汽輪機基礎(chǔ)知識大全

汽輪機基礎(chǔ)知識一、汽輪機原理介紹汽輪機是以蒸汽為工質(zhì)的旋轉(zhuǎn)熱能設(shè)備，典型的汽輪機必須與鍋爐,過熱器,凝汽器,鍋爐給水泵和工作機(如壓縮機或泵)等設(shè)備配合工作.構(gòu)成汽輪機動力的完整設(shè)備體系叫作”汽輪機裝置”。（如圖）工質(zhì)在鍋爐中被加熱有水轉(zhuǎn)變成飽和蒸汽，在過熱器中被繼續(xù)加熱成為過熱蒸汽，蒸汽在汽輪機中降溫,降壓,即產(chǎn)生”膨脹做功”,實現(xiàn)熱能轉(zhuǎn)變成機械能。在凝汽器(又稱復(fù)水器)被冷卻,氣凝結(jié)為水,并形成真空，給水泵又將水升壓后送入鍋爐，工質(zhì)通過汽輪機裝置而完成熱力循環(huán)過程。沒有凝汽器的汽輪機排汽送入中,低壓蒸汽管網(wǎng),其排氣壓力高于大氣壓力,稱為背壓式汽輪機，多用于石化企業(yè)中的中,小型機組.與凝汽式向比較,其結(jié)構(gòu)相對簡單,價格較低。二、汽輪機的結(jié)構(gòu)介紹汽輪機通常由汽輪機本體,調(diào)速及保安系統(tǒng),凝汽器,軸封系統(tǒng),油系統(tǒng)等組汽輪機本體由靜子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成，汽缸、噴嘴和隔板、汽軸、軸承及支座等不轉(zhuǎn)動的部分統(tǒng)稱為靜子,主軸、葉輪和動葉片等轉(zhuǎn)動部分轉(zhuǎn)子。1、汽缸汽缸即機殼。汽缸的作用是支持噴嘴和隔板及轉(zhuǎn)子，并將它們與大氣隔開。大型汽輪機的汽缸，沿軸向垂直剖分為前、中、后三個缸，可根據(jù)壓力、溫度的不同而選用不同的材質(zhì)；沿徑向水平剖分為上、下兩個缸，以便于拆裝、檢修。汽缸的受力較為復(fù)雜，主要為缸內(nèi)外壓差所產(chǎn)生的作用力(對高、中壓段為向外的張力：對凝汽式的低壓斷，缸內(nèi)壓力低于大氣壓，則為向內(nèi)的壓力)、噴嘴和隔板所加的力(為蒸汽流過時所產(chǎn)生的反作用力)、汽缸本身以及固定在汽缸上零部件的重量、進(jìn)出口管線的附加力以及因溫度差而產(chǎn)生的熱應(yīng)力。高、中壓段汽缸用材多為鑄鐵(<250℃時)、優(yōu)質(zhì)鑄鐵(＜300℃時)、碳鋼(＜400℃時）、加鉑的低合金鋼(400—500℃)、鉻鉑合金鋼(＞500℃)2、噴嘴噴嘴的作用是使蒸汽在其內(nèi)流動時降壓、膨脹、升速，將熱能轉(zhuǎn)換成動能，并按一定的方向噴向動葉片。除調(diào)節(jié)級噴嘴安裝在噴嘴室(由若干個與各自調(diào)節(jié)閥相通的弧段所組成)上外，其余壓力級噴嘴均安裝在隔板上。噴嘴的材質(zhì)為不銹鋼和耐熱合金鋼，低于450℃使用1Crl3，高于450℃使用CrllMoV。3、隔板隔板的作用是安放噴嘴和汽封，隔開各級，使每一個葉輪都在一個單獨的汽室內(nèi)運轉(zhuǎn)。隔板的型式有焊接隔板(見圖2)和鑄造隔板兩種，前者強度好，蒸汽流動損失小，后者制造工藝簡單。