第二章-汽轮机结构及零件强度.ppt

第二章汽轮机结构及零件强度,汽轮机的构成,1.静止部分汽缸、喷嘴室、隔板、隔板套、静叶栅、汽封、轴承、轴承座、滑销系统等2.转子部分主轴、叶轮（或转鼓）、动叶栅、联轴器等,汽轮机的构成,第一节叶片,一、叶片的分类和结构,叶片按用途可分为动叶片（又称工作叶片，简称叶片）和静叶片（又称导叶叶片）两种。动叶片安装在转子叶轮（冲动式汽轮机）或转鼓（反动式汽轮机）上，接受导叶叶栅射出的高速汽流，把蒸汽的动能转换成机械能，使转子旋转。静叶片安装在隔板或持环套上。在静叶栅中，蒸汽的压力和温度降低，流速增加，将热力势能转换为动能。,叶片的工作条件复杂工作中除受到静应力和动应力外，工作区域可能：高温过热区，两相过渡区，湿蒸汽区高温、高压、腐蚀和冲蚀.因此叶片的结构，材料，加工和装配质量对机组的安全运行意义重大,设计制造叶片的原则：1叶片要有足够的强度2良好的型线，以提高汽轮机的效率,第一节叶片,叶片一般由叶根、工作部分（或称叶身、叶型部分）、叶顶连接件（围带）或拉筋组成。,叶片结构,一、叶片的分类和结构,叶片的组成,叶根、叶型部分叶顶连接件（主要是围带或拉筋）,(一)叶根,叶根是将叶片固定在叶轮或轮毂上的连接部分,叶根和轮缘的固定要求：牢靠，任何运行工况不松动；结构简单，加工安装方便，并使轮缘的轴向尺寸尽可能缩短,T型叶根2菌型叶根3叉型叶根4枞树型叶根,叶根常用的结构型式,1T型叶根,T型叶根的特点结构简单，加工装配方便，工作可靠承受相对较小的离心力，适合于受力不大的短叶片外包单T型叶根和外包双T型叶根特点：加大了叶根的受力面积，适合中等长度叶片国产20万机组高中压各级采用此型式（调节级除外）,2菌形叶根,叶根和轮缘的载荷分配比T型叶根合理,强度提高，但加工复杂，应用不如T型叶根广泛。东方汽轮机厂600MW高中压叶片采用菌形叶根。,T型叶根和菌形叶根的装配方式,2叉型叶根,叉型叶根的特点轮缘两侧部首偏心弯矩，避免T型叶根在轮缘两侧的弯应力，随叶片离心力增大，叉数可以增多，加工简单，拆装方便，但装配费时。国外850mm的叉型叶根有7个叉，另外国外大功率汽轮机末级采用叉型叶根或枞树型叶根叉型叶根的安装,3枞树型叶根,轴向装入单独的叶根槽内，装拆方便叶根采用尖劈形，叶根轮缘承载面接近于等强度，因此，在同样尺寸条件下，枞树型叶根承载力最高。外形复杂，装配面多，为保证各对齿接触良好，加工精度及材料要求极高，工艺复杂。齿端易引起较大的应力集中适用场合：承载较高的调节级和汽轮机的末级。,枞树型叶根的特点,枞树型叶根的装配,叶片沿轴向装入轮缘相应的枞树槽内底部打入相应的楔形垫铁，使叶片向外胀紧在轮缘上相邻两叶片有半圆槽，再用斜劈的半圆销子对插入圆槽内，使叶片沿周向胀紧。,(二)叶型,叶片的横截面形状称为叶型，工作部分必须：满足气动特性要求强度和加工工艺要求减少损失，提高效率,几点说明1冲动式和反动式叶片叶型不同2等截面叶片变截面叶片（扭叶片）3湿蒸汽区工作的叶片，为提高抵抗水滴冲蚀的能力，叶片上部进汽边强化处理方法有：镀铬烙，焊硬质合金变截面扭叶片,(三)叶顶连接部分（围带和拉筋）,围带的作用减少漏汽增加叶片的抗弯刚度整体围带多用于短叶片铆接围带3-5mm厚的扁平钢带铆接或铆接加焊在叶片顶部考虑到热膨胀，各成组叶片围带间留有1mm间隙拉筋的作用调整叶片的自振频率增加叶片振动系统的阻尼5-12mm金属丝或金属管但拉筋存在一定影响，流动效率和降低叶片的刚度末级可选自由叶片，但叶顶削薄，减轻叶片质量，改善叶片自振频率,叶片的受力分析：分为两种，叶片本身和与其连接的围带、拉筋所产生的离心力；汽流的作用力。