第六章 汽輪機主要零件結(jié)構(gòu)與振動

1、 第六章 汽輪機主要零件結(jié)構(gòu)與振動 汽輪機動靜部分結(jié)構(gòu) 葉片振動 汽輪機轉(zhuǎn)子的振動第一節(jié) 汽輪機靜止部分結(jié)構(gòu) 汽輪機本體是汽輪機設(shè)備的主要組成部分，它由靜止部分和轉(zhuǎn)動部分組成。靜止部分包括汽缸、噴管、隔板、隔板套、汽封、軸承、滑銷系統(tǒng)以及有關(guān)緊固件等。一、汽缸 汽缸即汽輪機的外殼，是汽輪機靜止部分的主要部件之一。汽缸在設(shè)計制造成單層缸、雙層缸和三層缸。（一）高中壓缸高壓汽缸的工作特點是缸內(nèi)所承受的壓力和溫度都很高，因此要求汽缸的缸壁應(yīng)適當(dāng)加厚，法蘭的尺寸和螺栓的直徑等也要相應(yīng)的加大。圖6-1 300MW汽輪機的高壓缸結(jié)構(gòu)圖6-2 優(yōu)化引進(jìn)型300MW機組高中壓內(nèi)外缸蒸汽冷卻（加熱）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖（

2、二）低壓缸大功率級組低壓缸工作壓力不高，溫度較低，但由于蒸汽容積大，低壓缸的尺寸很大，尤其是排汽部分。（三）汽缸的支承和滑銷系統(tǒng)1、汽缸的支承圖6-7 下貓爪支承（a）非中分面支承；（b）中分面支承1貓爪；2橫銷；3軸承座；4汽缸中分面1）下貓爪支承（1）貓爪支承：汽缸通過其水平法蘭延伸的貓爪作為承力面，支承在軸承座上，策劃那個味貓爪支承。汽輪機的高、中壓缸均采用這種支承方式。圖6-9 上貓爪支承1上缸貓爪；2下缸貓爪；3安裝墊鐵；4工作墊鐵；5水冷墊鐵；6定位銷；7定位銷；8緊固螺栓；9壓塊2）上貓爪支承圖6-10內(nèi)缸在外缸上的中分面支承1內(nèi)下缸；2內(nèi)缸連接螺栓；3內(nèi)上缸；4外下缸；5外缸連

3、接螺栓；6外上缸7軸承座；8支承墊片圖6-11 低壓缸支承（2）臺板支承：低壓缸。 對于所有的汽輪機組，由于低壓缸所處的溫度低，而且低壓外缸外形尺寸較大，所以一般采用下缸伸出的撐腳支承在基礎(chǔ)臺板上。 作用：為了保證汽缸能定向自由膨脹，并能保持汽缸與轉(zhuǎn)子中心一致，避免因膨脹不暢產(chǎn)生不應(yīng)有的應(yīng)力及級組振動，因而必須設(shè)置一套滑銷系統(tǒng)。對于凝汽式汽輪機來說，死點多布置在低壓排汽口的中心或附近。2、滑銷系統(tǒng)圖6-13 300MW汽輪機滑銷系統(tǒng)二、隔板、隔板套和靜葉環(huán)、靜葉持環(huán) 隔板是汽輪機各級的間壁，用以固定汽輪機各級的靜葉片和阻止級間漏汽，并將汽輪機通流部分分隔成若干個級。 焊接隔板具有較高的強度和剛

4、度，較好的汽密性。1.隔板 鑄造隔板是將已成型的噴管葉片在教主隔板體的同時放入其中，一體澆鑄而成，如圖6-15所示。他的噴管葉片可用銑制、冷拉、模壓亦即爆炸成型等方法制成。之中隔板加工制造比較容易，成本低，但是通流表面光潔度較差，使用溫度也不能太高，一般 工作溫度低于350的級。圖6-15 鑄造隔板1外緣；2靜葉片；3隔板體2、隔板套 隔板套用于固定隔板。現(xiàn)代高參數(shù)大功率汽輪機往往將相鄰的幾級隔板狀在同一隔板套中，隔板套在固定于汽缸上。隔板套結(jié)構(gòu)的分級基本上是由汽輪機抽汽情況決定的，相鄰隔板套之間有抽汽，這樣可充分利用隔板套之間的環(huán)狀汽流通道，而無須借加大軸向尺寸的辦法取得必要的抽汽通流面積。

