汽轮机主要零部件的结构与作用

汽轮机主要零部件的结构与作用

一、基础与机座

基础是由钢筋混凝土构成的整体结构。其型式根据机组的结构特点及大小而定。基础主要承受着汽轮机、凝汽器、工作机（及冷却器）等的重量，此外还承受着由于机组的转动部分质量不平衡所引起的离心力。机座（台板）是用来支承机组并使其牢固地固定在基础上的部件。小型机组采用整块式台板，是用铸铁浇铸的空心结构。台板与基础之间置有垫铁，汽缸找平后，拧紧地脚螺栓，然后在空心台板内灌入混凝土，使台板牢固地固定在基础上。连接台板与基础的地脚螺栓一般有双头螺栓和带钩式螺栓两种型式。

二、汽缸

1．汽缸的作用及受力

汽缸是汽轮机的外壳。其作用是将汽轮机的通流部分与大气隔开，形成封闭的汽室，保证蒸汽在汽轮机内完成其能量转换过程。汽缸内部装有喷咀室、喷咀、隔板套、隔板和汽封等零部件，汽缸外部装有调节汽阀及进汽、排汽和回热抽汽管路。汽缸的受力情况比较复杂，而且随着汽轮机的运行工况改变而变化，为了掌握正确地运行方式，保证机组的安全，必须了解汽缸在工作时的受力情况。汽缸在工作时承受的作用力主要有：

（1）汽缸内外的压力差，使汽缸壁承受一定的作用力。

（2）隔板和喷咀作用在汽缸上的力，这是由隔板前后的压力差及汽流流过喷咀时的反作用所引起的。

（3）汽缸本身和安装在汽缸上零部件的重量。

（4）轴承座与汽缸铸成一体或轴承座螺栓连接下汽缸的机组，汽缸还承受着转子的重量及转子转动时产生的不平衡力。

（5）进排汽管道作用在汽缸上的力。

（6）汽轮机在运行中，汽缸各部分存在着温度差引起的热应力。

因此，在考虑汽缸结构时，必须保证汽缸有足够的强度和刚度，保证各部分受热时自由膨胀，根据汽流压力、温度和容积的变化要求通流部分有比较大地流通特性；在满足强度和刚度的情况下，尽量减薄汽缸和法兰壁的厚度，力求汽缸形状简单、对称。在汽轮机运行时，必须合理地控制汽缸的温度变化速度，以避免汽缸产生过大的热应力和热变形及由此引起的汽缸结合面不严密或汽缸裂纹。

2．汽缸的结构

根据机组的功率不同，汽轮机有单缸和多缸结构。我国生产的功率10万千瓦以下的汽轮机多采用单缸结构。汽缸从高压向低压方向看，大体呈圆筒形或园锥形。为了便于加工、安装及检修，汽缸一般做成水平剖分式，即分为上、下汽缸，水平结合面通常用法兰螺栓连接。

3．汽缸的支承及滑销系统

（1）气缸是支撑在台板上，台板通过垫铁用地脚螺栓固定在基础上。汽缸的支承方式一般有两种:一种是气缸通过轴承座支撑;另一种是通过其外伸的撑脚直接放置在台板上。汽缸与轴承座的连接方式有：（1）汽缸与轴承座作成一体。（2）汽缸与轴承座采用半法兰连接。（3）汽缸与轴承座采用猫爪连接。这种方式能保证汽缸自由膨胀和不会使轴承座温度升高过多，因此得到广泛应用。

（2）滑销系统

汽轮机在启动、停机和运行中，汽缸温度变化很大，随着汽缸各部温度的变化，各部件将产生膨胀和收缩。为了保证汽轮机自由地膨胀，并保持汽缸与转子中心一致，均装有滑

销系统。根据滑销的构造、安装位置和不同的作用可分为（1）纵销：其作用是允许汽缸沿纵向中心线自由膨胀，限制汽缸向中心线的横向移动。（2）横销：其作用是允许汽缸在横向能自由膨胀。一般装在低压缸排汽室的横向中心线上。（3）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。（4）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，以保持转子和汽缸的轴向相对位置。猫爪横销和立销共同保持汽缸中心与轴承座中心的一致。

三、喷咀及隔板

1．喷咀组

汽轮机第一级的喷咀通常由若干个喷咀组成喷咀组固定在单独设置的喷咀室上，第二级以后的各级喷咀装在隔板上。第一级喷咀分成数目不同的弧段，直接受各调速汽门的控制，用它来调整汽轮机进汽量的多少，因此，第一级喷咀又称调节级喷咀。