,二、叶片的强度,叶片的拉应力：叶型部分离心力引起的拉应力和围带、拉筋离心力引起的拉应力。,叶片的弯应力汽流作用引起的弯应力和离心力产生的弯应力,叶片的自振频率,三、叶片的振动,引起叶片振动的激振力：高频激振力和低频激振力,影响叶片自振频率的因素：叶片的抗弯刚度，叶片的高度，叶片的质量，叶片的频率方程，叶片的连接刚度，工作温度，离心力，叶片成组。,叶片阵型：A型振动和B型振动,改变叶片自振频率常用的调频方法。,第二节转子,转子是汽轮机转动部分的总称，它担负着把喷嘴叶栅出来的蒸汽的动能转变为推动轴旋转的机械功及传递功率的重任，是汽轮机最重要的部件。汽轮机转子的结构可分为转轮式和转鼓式两种基本类型：转轮式转子具有安装动叶片的叶轮，一般由主轴、叶轮、动叶片和联轴器构成；而转鼓式转子则没有叶轮，动叶片直接装在转鼓上。通常冲动式汽轮机的转子采用转轮式转子；反动式汽轮机的转子为避免轴向推力过大而采用转鼓式转子。,汽轮机转子可分为套装转子、整锻转子、焊接转子和组合转子四大类。,套装转子,整锻转子,整锻转子的主要优点是：（1）结构紧凑，装配零件少，可缩短汽轮机轴向尺寸。（2）没有红套的零件，对启动和变工况的适应性较强，适于在高温条件下运行。（3）转子刚性比较好。整锻转子缺点是锻件大，工艺要求高，加工周期长，大锻件质量难以保证，且检验比较复杂，不利于材料的合理使用。,现在的大型汽轮机转子普遍采用的是整锻式无中心孔转子。,无中心孔转子的优点：（1）工作应力低；（2）安全性能好；（3）有利于使用更长的叶片；（4）可以延长机组的使用寿命；（5）有利于改善机组的启动性能，缩短启动时间；（6）造价便宜。,组合转子,焊接转子,焊接转子的优点：（1）焊接式转鼓型转子为中空腔室结构，其热应力和离心应力较低，启动灵活并能适应负荷的快速变化，使用寿命长。（2）每个转子是用多块小锻件组合焊接的，各段的质量可以得到保证，探伤比较彻底，即使个别段发生质量问题，处理也比较方便。（3）小块锻件，热处理淬透性好，残余应力低，材质均匀。（4）材料可按需要灵活选用。,鼓式转子,鼓式转子冷却,转子上的主要零部件,1、叶轮2、联轴器：刚性联轴器与半挠性联轴器,转子的临界转速,在汽轮发电机组启动和停机过程中，当转速升高到某一数值时，机组将发生强烈振动，而越过这一转速后，振动便迅速减弱；当转速下降到这一转速时，转子又强烈振动，再继续降低转速，振动又迅速减弱。当转速达到另一更高值时，又可能出现同样现象。这些机组发生强烈振动时转速称为转子的临界转速。刚性转子与挠性转子,汽缸是汽轮机的外壳，是汽轮机最重要的部件之一。也是汽轮机中重量大，形状和受力状态复杂的一个部件。,汽缸的作用是将汽轮机的通流部分与大气隔开，以形成蒸汽热能转换为机械能的封闭汽室。