轴上 并用键传递力矩 主轴加工成阶梯形 中间直径大 只适用于中 低参数的汽轮机和高参数汽轮机的中 低压部分 其工作温度一般在400 以下 整煅转子 叶轮和主轴及其他主要零部件是用整体毛坯加工制成的 主轴的中心通常钻有中心孔 其作用是 去掉锻件中残留的杂质及疏松部分 用来检查锻件的质量 减轻转子的重量 高参数或超高参数机组的高压转子 防止高温下松动是主要的 因此广泛采用整锻转子 组合转子 根据各段的工作条件不同 在同一转子上 高压部分采用整锻结构 中 低压部分采用套装结构 从而兼得整锻转子和套装转子的优点 组合转子广泛用于高参数 中等功率的汽轮机上 焊接转子 由若干个实心轮盘和端轴拼合焊接而成 焊接转子的主要优点是 不存在松动问题 采用实心的轮盘 强度高 不需要叶轮轮壳 结构紧凑 轮盘和转子可以单独制造 材料利用合理 加工方便且易于保证质量 焊成整体后转子刚性较大等 但是焊接转子要求材料的可焊性好 焊接工艺及检验技术要求高且比较复杂 这一切在一定程度下妨碍了焊接转子的应用 叶轮的结构 叶轮是一种圆盘形的零件 它一般由轮缘 轮体 轮面 和轮壳三部分组成 轮缘用来固定叶片 其具体结构与叶片的受力情况及叶根形状有关 大多数轮缘具有比轮体为大的截面 轮壳是叶轮套于主轴上的配合部分 故只有套装转子才有 其结构取决于叶轮在主轴上的套装方式 为了保证轮壳有足够的强度 轮壳部分一般都要加厚 轮体是叶轮的中间部分 它起着连接轮缘与轮壳的作用 其断面应根据受力情况来确定 叶轮的结构型式 动叶片的结构 动叶片是汽轮机中数量最大和种类最多的零件 它的结构 材料和装配质量对汽轮机的安全和经济运行有极大的影响 在汽轮机的事故中 叶片事故约占60 70 左右 所以必须予以足够的重视 叶片应具有良好的流动特性 足够的强度 满意的转动特性 合理的结构和良好的工艺性能 弯扭叶片 叶根和轮缘结构 叶片通过叶根固定在叶轮上 叶根与叶轮的连接应该牢固可靠 而且应保证叶片在任何运行条件下不会松动 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 并使叶轮轮缘的轴向尺寸为最小 随着动叶片的圆周速度和长度的不同 其叶根所受的作用力也不同 这就需要采用不同的叶根结构型式 叶片与叶轮装配实例 拉金联接方式 拉金用来将叶片连成叶片组 其作用是增加叶片的刚性以改善其振动特性 拉金通常作成棒状 实心拉金 或管状 空心拉金 穿在叶型部分的拉金孔中 拉金与叶片之间有焊接的 焊接拉金 也有不焊接的 松拉金或阻尼拉金 在一级叶片中一般有1 2圈拉金 最多不超过3圈 用拉金连接叶片的方式有 分组联接 整圈联接及组间连接等方式 汽缸的结构 汽缸从高压向低压方向看 大致上呈圆筒形或圆锥形 为了便于加工 安装及检修 汽缸一般作成水平对分式 即分为上 下汽缸 水平结合面一般用法兰螺栓连接 另外 为了合理利用材料和便于加工 运输 汽缸也常按缸内压力高低沿轴向分为几段 垂直结合面也采用法兰螺栓连接 由于垂直结合面一般不需拆卸 为保证其严密性 有些汽缸还在结合面的内圆加以密封焊 转子与下汽缸 转子就位下汽缸内 隔板结构 隔板用于固定喷嘴叶片 并将整个汽缸内部空间分隔成若干个汽室 它主要由隔板体 喷嘴叶栅和隔板外缘等部分组成 隔板通过外缘直接安装在汽缸或隔板套内专门的凹槽中 为了安装和拆卸方便