2．隔板

隔板是用来固定喷咀汽片，并将整个汽缸内间隔成若干个汽室，隔板在汽缸壳体内与汽缸壳体或内机壳组成气道，即形成扩压器、弯道及回流器。隔板由隔板体、喷咀汽片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，为了检修方便，隔板沿水平分剖为上、下两半。

四、汽封

汽轮机通汽部分的动、静机件之间，为了避免碰磨，必须留有一定的间隙。而间隙的存在又要导致漏汽，使汽轮机的效率降低。为解决这一矛盾，在汽轮机动、静机件的有关部位设有密封装置，通常称为汽封。汽封的结构形式一般用迷宫汽封。迷宫汽封由若干个依次排列的环形密封齿组成，与轴形成一系列节流间隙和膨胀空腔，对通过的汽体产生节流效应而起密封作用。

五、轴承

（1）分类

根据轴承中摩擦性质的不同，可把轴承分为滑动轴承和滚动轴承两大类，每一类轴承按其所能承受的载荷方向的不同，又可分为支持轴承（承受径向载荷）、止推轴承（承受轴向载荷）和支持止推轴承（同时承受径向载荷和轴向载荷）等。滑动轴承按其摩擦状态可分为非流体滑动轴承（干摩擦和半干摩擦）和流体润滑轴承（流体摩擦），按照获得流体摩擦状态的方法不同，流体润滑轴承又分为动压轴承和静压轴承两种。动压轴承就是依靠本身轴颈（或止推盘）的回转，把润滑油带人轴（或止推盘）与轴承之间，建立起油压而把轴支撑起来（或承受转子的轴向推力）的轴承。静压轴承就是用泵向轴与轴承之间输人压力油，把轴支撑起来的轴承。

对于工业透平机械（汽轮机、离心压缩机），从承受载荷的角度来说，常用的是支持轴承和止推轴承两类。支持轴承的作用是承受转子重量和其他附加径向力，保持转子转动中心与汽缸中心一致，并在一定的转速下正常运行。止推轴承的作用是承受转子的轴向力，限制转于的轴向窜动，保持转子在汽缸中的轴向位置。从轴承的工作原理角度来说，普遍采用动压轴承。

汽轮机、离心压缩机转速很高，它们的支持轴承线速度一般在50m/s以上，止推轴承线速度一般在80m/s以上，均属于高速滑动轴承，所以对轴承的要求是安全可靠、运行稳定、抗振性好、使用寿命长，尤其突出的是要求高度可靠。与其他轴承相比，动压轴承能够更好地满足这些要求。

（2）动压轴承的工作原理

动压轴承在运行过程中，轴承与轴颈之间会形成一层薄薄的油膜，这层油膜可以使轴浮起来。对于止推轴承，在止推轴承和瓦块之间形成楔状间隙，止推盘旋转，由于润滑油

有一定的黏性，止推盘把油带进这个间隙中，进油口大，出油口小，便在油楔中形成油模压力，承受转子的轴向推力。同样，在径向轴承运行过程中，由于轴颈不停地回转，轴颈便把润滑油带人轴颈与轴承之间，从而形成了一层薄薄的油膜。由于轴颈与轴承中心并不同心，而是有一个偏心，这种楔形油膜可使沉重的轴浮起来。

概括来说，动压轴承为了获得液体润滑，在结构上必须满足有楔形间隙的要求，使进油口大与出油口小。轴承油膜的形成以及产生油膜压力的大小受轴的转速、润滑油的黏度、轴承间隙和轴承承受的负荷等因素的影响。一般来说，轴的转速越高，油的黏度越大，被带进的油就越多，油膜压力就越大．承受的载荷也就越大．但是，油的黏度过大，会使油分布不均匀，增加摩擦损失，不能保持良好的润滑效果。轴承间隙过大，对油膜形成不利，并增加油的消耗量；轴承间隙过小，又会使油量不足，不能满足轴冷却的要求。一定的轴承结构，在一定的转速下，只能承受相当的负荷，如果负荷过大，油膜形成会很困难，当超过轴承的承载能力时，轴瓦就会被烧坏。

