第六章 汽轮机主要零件结构与振动

1、 第六章 汽轮机主要零件结构与振动 汽轮机动静部 分结构 叶片振动 汽轮机转子的 振动 第一节 汽轮机静止部分结构 汽轮机本体是汽轮机设备的主要组成部分，它由静止 部分和转动部分组成。静止部分包括汽缸、喷管、隔板、 隔板套、汽封、轴承、滑销系统以及有关紧固件等。 一、汽缸 汽缸即汽轮机的外壳，是汽轮机静止部分的主要部件 之一。汽缸在设计制造成单层缸、双层缸和三层缸。 （一）高中压缸 高压汽缸的工作特点是缸内所承受的压力和温度都很高， 因此要求汽缸的缸壁应适当加厚，法兰的尺寸和螺栓的直 径等也要相应的加大。 图6-1 300MW汽轮机的高压缸结构 图6-2 优化引进型300MW机组高中压内外缸蒸

2、汽冷却（加热）系统结构图 （二）低压缸 大功率级组低压缸工作压力不高，温度较低，但由于蒸汽 容积大，低压缸的尺寸很大，尤其是排汽部分。 （三）汽缸的支承和滑销系统 1、汽缸的支承 图6-7 下猫爪支承 （a）非中分面支承；（b）中分面支承 1猫爪；2横销；3轴承座； 4汽缸中分面 1）下猫爪支承 （1）猫爪支承：汽缸通过其水平法兰延伸的猫爪作为承力 面，支承在轴承座上，策划那个味猫爪支承。汽轮机的高、 中压缸均采用这种支承方式。 图6-9 上猫爪支承 1上缸猫爪；2下缸猫爪；3安装垫铁； 4工作垫铁；5水冷垫铁；6定位销； 7定位销；8紧固螺栓；9压块 2）上猫爪支承 图6-10内缸在外缸上的

3、中分面支承 1内下缸；2内缸连接螺栓；3内上缸； 4外下缸；5外缸连接螺栓；6外上缸 7轴承座；8支承垫片 图6-11 低压缸支承 （2）台板支承：低压缸。 对于所有的汽轮机组，由于低压缸所处的温度低，而 且低压外缸外形尺寸较大，所以一般采用下缸伸出的撑脚 支承在基础台板上。 作用：为了保证汽缸能 定向自由膨胀，并能保 持汽缸与转子中心一致， 避免因膨胀不畅产生不 应有的应力及级组振动， 因而必须设置一套滑销 系统。对于凝汽式汽轮 机来说，死点多布置在 低压排汽口的中心或附 近。 2、滑销系统 图6-13 300MW汽轮机滑销系统 二、隔板、隔板套和静叶环、静叶持环 隔板是汽轮机各级的间壁，用

4、以固定汽轮机各级的静 叶片和阻止级间漏汽，并将汽轮机通流部分分隔成若干个 级。 焊接隔板具有较高的强度和刚度，较好的汽密性。 1.隔板 铸造隔板是将已成型的喷管叶片在教主隔板体的同时 放入其中，一体浇铸而成，如图6-15所示。他的喷管叶片 可用铣制、冷拉、模压亦即爆炸成型等方法制成。之中隔 板加工制造比较容易，成本低，但是通流表面光洁度较差， 使用温度也不能太高，一般 工作温度低于350的级。 图6-15 铸造隔板 1外缘；2静叶片；3隔板体 2、隔板套 隔板套用于固定隔板。现代高参数大功率汽轮机往往将 相邻的几级隔板状在同一隔板套中，隔板套在固定于汽缸 上。隔板套结构的分级基本上是由汽轮机抽

5、汽情况决定的， 相邻隔板套之间有抽汽，这样可充分利用隔板套之间的环 状汽流通道，而无须借加大轴向尺寸的办法取得必要的抽 汽通流面积。 隔板套分为上下两半，而只通过中分面法兰用螺栓和定 位螺栓连接在一起。隔板套在汽缸内的支承和定位采用悬 挂销（搭子）和键的结构。隔板套通过其下半部分两侧的 搭子支承在下汽缸上，其上下中心位置由其底部的定位销 或平键定位。为保证隔板套的自由膨胀，装配时隔板套与 汽缸凹槽之间留有12mm的间隙。 图6-16 上海汽轮机厂300MW汽轮机高中压缸静叶持环结构 图6-17 上海汽轮机厂300MW汽轮机低压缸静叶持环结构 3、静叶环和静叶持环 三、轴承 汽轮机采用的轴承有径

