汽轮机基础知识

一、汽轮机原理介绍

汽轮机是以蒸汽为工质的旋转热能设备，典型的汽轮机必须与锅炉,过热器，凝

汽器,锅炉给水泵和工作机（如压缩机或泵）等设备配合工作.构成汽轮机动力的

完整设备体系叫作“汽轮机装置”。（如图）

工质在锅炉中被加热有水转变成饱和蒸汽，在过热器中被继续加热成为过热蒸

汽，蒸汽在汽轮机中降温，降压，即产生”膨胀做功”，实现热能转变成机械能。

在凝汽器（又称复水器）被冷却，气凝结为水,并形成真空，给水泵又将水升压后

送入锅炉，工质通过汽轮机装置而完成热力循环过程。

没有凝汽器的汽轮机排汽送入中，低压蒸汽管网,其排气压力高于大气压力,称为

背压式汽轮机，多用于石化企业中的中，小型机组.与凝汽式向比较,其结构相对

简单，价格较低。

二、汽轮机的结构介绍

汽轮机通常由汽轮机本体,调速及保安系统，凝汽器,轴封系统,油系统等组成。

汽轮机本体由静子和转子构成，汽缸、喷嘴和隔板、汽轴、轴承及支座等不转

动的部分统称为静子，主轴、叶轮和动叶片等转动部分转子。

1、汽缸

汽缸即机壳。汽缸的作用是支持喷嘴和隔板及转子，并将它们与大气隔开。大

型汽轮机的汽缸，沿轴向垂直剖分为前、中、后三个缸，可根据压力、温度的

不同而选用不同的材质；沿径向水平剖分为上、下两个缸，以便于拆装、检

修。汽缸的受力较为复杂，主要为缸内外压差所产生的作用力（对高、中压段为

向外的张力：对凝汽式的低压断，缸内压力低于大气压，则为向内的压力）、喷

嘴和隔板所加的力（为蒸汽流过时所产生的反作用力）、汽缸本身以及固定在汽

缸上零部件的重量、进出口管线的附加力以及因温度差而产生的热应力。高、

中压段汽缸用材多为铸铁（v250c时）、优质铸铁（V300℃时）、碳钢（V400C

时）、加伯的低合金钢（400—500℃）、铭伯合金钢（＞500℃）

2、喷嘴

喷嘴的作用是使蒸汽在其内流动时降压、膨胀、升速，将热能转换成动能，并

按一定的方向喷向动叶片。除调节级喷嘴安装在喷嘴室（由若干个与各自调节阀

相通的弧段所组成）上外，其余压力级喷嘴均安装在隔板上。喷嘴的材质为不锈

钢和耐热合金钢，低于450C使用1CH3,高于450c使用CrllMoV。

3、隔板

隔板的作用是安放喷嘴和汽封，隔开各级，使每一个叶轮都在一个单独的汽室

内运转。隔板的型式有焊接隔板（见图2）和铸造隔板两种，前者强度好，蒸汽

流动损失小，后者制造工艺简单。隔板受力为蒸汽压差所造成的弯曲应力，压

差所造成的隔板轴向变形即静扰度应小于相应轴向间隙的1/3。隔板的轴向、

径向定位不准，易产生动、静部件的摩擦。隔板的轴向定位依赖于其背部的凸

台与汽缸凹槽的配合。隔板的径向定位有悬吊式和短销钉支承式两种，悬吊式

为主要方式，后者用于温度较低的场合。悬吊式在隔板两侧设有用耳，通过吊

耳来调整隔板的径向定位。隔板轴向、径向定位的基准是转子而不是汽缸。

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4、汽封

汽封的作用是防止蒸汽漏汽而产生的损失。其型式主要为迷

宫式密封中的梳齿密封。密封效果较好的高低齿汽封以及带

弹簧片的可退让汽封均得到广泛运用，见图3。汽封的材质为

铝、铜、1JI8N19等硬度较低的材料。

图2面征缶汽封

5、滑销系统

汽轮机在起动、停机、变工况运行时，汽缸各部分的温度都要发生很大变化，

热膨胀和收缩无法避免。为保证实现合理的膨胀，即膨胀时汽缸小心线仍与转

子中心线保持一致，动、静部件的各部间隙在允许范围内，不因膨胀而产生振