并在其内部支承固定喷嘴组、隔板套（静叶持环）、隔板（静叶环）、汽封等静止部件。汽缸外部还连接有进汽、排汽、回热抽汽及疏水等管道，以及与低压缸相连的支承座架等。,第三节汽缸,不同机组的汽缸有不同的结构特点，它受机组容量、新汽参数、排汽参数、是否采用中间再热以及制造厂家的制造方法、工艺水平等各方面的影响。例如，根据进汽参数的不同，可分为高压缸、中压缸和低压缸；按每个汽缸的内部层次可分为单层缸、双层缸和三层缸；按通流部分在汽缸内的布置方式可分为顺向布置、反向布置和对称分流布置；按汽缸形状可分为有水平接合面的或无水平接合面的，圆筒形、圆锥形、阶梯圆筒形或球形等等。,汽缸的结构,（一）高、中压缸,（1）由于汽缸内的蒸汽压力、温度都很高，致使汽缸内、外压差和温差很大，则缸壁和法兰需做得较厚。为保证中分面的汽密性，连接螺栓必须有很大预紧力，故其尺寸很大，因此需要设置加热（或冷却）装置。,A.单层缸结构的问题：,（3）由于法兰比汽缸壁厚得多，在汽轮机启、停和变工况运行时，会因温度分布不均匀而产生很大的热应力和热变形，这对设备安全和工作寿命极为不利。,（2）整个高压缸需用耐高温的贵重合金钢制造，提高了造价。,双层缸结构的优点：（1）把汽缸所受的蒸汽总压力分摊给了内、外两层汽缸，减少了每层缸的压差和温差，缸壁和法兰可以相应减薄。在机组启停和变工况时，其热应力也相应减小，有利于缩短启动时间和提高汽轮机对负荷的适应性，具有较强的调峰能力。（2）内缸主要承受高温及部分蒸汽压力作用，且其尺寸较小，故可以做得较薄，耗用的贵重耐热金属材料相对减少。而且在内缸和外缸之间有蒸汽流动，因此在正常运行时外缸得到冷却，使外汽缸温度降低，故可采用较便宜的合金钢制造。,（3）外缸的内外压差比采用单层汽缸时降低了许多，因此减少了漏汽的可能性，能更好地保证汽缸接合面的严密性。,双层缸结构的缺点是结构比单层缸复杂，零部件增多，故加工工时、安装和检修等方面的工作量都有所增加。,B.汽轮机高中压缸的布置有两种方式：（1）高中压合缸（2）高中压分缸,哈汽600MW超临界机组高中压缸,高中压合缸反向布置的优点是：新蒸汽及再热蒸汽的进汽部分均集中在高、中压汽缸的中部，可减少汽轮机转子和汽缸的轴向温差及热应力；高、中压汽缸中温度最高的部分布置在远离汽轮机轴承的地方，使轴承受汽封温度的影响较小，轴承的工作温度较低，改善了轴承的工作条件，还可平衡一部分高、中压汽缸内的轴向推力。同时因为前后轴端汽封均处于高中压缸排汽部位，使轴封长度显著减少。此外，高、中压合缸型式还减少了一至二个径向支持轴承，缩短了高、中压转子的长度。,其缺点是：（1）推力轴承常位于前轴承箱中，使机组的胀差不易控制；（2）合缸后汽缸形状复杂，孔口太多；（3）汽缸、转子的几何尺寸较大，重量太重；（4）管道布置较拥挤；（5）机组相对膨胀较复杂，使机组对负荷变化的适应性较差；（6）安装、检修复杂。,高压缸剖面图,中压缸剖面图,单流圆筒型高压缸,高压内缸,上汽超超临界机组中压缸,中压缸外型结构,中压缸剖面图,低压缸包括低压通流部分和排汽室。低压缸一般采用分流式布置。每个低压缸正、反向各有5-7个冲动式压力级，对称布置。,为了减少温度梯度，低压汽缸设计成两层、三层缸结构。