6、向支持轴承和推力轴承两种。 径向支持轴承用来承担转子的重量和旋转的不平衡力，并 确定转子的径向位置，以保持转子旋转中心与汽缸中心一 致，从而保证转子与汽缸、汽封、隔板等静止部分的径向 间隙正确。 (一)轴承工作原理 图618 油膜的工作原理 （a）有相对运动，无施加垂直方向载荷作态； （b）无相对运动，有垂直方向荷载状态； （c）既有相对运动，也有垂直方向载荷状态； （d）两平面间构成楔形，有相对运动和垂直方向的载荷状态 （二）径向支承轴承 1、油膜的形成 图6-19 油膜形成示意图 （a） （b） 0n 0n 图6-20 油楔中的压力分布 （a）轴心运动轨迹及油楔中的压力分布（周向） （b）

7、油楔中的压力分布（轴向） l轴承长度；d轴颈直径 2、轴承结构 6-21圆柱形轴承 1轴瓦；2垫块；3垫片；4节流孔板；5进油口； 6锁饼；7连接螺栓；8油档；9止落螺钉 （1）圆柱形轴承 图6-22 椭圆形轴承轴瓦示意图 （2）椭圆形轴承 （3）三油楔轴承 6-23 三油楔轴承结构 1上半轴承；2下半轴承；3垫块；4垫片；5节流孔板；6锁饼；7油档 （4）可倾瓦轴承 6-24 可倾瓦轴承原理图 1下瓦块；2侧瓦块；3上瓦块；4支点；5盘形弹簧 （三）推力轴承 图6-26 推力支持联合轴承 1调整圆环；2工作瓦片；3非工作瓦片；4、5、6油封；7推力盘 8支撑弹簧；9、10瓦片安装环；11油档

8、 第二节 汽轮机转动部分结构 汽轮机的转动部分包括叶栅、叶轮、主轴和联轴器以 及紧固件等旋转部分。 一、转子 汽轮机的转动部分总称为转子，骑着工质能量转换 及扭矩传递的任务。 汽轮机转子可分为轮式和鼓式两种基本型式。通常 冲动式汽轮机转子采用轮式结构，反动式汽轮机转子采 用鼓式结构。轮式转子有套装式、整锻式、组合式和焊 接式四种结构形式。 图6-27 整锻转子 图6-29 焊接转子 图6-30 组合转子 图6-28 套装转子 图6-31 主蒸汽进入调节级的区域内转子冷却结构 图6-32 再热蒸汽进口区转子的冷却结构 二、叶轮 叶轮是用来装置叶片并传递汽流力在叶栅上产生的 扭矩的。 图6-34

9、叶轮的结构形式 三、动叶片 动叶片就是在汽轮机工作过程中随汽轮机转子一起转 动的叶片，其作用是将蒸汽的热能转为动能，再将动能转 换为汽轮机转子旋转机械能。 对动叶的要求有：具有良好的空气动力特性，提高流 动效率；要有足够的强度；对于湿汽区工作的叶片，要有 良好的抗冲蚀能力；要有完善的振动特性；结构合理，工 艺良好。 叶片一般由叶型部分、叶根和叶顶连接件组成。 1、叶型部分 叶型部分也称作叶身或 工作部分，它是叶片的 基本部分。 图6-35 叶片结构 2、叶根 叶根是将叶片固定在叶轮或转鼓上的连接部分，其 作用是紧固动叶，使叶片在经受汽流的推力和旋转的离 心力作用下，不致于从轮缘沟槽里拔出来 。

10、 图6-36 T型叶根 图6-37 叉型叶根图6-38 纵树型叶根 3、叶顶部分 叶顶部分包括在叶顶处将叶片连接成组的围带和在叶 型部分将叶片连接成组的拉金。采用围带或拉金可增加叶 片的刚性，降低叶片中汽流产生的弯应力，调整叶片频率 以提高其振动安全性。围带还构成封闭的汽流通道，防止 蒸汽从叶顶逸出，有的围带还做出径向汽封和轴向汽封， 以减少级间漏汽。 图6-39 围带 拉金与叶片间可以采用焊接结构，也可以采用松 装结构；拉金的连接方式有整圈连接、成组连接、网 状连接和Z形连接等。 焊接拉金的作用是减小 叶片的弯应力，改变叶片的 刚性，调高其振动安全性。 松拉金的作用是增加叶片的 离心力，以提