（3）常用的径向轴承

在工业汽轮机上常用的径向轴承有圆瓦轴承、椭圆瓦轴承、多油楔固定轴承和可倾瓦轴承，并且以可倾瓦轴承使用为最多。圆瓦轴承的优点是结构简单，但高速稳定性差，只能用于中、小型和低速汽轮机中。椭圆瓦轴承同圆瓦轴承相比，其优点一是运行中形成上、下两个油膜，垂直方向稳定性好，二是油量大，轴承散热性好；缺点是功耗稍大，多应用于中型、轴承比压较高的汽轮机。多油楔固定轴承的优点是轴承的各方向抗振性均好、轴承温升低、不易发生油膜振荡，多用于高速工业汽轮机。可倾瓦轴承与上述轴承相比，其优点是每一块瓦均能自由摆动，在任何情况下都能形成最佳油楔，高速稳定性好，不易发生油膜振荡（旋转的轴颈在滑动轴承中，带动润滑油高速流动，在一定条件下高速油流反过来激励轴颈，产生一种强烈的自激振动现象）问题。多应用于高速轻载工业汽轮机。

近年来在高速透平机械上主要采用了可倾瓦轴承。可倾瓦轴承主要由轴承壳、两侧油封和可以自由摆动的瓦块构成。这种轴承由三个或更多个瓦块所组成，一般是五块瓦。轴瓦可以摆动。图3－1－19所示是五块瓦的可倾瓦轴承。

沿轴颈的周围均匀分布五个瓦块，各自可以绕自身的一个支点摆动。在轴颈的正下方有一个瓦块，以便停机时支撑轴颈及冷态时用于找正。瓦块与轴颈有正常轴承间隙量，一般取相对间隙的1．2220‰。每块瓦的外径都小于轴承壳体的内径。瓦背圆弧与壳体孔是线接触，

它相当于一个支点。当机组转速、负荷等运行条件变化时，瓦块能在壳体的支撑面上自由地摆动，自动调节瓦块位置，形成最佳润滑油楔。为了防止轴瓦随轴颈沿圆周方向一起转动，每个瓦块上都用一个装在壳体上并与轴瓦松配的销钉或螺钉来定位，图3－1－19中的定位销在瓦块中间，也有不在中间的，进油道至定位销的距离比出口边至定位销的距离大。为了防止轴瓦沿轴向和径向窜动，把瓦块装在壳体内的T形槽中。瓦块浇注有巴氏合金，巴氏合金厚度为0．8～2．5mm。为了保证巴氏合金与瓦块紧密贴合，在瓦块上预制出沟槽。轴承壳体上下水平剖分，安装在轴承座内，并用螺栓和定位销钉定位以保证对中，为了防止轴承壳体转动，装有一个径向定位销钉。一般情况下，轴承壳体外径紧配在轴承座内。也可以把轴承的外壳做成凸球面，装在轴承座的凹球面的支承上与其相吻合，从而轴孔壳体可以自动调位，以适应轴的弯曲和轴颈不对中时所产生的偏斜。轴承的进油口数各不一样，有的轴承只有一个进油孔，有的轴承采用瓦块与瓦块间都有进油孔，但总是布置在不破坏油膜的地方。润滑油沿轴向排出去。在轴承两端的壳体上有一个凹槽相通的排油孔，润滑油集中到凹槽中，经过排油孔流回油箱，也有的从上方排油孔排出。可倾瓦轴承与其他轴承相比，其特点是由多块瓦组成，每一瓦块可以摆动，因而使可倾瓦轴承在任何情况下有利于形成最佳油膜，不易产生油膜振荡。

（4）常用的止推轴承

在工业汽轮机上常用的止推轴承有米楔尔止推轴承和金斯伯雷止推轴承，这些轴承的共同特点是有多个活动的止推瓦块，在瓦块后有承力点，止推瓦块可以绕支点摆动，以形成最佳状态的润滑油膜。米楔尔止推轴承止推块同基环直接接触，是单层的；金斯伯雷止推轴承是止推块下还有上、下水准块，然后才是基环，是三层结构，分别如图3－l－20和图3－1－21所示。

米楔尔止推轴承的优点是结构简单，轴向尺寸小；缺点是当瓦块厚度稍有差别或轴承基环同止推盘平行度有误差时，每瓦块间负荷不能调节，会造成部分瓦块过载。米楔尔轴承主要包括轴向剖分的上下轴承壳体以及两个瓦环。若干块可倾瓦组成一个瓦环，瓦环直接通过止推轴承壳体和村环，将透平转子的轴向推力传给轴承壳体。可倾瓦块与转子止推盘接触的一面材有巴氏合金，其厚度应小于汽轮机动、静部分间的最小轴向间隙，目的是一旦巴氏合金熔化后，止推盘尚有钢圈支撑着，短时间内不致引起汽轮机内动、静部分碰伤，一般巴氏合金厚度为1～1．5mm。向旋转方向倾斜，这样，通过转子止推盘和可倾瓦表面的相对运动，止推盘和可倾瓦之间便形成油楔。由于可倾瓦这种布置方式，可出现最佳的润滑间隙。通过安装径向圆销防止了可倾瓦向切线方向移动。止推轴承包括两个相同的、对称安装的可倾瓦环，分别承受两个轴向方向的推力，一个作主推力轴承用，它应迎着转子的轴向推力方向，一个作副推力轴承用，它承受由于启动或甩负荷时可能出现的反向轴向推力。