动及动、静部件间的摩擦，在汽缸、轴承座和机座台板间配置了滑销系统。汽

轮机的滑销系统，如图3所示，通常由猫爪、纵销、立销、联系螺栓组成，有

时也辅以角销和斜销。

图3♦CTK冷的W丈

先了解一下汽缸的支承形式。除了凝汽式汽轮机的排汽室直接落在基础台板上

外，汽缸的支承多采用猫爪结构。所谓猫爪就是从上汽缸水平中分面法兰向前

深出的两个爪子（也可向后再伸出两个爪子），搭在轴承箱的水平中分面上。猫

爪下面设有横销，用以保持汽缸与轴承箱的轴向间距，同时又不妨碍汽缸的横

向膨胀。汽缸与轴承座之间设有立销，保证两者中心一致，同时不妨碍汽缸在

高度方向上的膨胀。若采用下缸中分面法兰做猫爪，则猫爪厚度尺寸在受热后

会膨胀增高，从而破坏了汽缸与轴相中心线的一致。采用上汽缸做猫爪，则可

避免猫爪受热后抬高汽缸中心的问题。见图4。

在中心线位置，轴承箱及排汽室与基础台板间装有纵销，用以固定轴承箱和汽

缸的中心位置，但不妨碍它们的轴向膨胀；在排汽端设有一对横销。横销的连

接线与中心线的交点就是汽轮机热膨胀时的不动点，称死点.死点通常为排汽管

或凝汽器的中心。

汽轮机产生膨胀时，一方面转子以推力轴承为相对死点向后［排汽端）膨胀；另

一方面，汽缸则以死点向前膨胀，通过猫爪下的横销将推力轴承所在的前轴承

座向前推动，推力轴承又将转子向前带动，从而使转子与汽缸间的相对位置并

未发生变化。实际上，由于转子热得快，冷的也快，汽缸热得慢冷的也慢，两

方面的热膨胀数值不可能完全相同，出现了差值，便称为差涨，转子比汽缸涨

的长时称正差涨，反之为负差涨。

6、转子

转于是用来安装叶轮、动叶片，并做高速旋转、传递力矩、向外输出机械功以

驱动压缩机、泵等从动工作机的重要部件。汽轮机能否长周期正常运转，往往

主要由转子的状态所决定。

现代汽轮机的转子型式有套装转子、整锻转于和焊接转子三种，见图5

套装转子的主轴加工成阶梯状，叶轮采用红套方式套装在主轴上，多用于中、

低参数的冲动式汽轮机，便于制造，价格较低。整锻转于结构紧凑、刚性好、

叶轮强度高，运行中叶轮不会发生松动，可靠性高，但制造技术要求高，价格

很贵。石化企业中的大型汽轮机转子多数为整锻转子。

焊接转子由若干鼓形轮和两个端轴焊接而成，见图5。焊接转子具有与整锻转

子大致相同的优点，但又更具有经济性和发展前景。德国西门子和我国杭汽制

造的反动式汽轮机多为焊接转子。转子所受的力主要有：因作高速旋转而产生

的很大的离心力；因蒸汽膨胀而产生的轮周力与轴向力，其中轮周力较大并形

成转矩使转子对外做功；转子沿轴向由进汽端到排汽端温差变化达300C以上

而产生的热应力。此外，还有因部分进汽所产生的力矩等。作用在转子上的外

力，最终转换成转子所受的内力，即弯矩和剪应力。转子的材质常用的是

34CrMo或34CrNi3M0,对温度较低、剪应力较小、不太重要的转子也有用45、

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7、叶轮

叶轮用来安装动叶片，并将动叶片上受到的旋转力矩传递给主轴做功，用以驱

动从动工作机。叶轮工作时，经受多种复杂、交变的作用力，这些力通常很

大。叶轮上的主要作用力为叶片、因带以及叶轮自身因高速旋转而产生的相当

大的离心力，末级长叶片所产生的离心力更大；叶轮两侧压差所产生的较大的

轴向力，特别是后几级，反动度较大，压差及轴向力也随之较大；叶轮自振而

引起的振动力；叶轮内部温度不均匀而产生的热应力等。

叶轮由安装动叶片的轮缘、套装在主轴上的轮毂及中间部分的轮盘三部分构