11、高叶片的自振 频率；增加叶片的阻尼，以 减小叶片的振幅；同时对叶 片的扭振也起到了一定的抑 制作用。 四、联轴器 联轴器一般有三种形式：刚性联轴器、半挠性联轴器 和挠性联轴器。 1、刚性联轴器 2.半挠性联轴器 3.挠性联轴器 挠性联轴器通常有两种形式：齿轮式和蛇形弹簧式。 齿轮式联轴器多用在小型汽轮机上以连接汽轮机转子与减 速箱的主动轴，其基本结构是：两半联轴器都加工出外齿， 他们又同时与带内齿的套筒啮合。蛇形弹簧联轴器多用于 汽轮机转子与主油泵轴的连接上，其基本结构是在两半联 轴器的外语岸上对等地铣出若干个齿，再把用钢带绕城的 蛇形弹簧沿圆周嵌在齿内。 这类联轴器不传递轴向推力，也可认为基

12、本上不传递振 动，对中要求较低，但易磨损，需要润滑，造价高，现在 已很少采用。国产300MW机组索培勇的小汽轮机与给水泵 的联轴器的连接件就是此种联轴器。 在汽轮机内不进蒸汽时就能使转子保持转动状态的 装置称为盘车装置。盘车装置的作用是： 在汽轮机启动冲转前或停 机后，让转子以一定速度连 续转动起来，以保证转子均 匀受热或冷却，从而避免转 子发生热弯曲。 启动前以盘车装置转动转 子，还可以用来检查汽轮机 是否具备启动条件。 五、盘车装置 6-44 传动齿轮系统展开图 1电动机；2主动链条；3传动链条；4被动链轮；5蜗杆； 6蜗轮；7第一级小齿轮；8惰轮；9减速齿轮； 10主齿轮轴；11啮合齿轮

13、；12盘车大齿轮 第三节 叶片振动 一、叶片的受力 叶片的受力 离心力 汽动力 离心拉应力 离心弯应力 稳定部分 交变部分 静应力 动应力 自由振动：当外力消除后，由于叶片自身的弹性力和质 量的惯性力作用，它就在其平衡位置附近反复振动，这种 振动称为自由振动。 强迫振动：当叶片受到一周期性外力（激振力）作用时， 它会按外力的频率进行振动，这就是强迫振动。 汽流的弯应力：根部截面的弯矩最大 出口边弯应力最大 围带或拉金反弯矩的作用，使根部截面的合成弯矩和弯 应力减小。 围带：使叶片的离心拉应力增大 拉金：对离心力的影响视截面的位置而定 等截面的离心拉应力（根部截面的 离心力、应力最大） 附叶型图

14、 1 2 b MFl 2 ,maxcbm FAl R w 2 , 260 m m dn Rw ,max2c bm F l R w A （与面积无关） 变截面可减小拉应力 二、引起叶片振动的激振力 1、低频激振力：（由结构扰动产生） 在汽轮机级的轮周上，有个别地方汽流的方向或大小 可能异常，叶片每转到此处，其受力就变化一次，这样形 成的激振力为低频激振力。 2 2/ d n fin i 2、高频激振力：（由喷嘴的尾迹扰动产生） 2 2/ g n fZn Z 对于部分进汽的 级，激振力的频率为 g Z fn e 图6-45 喷管尾迹产生的汽流力分布 三、叶片振动的基本振型 基本的振动型式有弯曲振动

15、和扭转振动两类。弯曲 振动又分为切向振动和轴向振动两种。 （一）自由叶片的振动 弯曲振动是绕最小、最大主惯性轴的振动。由于一般 叶片的最大主惯性轴与轮周方向的夹角较小，所以将叶 片绕截面最小主惯性轴（亦即在最小主惯性轴平面内） 的振动称为轴向振动。由叶片蒸汽弯曲应力计算可知， 叶片绕截面最小主惯性轴的抗弯刚度低于最大主惯性轴， 因此，切向振动的频率低于轴向振动。 1、弯曲振动 叶顶摆动的振型称为A型振动，叶顶固定或基本不动 的振型称为B型振动。由振型曲线上可以看出：节点上振 幅为零，节点两侧的振动相位相反，按节点数目的不同， 其振型可分为 012 AAA、 、或 012 B 、B、B 图6-4