5、 隔板套分為上下兩半，而只通過中分面法蘭用螺栓和定位螺栓連接在一起。隔板套在汽缸內(nèi)的支承和定位采用懸掛銷（搭子）和鍵的結(jié)構(gòu)。隔板套通過其下半部分兩側(cè)的搭子支承在下汽缸上，其上下中心位置由其底部的定位銷或平鍵定位。為保證隔板套的自由膨脹，裝配時隔板套與汽缸凹槽之間留有12mm的間隙。圖6-16 上海汽輪機廠300MW汽輪機高中壓缸靜葉持環(huán)結(jié)構(gòu)圖6-17 上海汽輪機廠300MW汽輪機低壓缸靜葉持環(huán)結(jié)構(gòu)3、靜葉環(huán)和靜葉持環(huán)三、軸承 汽輪機采用的軸承有徑向支持軸承和推力軸承兩種。徑向支持軸承用來承擔(dān)轉(zhuǎn)子的重量和旋轉(zhuǎn)的不平衡力，并確定轉(zhuǎn)子的徑向位置，以保持轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)中心與汽缸中心一致，從而保證轉(zhuǎn)子與汽缸、

6、汽封、隔板等靜止部分的徑向間隙正確。(一)軸承工作原理圖618 油膜的工作原理（a）有相對運動，無施加垂直方向載荷作態(tài)；（b）無相對運動，有垂直方向荷載狀態(tài)；（c）既有相對運動，也有垂直方向載荷狀態(tài)；（d）兩平面間構(gòu)成楔形，有相對運動和垂直方向的載荷狀態(tài)（二）徑向支承軸承1、油膜的形成圖6-19 油膜形成示意圖（a） （b）0n 0n 圖6-20 油楔中的壓力分布（a）軸心運動軌跡及油楔中的壓力分布（周向）（b）油楔中的壓力分布（軸向）l軸承長度；d軸頸直徑2、軸承結(jié)構(gòu)6-21圓柱形軸承1軸瓦；2墊塊；3墊片；4節(jié)流孔板；5進(jìn)油口；6鎖餅；7連接螺栓；8油檔；9止落螺釘（1）圓柱形軸承圖6-2

7、2 橢圓形軸承軸瓦示意圖（2）橢圓形軸承（3）三油楔軸承6-23 三油楔軸承結(jié)構(gòu)1上半軸承；2下半軸承；3墊塊；4墊片；5節(jié)流孔板；6鎖餅；7油檔（4）可傾瓦軸承6-24 可傾瓦軸承原理圖1下瓦塊；2側(cè)瓦塊；3上瓦塊；4支點；5盤形彈簧（三）推力軸承圖6-26 推力支持聯(lián)合軸承1調(diào)整圓環(huán)；2工作瓦片；3非工作瓦片；4、5、6油封；7推力盤8支撐彈簧；9、10瓦片安裝環(huán)；11油檔第二節(jié) 汽輪機轉(zhuǎn)動部分結(jié)構(gòu) 汽輪機的轉(zhuǎn)動部分包括葉柵、葉輪、主軸和聯(lián)軸器以及緊固件等旋轉(zhuǎn)部分。一、轉(zhuǎn)子 汽輪機的轉(zhuǎn)動部分總稱為轉(zhuǎn)子，騎著工質(zhì)能量轉(zhuǎn)換及扭矩傳遞的任務(wù)。 汽輪機轉(zhuǎn)子可分為輪式和鼓式兩種基本型式。通常沖動式汽