成，见图6。其型式有：等厚度叶轮，如图6a所示，只用在直径不大和叶片较

短的高压级，轮周速度uV120—130m/s的情况：锥形叶轮，如图6b所示，叶

轮各处厚度随叶轮直径变大而加厚，各处应力交均匀，应用广泛，用于u=

150—300m/5情况：等强度叶轮，如图6c所示，叶轮各截面上的应力相等，

u=400-430m/s,但不允许开平衡孔和轴孔，因此只能做成悬臂叶轮（法兰联接

或焊接），实际使用较少。

8、动叶片

动叶片的作用是将蒸汽的动能转换成机械能，是汽轮机中最重要的零件之一。

叶片断裂事故在汽轮机的事故中占很大比例，高达40%,它的技术状况对汽轮

机的安全、经济运行有直接的影响。

（1）动叶片的结构

动叶片由叶根、工作部分和叶顶三部分组成，见图7。

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（2）叶根

叶根为将叶片固定在叶轮轮缘上的部分。叶根受力主要为由轮周速度u和叶片

重量所产生的离心力，动叶片上的最大离心力处即发生在叶根；叶根同时还受

到由汽流作用于工作部分而引起的切向弯应力和轴向弯应力，叶根的型式有T

型、菌型、叉型、球型、根树型等多种。采用何种叶根要视叶根具体受力的情

况而定。如外包T型叶根（见图8乙），叶根受力情况好、减振性也较好，可用

于离心力相对较小、而汽流激振力较大的首级短叶片；松树型叶根强度高、应

力分部好，能承受很大的离心力和弯曲力，可用于末级长叶片。

（3）工作部分

叶片的工作部分组成了汽流通道，用以实现动能与机械能的转换，所以叶型（叶

片截面的形状）要选好。从沿叶片高度的截面形状看，分为等截面与变截面。短

叶片均为等截面。而长叶片，由于沿高度方向，轮周速度u变化较大，因此多

采用变截面叶片，即扭曲叶片。叶片受力主要为汽流作用于叶片工作面所引起

的弯曲应力，同时还有离心力以及蒸汽在流出喷嘴后产生的、使叶片发生强迫

振动的汽流激振力。其中，汽流激振力对首级（调节级）影响较大，而离心力对

后几级长叶片影响较大。

（4）叶顶

除了后几经长叶片外，叶片的顶部有铳制的围带（又称自带围带）和钾钉，通过

钾钉将若干叶片（5—20片）的顶部钾接成的围带又称外加围带。围带的作用是

增加刚性、提高叶片的扳动频率，增强叶片的抗弯（可提高10—40%）和抗振能

力；同时还可以防止蒸汽在动叶栅中的径向漏汽。

后几级长叶片不采用围带，而采用拉筋将若干叶片相联成组C

三、径向支承轴承和推力轴承

大机组所使用的径向支承轴承和推力轴承，无论具体为何种型式，绝大多数均

为流体动压滑动轴承。

1、动压滑动轴承的工作原理

在动压滑动轴承中，轴颈与轴承孔的间隙内充满着润滑油。轴颈未旋转时，沉

在孔的底部，如图9a的位置；当轴开始旋转时，轴颈依靠摩擦力的作用，在旋

转相反方向上沿轴承内表面往上爬行，到达一定位置后，摩擦力不能支持转子

重量，就开始打滑，如图9b；为保持润滑油流量的连续性，被轴颈从楔形间隙

的大口带进的油，肯定等于从小口带出的油，因此收敛形的楔形间隙必然使润

滑油的压力升高而实现流速增大，润滑油在楔形间隙内升高的压力就是流体动

压力，所以这种轴承称为流体动压轴承。在间隙内的油层就是油膜，油层所产

生的流体动压力即油膜压力，油膜压力把转子轴颈抬起，如图9c所示。

2、径向支承轴承的类型

(1)圆柱轴承

这种轴承在低速重载时，轴颈处于较大的偏心下工作，因而工作是稳定的。可

是在高速轻强时，油膜较厚，轴颈处于非常小的偏心下工作，因而表现出极大

的不稳定性。油膜涡动发生后，很难抑制，所以在高速轻载下很少采用。