16、6 单叶片的切向振动振型 （1）切向振动 （2）轴向振动 轴向振动通常与叶轮振动同时发生，而形成了叶轮叶 片系统的轴向振动，由于在轴向作用于叶片的在和较小 而叶片的刚度又较大，因此轴向振动应力一般比较小， 也不回产生有节点的振动，只有轴向A0型振动。 图6-47 叶片扭转振动振型 2.扭转振动 沿叶片高度方向，围绕着通过叶片和界面形心的轴线 往复扭转的振动称扭转振动。 节线越多，扭转振动的自振频率愈高。 叶片组的弯曲振动同样有切向和轴向两种型式，并且 同样根据叶顶是否参与振动划分为A、B两种振型。 （1）切向振动 1）切向A型振动 （二）叶片组的振动 1、叶片组的弯曲振动 2）切向B型振动 图

17、6-48 叶片组的切向A型振动图6-49叶片组的切向 型振动 0 B 图6-50叶片组的轴向振动 图6-51叶片组的扭转振动 （2）轴向振动 2.叶片组的扭转振动 叶片组的轴向振动往往 与叶轮的轴向振动耦合在 一起，必然伴随这叶片的 扭转振动。 在叶片扭转振动发生时， 围带与叶片保持便捷连续， 围带必然产生弯曲振动。 所以叶片组的扭转振动分 为组内各叶片的牛转子振 动和叶片组的扭转振动。 四、叶片的自振频率 所谓静频率就是指叶片在静止时的自振频率；动频率 是指叶片在旋转时的自振频率。 （一）等截面自由叶片的自振频率 单个等截面叶片的静频率 22 43 ()() 22 s klEIklEI f

18、Alml E叶片材料的弹性模量，Pa； I 叶片截面的最小形心主惯性矩， ； 叶片材料密度， ； A叶片横截面积， ； m叶片的质量，kg； l 叶片的高度，m； kl叶片频率方程式的根，与叶片的振型有关，kl值 有无限个。 4 m 3 /kg m 2 m 22 43 ()() 22 s klEIklEI f Alml 由上式可看出，叶片的自振频率与下列因素有关： （1）叶片的抗弯刚度（EI）。EI越大，频率越高； （2）叶片的质量m。M越大，频率越低； （3）叶片的高度l。L增加时，叶片的质量增大，刚度减 小，频率降低； （4）叶片频率方程的根（kl）。 （二）影响叶片自振频率的因素 1、工

19、作温度：温度升高叶片自振频率将降低，反之升高。 温度修正系数为 20 / tt KEE 2、叶根的连接刚度：叶片根部出现松动，相当与减小叶 根处的约束、增加叶片的长度，使叶片的自振频率下降。 叶根牢固修正系数为K。 2 3 () 2 t klEI fKK ml 考虑修正，等截面自由叶片的自振频率为 3、离心力 22 ds ffBn 动频与静频关系 n：叶片工作转速50r/s B：动频系数 五、叶片频率的测定 （一）叶片静频的测定 （a）自振法（b）共振法 图 6-53 测定叶片自振频率的原理图 （二）叶片动频的测定 六、叶片动强度的安全准则和叶片调频 叶片最危险的共振有三种： 切向 型振动的动

20、频率与低频激振力频率kn合拍时的共 振，称为第一种共振； 切向 型振动的动频率与高频激振力频率zn相等时的共 振，称为第二种共振； 切向 型振动的动频率与高频激振力频率zn相等时的共 振，称为第三种共振。 不调频叶片：允许叶片长期在共振下工作而不致损坏的叶 片； 调频叶片：不允许叶片长期在共振下工作，要将叶片频率 和激振力频率调开一定距离的叶片。 0 A 0 A 0 B (一)不调频叶片的安全准则 1、安全倍率 2、安全准则 b A * . () () a b s b A * 12 .345. () () ada bb s bs b k k k AA k k k k 1 k 介质腐蚀修正系数 2 3 4 5 d k k k k k k 叶片表面质量修正系数 应力集中修正系数 通道修正系数 流场不均匀修正系数 叶片成组影响系数 尺寸修正系数 （二）调频叶