,每个低压缸两端的汽缸盖上装有两个大气阀，其用途是当低压缸的内压超过其最大设计安全压力时，自动进行危急排汽。,（二）低压缸,在汽轮机启动、空负荷及低负荷运行时，蒸汽流量小，不足以带走鼓风摩擦产生的热量，为防止排汽温度过高，装有喷水减温装置。,低压缸剖面图,排大气安全阀,排大气安全阀1-承压板；2-压环；3-螺钉；4-螺钉；5-薄膜环；6-环形垫片；7-阀盖,高压缸的前端及从调节阀到调节级喷管这段区域是汽轮机的进汽部分。,（三）进汽部分,它包括蒸汽室、喷管室。是汽轮机中承受压力和温度最高的部分。,由于受强度的限制，要采用喷嘴调节，则必须采用分流式调节级,高压缸全周进汽剖面图,高压外缸进汽部分,高压外缸排汽部分,高压进、排汽示意图1-转子；2-高压内缸进口段；3-高压缸排汽部分；4-高压内缸,（四）汽缸法兰、螺栓加热装置,为了减小汽缸、法兰及连接螺栓间的温差，缩短机组启、停时间，国产大功率汽轮机的高、中压缸一般设有法兰螺栓加热装置，在机组启停过程中对法兰和螺栓进行补充加热或冷却,1.猫爪支承,（1）下缸猫爪支承,1）非中分面猫爪支承,承力面与汽缸水平中分面不在一个平面内。,汽缸的支撑,2）中分面猫爪支承,汽缸法兰中分面（中心线）与支承面一致。,（2）上缸猫爪支承,中分面支承方式,内缸在外缸上的支承,2.台板支承,低压外缸外形尺寸较大，一般都采用下缸伸出的搭脚直接支承在基础台板上。,A.汽缸膨胀,滑销系统一般由立销、纵销、横销、角销以及猫爪（横销的一种）和联系螺栓等部件组成，通过安装在不同部位，来控制汽轮机的膨胀方向。,B.转子膨胀,在机组冷态启动时，转子加热快，膨胀大于汽缸，产生的膨胀差值称胀差，转子膨胀值大于汽缸的，为正胀差。反之，开机参数选择不当（过低）及滑参数停机时，转子冷却较快，它收缩的比汽缸快，于是出现负胀差。,推力轴承工作面就是转子和汽缸的相对死点。,滑销系统,C.滑销的种类,（1）横销。,横销的作用是保证汽缸在允许间隙的范围内可以沿横向自由膨胀，并限制汽缸沿轴向的移动。,（2）猫爪。,猫爪一般有上猫爪支撑和下猫爪支撑两种形式。它既起着横销推力键的作用，又对汽缸有支承作用。,它的作用是：保证汽缸在横向的定向自由膨胀，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不变。,（3）纵销。,所有纵销均位于汽轮机的纵向中心线上，一般纵销安装在低压缸的两端支撑面（轴承底部）或前、中轴承座的底部等和基础台板的结合面间。,纵销可以保证汽缸沿轴向的自由膨胀，并限制汽缸横向膨胀，确保汽缸中心线不作横向移动。,纵销中心线和横销中心线的交叉点就形成了整个汽缸的绝对膨胀死点。,不同制造厂生产的汽轮机，其绝对死点的设置不同，有单死点、双死点，甚至三个死点。,（4）立销。,作用是保证汽缸在垂直方向上的定向自由膨胀，限制汽缸的纵向和横向移动。,（5）角销。,作用是保证轴承座与基础台板的紧密接触，防止产生间隙和轴承座的翘头现象。,（6）联系螺栓。,联系螺栓的作用是保证汽缸与基础台板之间紧密结合，防止下缸在运行中由于热变形而被顶起。另外，联系螺栓的螺栓与螺栓孔之间留有充分的膨胀间隙，保证汽缸能自由膨胀。