8、輪機轉(zhuǎn)子采用輪式結(jié)構(gòu)，反動式汽輪機轉(zhuǎn)子采用鼓式結(jié)構(gòu)。輪式轉(zhuǎn)子有套裝式、整鍛式、組合式和焊接式四種結(jié)構(gòu)形式。圖6-27 整鍛轉(zhuǎn)子圖6-29 焊接轉(zhuǎn)子圖6-30 組合轉(zhuǎn)子圖6-28 套裝轉(zhuǎn)子圖6-31 主蒸汽進(jìn)入調(diào)節(jié)級的區(qū)域內(nèi)轉(zhuǎn)子冷卻結(jié)構(gòu)圖6-32 再熱蒸汽進(jìn)口區(qū)轉(zhuǎn)子的冷卻結(jié)構(gòu)二、葉輪 葉輪是用來裝置葉片并傳遞汽流力在葉柵上產(chǎn)生的扭矩的。圖6-34 葉輪的結(jié)構(gòu)形式三、動葉片 動葉片就是在汽輪機工作過程中隨汽輪機轉(zhuǎn)子一起轉(zhuǎn)動的葉片，其作用是將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)為動能，再將動能轉(zhuǎn)換為汽輪機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)機械能。 對動葉的要求有：具有良好的空氣動力特性，提高流動效率；要有足夠的強度；對于濕汽區(qū)工作的葉片，要有良好的

9、抗沖蝕能力；要有完善的振動特性；結(jié)構(gòu)合理，工藝良好。 葉片一般由葉型部分、葉根和葉頂連接件組成。1、葉型部分葉型部分也稱作葉身或工作部分，它是葉片的基本部分。圖6-35 葉片結(jié)構(gòu)2、葉根 葉根是將葉片固定在葉輪或轉(zhuǎn)鼓上的連接部分，其作用是緊固動葉，使葉片在經(jīng)受汽流的推力和旋轉(zhuǎn)的離心力作用下，不致于從輪緣溝槽里拔出來 。圖6-36 T型葉根圖6-37 叉型葉根圖6-38 縱樹型葉根3、葉頂部分 葉頂部分包括在葉頂處將葉片連接成組的圍帶和在葉型部分將葉片連接成組的拉金。采用圍帶或拉金可增加葉片的剛性，降低葉片中汽流產(chǎn)生的彎應(yīng)力，調(diào)整葉片頻率以提高其振動安全性。圍帶還構(gòu)成封閉的汽流通道，防止蒸汽從葉

10、頂逸出，有的圍帶還做出徑向汽封和軸向汽封，以減少級間漏汽。圖6-39 圍帶 拉金與葉片間可以采用焊接結(jié)構(gòu)，也可以采用松裝結(jié)構(gòu)；拉金的連接方式有整圈連接、成組連接、網(wǎng)狀連接和Z形連接等。 焊接拉金的作用是減小葉片的彎應(yīng)力，改變?nèi)~片的剛性，調(diào)高其振動安全性。松拉金的作用是增加葉片的離心力，以提高葉片的自振頻率；增加葉片的阻尼，以減小葉片的振幅；同時對葉片的扭振也起到了一定的抑制作用。四、聯(lián)軸器 聯(lián)軸器一般有三種形式：剛性聯(lián)軸器、半撓性聯(lián)軸器和撓性聯(lián)軸器。1、剛性聯(lián)軸器2.半撓性聯(lián)軸器3.撓性聯(lián)軸器 撓性聯(lián)軸器通常有兩種形式：齒輪式和蛇形彈簧式。齒輪式聯(lián)軸器多用在小型汽輪機上以連接汽輪機轉(zhuǎn)子與減速箱

11、的主動軸，其基本結(jié)構(gòu)是：兩半聯(lián)軸器都加工出外齒，他們又同時與帶內(nèi)齒的套筒嚙合。蛇形彈簧聯(lián)軸器多用于汽輪機轉(zhuǎn)子與主油泵軸的連接上，其基本結(jié)構(gòu)是在兩半聯(lián)軸器的外語岸上對等地銑出若干個齒，再把用鋼帶繞城的蛇形彈簧沿圓周嵌在齒內(nèi)。 這類聯(lián)軸器不傳遞軸向推力，也可認(rèn)為基本上不傳遞振動，對中要求較低，但易磨損，需要潤滑，造價高，現(xiàn)在已很少采用。國產(chǎn)300MW機組索培勇的小汽輪機與給水泵的聯(lián)軸器的連接件就是此種聯(lián)軸器。 在汽輪機內(nèi)不進(jìn)蒸汽時就能使轉(zhuǎn)子保持轉(zhuǎn)動狀態(tài)的裝置稱為盤車裝置。盤車裝置的作用是： 在汽輪機啟動沖轉(zhuǎn)前或停機后，讓轉(zhuǎn)子以一定速度連續(xù)轉(zhuǎn)動起來，以保證轉(zhuǎn)子均勻受熱或冷卻，從而避免轉(zhuǎn)子發(fā)生熱彎曲。