(2)椭圆轴承

这种轴承由上下两段圆弧所构成，见图10,加工方便，使用广泛。标准椭圆轴

承的单边侧隙b等于顶隙a,为增大抗振能力还会加大侧隙，使b>a,因此与

圆柱轴承相比较，轴颈处于较大的偏心之下，稳定性较好。另外，椭圆轴承有

上下两个油楔，因而上瓦油楔所产生的油膜力会对轴颈的涡动起到定的抑制

作用。

(3)多油叶轴承

轴承本身由几段圆弧组成，可以是对称的，也所以不对称。与椭圆轴承相类

似，各油楔相对于轴承巾心都处于较大的偏心下工作，稳定性好。因轴颈受到

多个方向上油楔的作用，故抑振性能优于椭圆瓦。因其加工较困难，使用上受

到一些限制，在大机组中有应用，图11所示的为一不对称的三油叶轴承的示意

图。

(4)多油楔轴承

这种轴承的抑制性能和多汕叶轴承类似，但由于油楔的不对称性，故只允许轴

颈单方向转动，故安装时应注意方向，不能装反。图12所示的为一四油楔轴承

示意图。

(5)多方进油轴承

多方进油轴承又称多槽轴承，也是一种圆柱轴承，区别在于这种轴承的轴瓦上

开了几条纵向槽。其特点是多方进油，轴承温升较低。由于开了纵向槽，等于

将油膜割断，故油膜力不连续，产生大幅度的油膜涡动的可能性减少，同时承

载能力也降低，其实质也是增加偏心率，见图13。

(6)可倾瓦轴承

又称活支多瓦轴承。这是一种目前认为抑振性能最好的轴承，也是大机组中使

用最多的轴承。见图140它除了具有多油叶和多方进油轴承的优点外，由于每

个瓦块均有一个位瓦自由摆动的支点，即使在外界激励因素的扰动下轴颈暂时

离开平衡位置后，各瓦块可按轴颈偏移后的载荷方向产生偏转，自动调整到与

外载荷相平衡，这样就不存在加剧转子涡动的切向油膜力。理论计算指出，在

略去瓦块惯性和支点摩擦力的情况下，每个瓦块的油膜合力，都是通过轴颈中

心的。也就是说这种轴承的交叉刚度系数Kxx、Kvv均为零，从根本上消除了产

生汕膜涡动的可能性，因而稳定性最好。

3、推力轴承

无论是汽轮机还是离心式压缩机，由于转子两侧存在压差，都会产生很大的轴

向推力。虽然通过平衡手段可将大部分轴向推力加以平衡，但为了防止转子出

现不稳定的轴向脉动，通常设计时都要在转子上留下一个大约在lOOOkgf以上

的残余轴向力。推力轴承的作用就是用来承受转子的残余轴向力，确定转子在

汽缸中的轴向位置。推力轴承通常设在缸体的进气端，径向支承轴承的外侧。

(1)推力轴承的工作原理

静止状态下，推力瓦块与推力盘之间即使有油，但油层无承载能力，见图

15a；转子起动后，将粘附在推力盘上的油层带入推力盘与推力瓦块之间的间

隙，由于此时推力瓦块与推力盘平行，等厚度的油膜只能承受很小的压力旦不

可能持久，见图15b；转子上产生轴向报力之后，通过推力盘使间隙中的油膜

受到压力，并传给推力瓦块，容易摆动的推力瓦块在油压的作用下，个再与推

力盘平行而产生倾斜，于是两者之间就形成了楔形间隙，油不断被带入到楔形

间隙中，便形成了流体动压滑动轴承的油膜力，与转子的轴向推力相平衡。随

着轴向报力的不断增大，推力瓦块的倾斜度也不断增大，油楔中的油膜力也不

断增大，与转子的轴向推力达到新的平衡。

转子不动盹的情况工作时的下制状宓

(2)推力轴承的结构

构成推力轴承油楔的办法有两种：

①将推力瓦块表面制成斜面，实际使用的多为斜平面，斜面与平面部分的长度

比为4：1：

②使推力瓦块能自由摆动。前者称固定瓦推力轴承，后者成摆动瓦报力轴承，

大机组所用的基本上为摆动瓦推力轴承。

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