,大型汽轮机高压缸的进汽端一般设立单独的喷嘴汽室，因而第一级喷嘴就不像其他压力级那样装在隔板或静叶环上，而是直接固定在喷嘴室上。,冲动式汽轮机采用隔板和叶轮结构，各级喷嘴叶栅则固定在隔板上。反动式汽轮机是将喷嘴叶栅直接固定在持环套或汽缸内壁的环形槽道中。为了区别，通常将反动级的喷嘴叶栅和其内外环称为静叶环，或导叶环，而固定静叶环的部套称为静叶持环套。,第四节喷嘴组及隔板,一、喷嘴室,采用喷嘴室结构可以将汽缸与最高参数的蒸汽相接触的部分限制在最小的范围内，可以使汽轮机转子以及除进汽室第一级喷嘴组以外的缸体等静止部件仅与降压后的蒸汽相接触，降低汽缸的整体机械应力，有利于汽轮机的安全，并使得汽缸的结构简单，缸体较薄，提高了机组对工况的适应性。另外，由于整体喷嘴汽室的结构降低了轴端漏汽，可以简化轴端汽封的结构，提高了机组的整体效率。,喷嘴室,喷嘴组,喷嘴剖面图（600MW汽轮机）,二、隔板和隔板套,隔板的作用是把汽缸的内部空间分成若干个蒸汽参数不同的腔室，汽轮机从第二级以后的各级喷嘴叶栅都安装在隔板上。蒸汽通过喷嘴叶栅，其压力、温度逐级下降，将蒸汽的热能转变成动能以很高的速度进入动叶片。,隔板由隔板体、喷嘴叶栅和隔板外缘组成。持环由外环、静叶栅和内环组成。由于安装和拆卸的需要，隔板和持环从水平中分面分为上下两半，分别称为上隔板和下隔板。为了使上下隔板对准，并防止漏汽，在水平中分面上加装有密封键和定位销。,隔板结构示意图,隔板通常有焊接隔板和铸造隔板两大类。,焊接式隔板（a）普通焊接隔板（b）带加强筋的焊接隔板1-隔板外环；2-外围带；3-静叶片；4-内围带；5-隔板体；6-径向汽封；7-汽封槽；8-加强筋,1-外缘；2-静叶片；3-隔板体,三、隔板和隔板套支撑和定位,隔板及隔板套的支撑方式有中分面支撑和非中分面支撑。,一、汽封的作用和工作原理,为减少汽轮机内动、静间隙蒸汽泄漏和防止空气漏入，汽轮机各间隙部位需加装密封装置，通称为汽封；汽封只能减少漏汽量，而在轴端动、静间隙处，除加装汽封（称轴封）外，还要设置轴封系统，以阻止蒸汽漏出汽缸和空气漏入汽缸。,常见的迷宫式汽封结构,第五节汽封及轴封系统,1-汽封套；2-轴,蒸汽在迷宫式汽封中的膨胀过程,枞树型汽封,J型汽封,二、通流部分汽封,静叶汽封和通流汽封示意图,2叶根汽封,叶根汽封设置在动叶栅进口侧叶片根部附近，其作用是减小漏入或漏出动叶流道的蒸汽量。一般仅高压冲动级采用叶根汽封。,1围带汽封,围带汽封设置在动叶片围带和静止部件的径向间隙处，其作用是阻止蒸汽从动叶栅的围带顶部间隙泄漏到级后。,600MW高压级围带汽封,600MW中压级围带汽封,3隔板（静叶环）汽封,高压级和中压级采用高低齿汽封环，分别沿圆周分为12段和4段，通过T形外环嵌装在静叶环内孔T形槽道内，汽封环外壁面的弹簧片，一端用螺钉与汽封环联结，一端由定位销卡住，形成弹性支撑。,600MW高压隔板汽封,600MW中压隔板汽封,一、盘车装置的作用,在汽轮机启动、冲转以前或停机以后，转子需要以一定的速度转动一段时间。使转子转动的装置，称为盘车装置。,其作用是在汽轮机冲转前或停机后使转子转动，保证转子均匀受热或冷却，从而避免转子产生热弯曲。