12、啟動前以盤車裝置轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子，還可以用來檢查汽輪機是否具備啟動條件。五、盤車裝置6-44 傳動齒輪系統(tǒng)展開圖1電動機；2主動鏈條；3傳動鏈條；4被動鏈輪；5蝸桿；6蝸輪；7第一級小齒輪；8惰輪；9減速齒輪；10主齒輪軸；11嚙合齒輪；12盤車大齒輪第三節(jié) 葉片振動一、葉片的受力葉片的受力離心力汽動力離心拉應(yīng)力離心彎應(yīng)力穩(wěn)定部分交變部分靜應(yīng)力動應(yīng)力自由振動：當(dāng)外力消除后，由于葉片自身的彈性力和質(zhì)量的慣性力作用，它就在其平衡位置附近反復(fù)振動，這種振動稱為自由振動。強迫振動：當(dāng)葉片受到一周期性外力（激振力）作用時，它會按外力的頻率進(jìn)行振動，這就是強迫振動。汽流的彎應(yīng)力：根部截面的彎矩最大 出口邊彎應(yīng)力最

13、大圍帶或拉金反彎矩的作用，使根部截面的合成彎矩和彎應(yīng)力減小。圍帶：使葉片的離心拉應(yīng)力增大拉金：對離心力的影響視截面的位置而定 等截面的離心拉應(yīng)力（根部截面的離心力、應(yīng)力最大）附葉型圖12bMFl2,maxcbmFAl R w2,260mmdnRw,max2cbmFl R wA（與面積無關(guān)）變截面可減小拉應(yīng)力二、引起葉片振動的激振力1、低頻激振力：（由結(jié)構(gòu)擾動產(chǎn)生） 在汽輪機級的輪周上，有個別地方汽流的方向或大小可能異常，葉片每轉(zhuǎn)到此處，其受力就變化一次，這樣形成的激振力為低頻激振力。22/dnfini2、高頻激振力：（由噴嘴的尾跡擾動產(chǎn)生）22/gnfZnZ 對于部分進(jìn)汽的級，激振力的頻率為g

14、Zfne圖6-45 噴管尾跡產(chǎn)生的汽流力分布三、葉片振動的基本振型 基本的振動型式有彎曲振動和扭轉(zhuǎn)振動兩類。彎曲振動又分為切向振動和軸向振動兩種。（一）自由葉片的振動 彎曲振動是繞最小、最大主慣性軸的振動。由于一般葉片的最大主慣性軸與輪周方向的夾角較小，所以將葉片繞截面最小主慣性軸（亦即在最小主慣性軸平面內(nèi)）的振動稱為軸向振動。由葉片蒸汽彎曲應(yīng)力計算可知，葉片繞截面最小主慣性軸的抗彎剛度低于最大主慣性軸，因此，切向振動的頻率低于軸向振動。1、彎曲振動 葉頂擺動的振型稱為A型振動，葉頂固定或基本不動的振型稱為B型振動。由振型曲線上可以看出：節(jié)點上振幅為零，節(jié)點兩側(cè)的振動相位相反，按節(jié)點數(shù)目的不同

15、，其振型可分為012AAA、 、或012B 、B、B 圖6-46 單葉片的切向振動振型（1）切向振動（2）軸向振動 軸向振動通常與葉輪振動同時發(fā)生，而形成了葉輪葉片系統(tǒng)的軸向振動，由于在軸向作用于葉片的在和較小而葉片的剛度又較大，因此軸向振動應(yīng)力一般比較小，也不回產(chǎn)生有節(jié)點的振動，只有軸向A0型振動。圖6-47 葉片扭轉(zhuǎn)振動振型2.扭轉(zhuǎn)振動 沿葉片高度方向，圍繞著通過葉片和界面形心的軸線往復(fù)扭轉(zhuǎn)的振動稱扭轉(zhuǎn)振動。 節(jié)線越多，扭轉(zhuǎn)振動的自振頻率愈高。 葉片組的彎曲振動同樣有切向和軸向兩種型式，并且同樣根據(jù)葉頂是否參與振動劃分為A、B兩種振型。（1）切向振動1）切向A型振動（二）葉片組的振動1、葉