金斯伯雷止推轴承的优点是瓦块间载荷分布均匀，调节灵活，能自动补偿转子不对中、偏斜；缺点是结构复杂，需要轴向安装尺寸较长。金斯伯雷止推轴承的结构中，止推瓦块下垫有上水准块，下水准块和基环。它们之间用球面支点接触，保证止推瓦块，水准块可

以自由摆动，使载荷分布均匀

六、转子

转子的组成及作用：汽轮机中所有转动部件的组合体称作转子。包括：主轴、轴封、平衡毂、转毂、动叶片、止推盘、危急保安器、联轴器总承、测量盘等

1．转子的结构

转子的结构基本上有三种类型：

（1）套装转子：

套装转子的结构如图6—4。这种转子是将主轴及叶轮分别加工制造，然后将叶轮热套（过盈配合）在主轴上。主轴加工成阶梯形，中间直径大、两端直径小，这样不仅有利于减少转子的挠度，而且便于叶轮的套装和定位，套装转子的优点是叶轮和主轴可以单独制造，故锻件小，加工方便，节省材料，容易保证质量、转子部分零件损坏后也容易拆换。其缺点是轮孔处应力较大，转子的刚性较差，特别是在高温下，金属的里面蠕变容易使叶轮与主轴套装产生松动现象。因此，它适用于工作温度小于400℃转速较低的中、低压汽轮机。

图6－4 套装转子

1－油封2－汽封环（平衡毂）3－轴4－叶片5－叶轮

整锻转子的结构如图6—5，这种转子的叶轮和主轴及其它主要零部件是用整体毛坯加工制成。主轴的中心通常钻有中心孔。其作用是用来检查整锻转子的质量，减轻转子的重量。整锻转子的优点是：叶轮与主轴作成整体，因此不会产生松动，能适应高温工作和快速启动的要求；装配零件少，结构紧凑，刚性较大。其缺点是：要求有生产大型锻件的专用设备，工艺、质量检验比较复杂、转子上零件损坏更换困难，甚至造成整个转子报废。汽轮机的高温转子均采用整锻转子。

（3）组合转子

组合转子是在同一转子上，高压部分采用整锻结构，中、低压部分采用套装结构，这种结构兼顾了整锻转子和套装转子的优点，因此，广泛用于高、中等功率的汽轮机上。如图6—6 还有焊接转子等。

2．叶轮结构

叶轮一般由轮缘、轮体和轮毂三部分组成。轮缘用来固定叶片，其结构根据叶片受力情况及叶根形状确定，大多数轮缘具有比轮体大的截面。轮毂是将叶轮套在主轴上的配合部分，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。轮体是轮缘与轮毂连接的部分，其断面根据受力情况确定。轮体断面型线有等厚度叶轮、锥形叶轮、双曲线叶轮等。为了减少叶轮前的压力差，通常在叶轮的轮体上开有平衡孔。

七、叶片

叶片是汽轮机最重要的零件之一，这是因为：

（1）叶片的结构型线对汽轮机效率有直接影响；

（2）叶片的工作条件恶劣，受力情况复杂，故其事故较高、数量较大、加工量大。因此，要求叶片具有良好的流动特性，足够的强度及满意的转动特性，合理的结构和良好的工艺性能。

叶片的类型与结构叶片的类型很多，按工作原理可分为冲动式和反动式两大类，按叶片的截面形状还可分为等截面和变截面（扭曲）叶片，按制造工艺可分为铣制、轧制、模锻等类型。

叶片由叶型、叶根和叶顶三部分组成。图6—7所示为轧制叶片和铣制叶片的结构。

（1）叶型部分

叶型部分是工作部分，相邻叶片的叶型部分组成蒸汽的流道。

（2）叶根部分

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。叶根有T型、菌型、叉型、枞树型等。

（3）叶顶部分

汽轮机的叶顶部分通常装有围带，它将若干个叶片联成叶片组。