启动前盘动转子，可以检查动静部件件是否有摩擦，润滑油系统是否正常及主轴弯曲是否过大等。,汽轮机的盘车装置，可以分为低速盘车（210r/min）装置和高速盘车（4070r/min）装置两种。,第六节盘车装置,盘车结构图,二、盘车装置种类,可分为具有螺旋轴的电动盘车和具有链轮涡轮蜗杆的电动盘车。,一、轴承的工作原理,支持轴承用来承受转子的重量、蒸汽不平衡的周向作用力和转子不平衡质量的离心力，并确定转子的径向位置，以保证转子的旋转中心和汽缸中心线保持一致。推力轴承用来承受汽轮机运行时蒸汽作用在转子上的轴向力和发电机传来的轴向力，并确定转子在汽缸中的轴向位置，以保证汽轮机的通流部分轴向动、静间隙在允许范围以内。,第七节轴承,1.滑动轴承,滑动轴承工作原理（a）轴心运动轨迹及油楔中的压力分布（周向）；（b）油楔中的压力分布（轴向）；（c）（d）不同转速下轴颈与轴瓦相对位置l轴承的长度；d轴颈的直径,油膜自激震荡图,轴承油膜振荡引起的转子振动有以下三个特点：（1）若轴承失稳，发生油膜振荡前，转子振动中含有频率约等于转速一半的谐波；在发生油膜振荡后，其主振频率等于转子的自振频率，而与转速无关；（2）油膜振荡具有突发性，当转子转速接近其临界转速的两倍时，突然出现强烈共振；（3）一旦出现油膜振荡，在较宽的转速范围内，振幅维持不变，即油膜振荡不消失，在一定的范围内提高或降低转速，振幅不降低，只有转速下降较多时，振幅才突然降至正常值，这是与不平衡离心力引起的共振明显不同之点。,防止和消除油膜振荡的发生，主要从改进机组结构入手，防止轴承失稳。其具体方法包括：改进转子的设计，尽量提高转子的一阶临界转速；改进轴承的型式，轴瓦和轴颈配合的径向间隙、比压（轴承载荷/轴承长度轴颈直径）、长径比（轴承的长度/轴承内径）和润滑油粘度等因素，使失稳转速尽量提高。目前，防止油膜振荡的最佳途径是采用多油楔可倾瓦轴承和椭圆轴承。,2.推力轴承,油膜润滑原理,3轴承箱,轴承箱（座）的主要任务是放置、固定轴承。它主要由轴承支座、壳体、进排油管道、滑销等部件组成。此外，轴承箱（座）还可能承担支承汽缸、放置主油泵或盘车装置的任务。,二、支撑轴承的种类,支撑轴承可分为：圆筒形轴承、椭圆形轴承、三油楔轴承、可倾瓦轴承、袋式轴承。,椭圆型轴承，为上、下两半，水平中分面结构。,它主要由瓦枕与瓦块组成。上、下两半之间均用螺栓连接，瓦块与瓦枕之间为球面结合，可以确保椭圆轴承的自位能力。它的轴承的垂直直径间隙设计为轴承孔直径的0.0013，而水平方向的直径间隙设计为轴承孔直径的0.0026。,椭圆瓦的上部轴瓦开有油槽，轴承的下部瓦块上设有热电偶，以测量瓦块的温度。为了便于调整，轴承的底座采用能够很容易拆除或替换的垫片来保证在装配时精确找中，并用止动销固定轴承壳体防止轴向窜动。轴承上镶有经过严格控制、高质量的巴氏合金块，通过燕尾槽固到轴承上。,三油楔轴承,可倾瓦轴承,采用水平、上下、中分面、双向可倾瓦结构轴承。,可倾瓦轴承的优点是：在工作时可倾瓦块能随转速和载荷的不同而自由摆动，在轴颈周围形成多油锲，它具有很高的油膜稳定性和抗振荡能力，并具有较大的承载能力。,缺点是：结构复杂，加工制造以及安装、检修较为麻烦，成本较高。,可倾瓦支持轴承结