16、片組的彎曲振動2）切向B型振動圖6-48 葉片組的切向A型振動圖6-49葉片組的切向 型振動0B圖6-50葉片組的軸向振動圖6-51葉片組的扭轉(zhuǎn)振動（2）軸向振動2.葉片組的扭轉(zhuǎn)振動 葉片組的軸向振動往往與葉輪的軸向振動耦合在一起，必然伴隨這葉片的扭轉(zhuǎn)振動。 在葉片扭轉(zhuǎn)振動發(fā)生時，圍帶與葉片保持便捷連續(xù)，圍帶必然產(chǎn)生彎曲振動。所以葉片組的扭轉(zhuǎn)振動分為組內(nèi)各葉片的牛轉(zhuǎn)子振動和葉片組的扭轉(zhuǎn)振動。四、葉片的自振頻率 所謂靜頻率就是指葉片在靜止時的自振頻率；動頻率是指葉片在旋轉(zhuǎn)時的自振頻率。（一）等截面自由葉片的自振頻率單個等截面葉片的靜頻率2243()()22sklEIklEIfAlmlE葉片材料的

17、彈性模量，Pa；I 葉片截面的最小形心主慣性矩， ； 葉片材料密度， ；A葉片橫截面積， ；m葉片的質(zhì)量，kg；l 葉片的高度，m；kl葉片頻率方程式的根，與葉片的振型有關(guān)，kl值 有無限個。4m3/kg m2m2243()()22sklEIklEIfAlml由上式可看出，葉片的自振頻率與下列因素有關(guān)：（1）葉片的抗彎剛度（EI）。EI越大，頻率越高；（2）葉片的質(zhì)量m。M越大，頻率越低；（3）葉片的高度l。L增加時，葉片的質(zhì)量增大，剛度減 小，頻率降低；（4）葉片頻率方程的根（kl）。（二）影響葉片自振頻率的因素1、工作溫度：溫度升高葉片自振頻率將降低，反之升高。 溫度修正系數(shù)為20/ttK

18、EE2、葉根的連接剛度：葉片根部出現(xiàn)松動，相當(dāng)與減小葉根處的約束、增加葉片的長度，使葉片的自振頻率下降。葉根牢固修正系數(shù)為K。23()2tklEIfKKml考慮修正，等截面自由葉片的自振頻率為3、離心力22dsffBn動頻與靜頻關(guān)系n：葉片工作轉(zhuǎn)速50r/sB：動頻系數(shù)五、葉片頻率的測定（一）葉片靜頻的測定（a）自振法（b）共振法圖 6-53 測定葉片自振頻率的原理圖（二）葉片動頻的測定六、葉片動強度的安全準(zhǔn)則和葉片調(diào)頻葉片最危險的共振有三種：切向 型振動的動頻率與低頻激振力頻率kn合拍時的共振，稱為第一種共振；切向 型振動的動頻率與高頻激振力頻率zn相等時的共振，稱為第二種共振；切向 型振動的動頻率與高頻激振力頻率zn相等時的共振，稱為第三種共振。不調(diào)頻葉片：允許葉片長期在共振下工作而不致?lián)p壞的葉 片；調(diào)頻葉片：不允許葉片長期在共振下工作，要將葉片頻率 和激振力頻率調(diào)開一定距離的葉片。0A0A0B(一)不調(diào)頻葉片的安全準(zhǔn)則1、安全倍率2、安全準(zhǔn)則bA*.()()abs bA*12.345.()()adabbs bs bk k kAAk k k k1k 介質(zhì)腐蝕修正系數(shù)2345dkkkkkk葉片表面質(zhì)量修正系數(shù)應(yīng)力集中修正系數(shù)通道修