隔板受力為蒸汽壓差所造成的彎曲應(yīng)力，壓差所造成的隔板軸向變形即靜擾度應(yīng)小于相應(yīng)軸向間隙的1／3。隔板的軸向、徑向定位不準(zhǔn)，易產(chǎn)生動、靜部件的摩擦。隔板的軸向定位依賴于其背部的凸臺與汽缸凹槽的配合。隔板的徑向定位有懸吊式和短銷釘支承式兩種，懸吊式為主要方式，后者用于溫度較低的場合。懸吊式在隔板兩側(cè)設(shè)有用耳，通過吊耳來調(diào)整隔板的徑向定位。隔板軸向、徑向定位的基準(zhǔn)是轉(zhuǎn)子而不是汽缸。4、汽封汽封的作用是防止蒸汽漏汽而產(chǎn)生的損失。其型式主要為迷宮式密封中的梳齒密封。密封效果較好的高低齒汽封以及帶彈簧片的可退讓汽封均得到廣泛運用，見圖3。汽封的材質(zhì)為鋁、銅、1Crl8N19等硬度較低5、滑銷系統(tǒng)汽輪機在起動、停機、變工況運行時，汽缸各部分的溫度都要發(fā)生很大變化，熱膨脹和收縮無法避免。為保證實現(xiàn)合理的膨脹，即膨脹時汽缸小心線仍與轉(zhuǎn)子中心線保持一致，動、靜部件的各部間隙在允許范圍內(nèi)，不因膨脹而產(chǎn)生振動及動、靜部件間的摩擦，在汽缸、軸承座和機座臺板間配置了滑銷系統(tǒng)。汽輪機的滑銷系統(tǒng)，如圖3所示，通常由貓爪、縱銷、立銷、聯(lián)系螺栓組成，有時也輔以角銷和斜銷。先了解一下汽缸的支承形式。除了凝汽式汽輪機的排汽室直接落在基礎(chǔ)臺板上外，汽缸的支承多采用貓爪結(jié)構(gòu)。所謂貓爪就是從上汽缸水平中分面法蘭向前深出的兩個爪子〔也可向后再伸出兩個爪子)，搭在軸承箱的水平中分面上。貓爪下面設(shè)有橫銷，用以保持汽缸與軸承箱的軸向間距，同時又不妨礙汽缸的橫向膨脹。汽缸與軸承座之間設(shè)有立銷，保證兩者中心一致，同時不妨礙汽缸在高度方向上的膨脹。若采用下缸中分面法蘭做貓爪，則貓爪厚度尺寸在受熱后會膨脹增高，從而破壞了汽缸與軸相中心線的一致。采用上汽缸做貓爪，則可避免貓爪受熱后抬高汽缸中心的問題。見圖4。在中心線位置，軸承箱及排汽室與基礎(chǔ)臺板間裝有縱銷，用以固定軸承箱和汽缸的中心位置，但不妨礙它們的軸向膨脹；在排汽端設(shè)有一對橫銷。橫銷的連接線與中心線的交點就是汽輪機熱膨脹時的不動點，稱死點.死點通常為排汽管或凝汽器的中心。汽輪機產(chǎn)生膨脹時，一方面轉(zhuǎn)子以推力軸承為相對死點向后(排汽端)膨脹；另一方面，汽缸則以死點向前膨脹，通過貓爪下的橫銷將推力軸承所在的前軸承座向前推動，推力軸承又將轉(zhuǎn)子向前帶動，從而使轉(zhuǎn)子與汽缸間的相對位置并未發(fā)生變化。實際上，由于轉(zhuǎn)子熱得快，冷的也快，汽缸熱得慢冷的也慢，兩方面的熱膨脹數(shù)值不可能完全相同，出現(xiàn)了差值，便稱為差漲，轉(zhuǎn)子比汽缸漲的長時稱正差漲，反之為負(fù)差漲。6、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)于是用來安裝葉輪、動葉片，并做高速旋轉(zhuǎn)、傳遞力矩、向外輸出機械功以驅(qū)動壓縮機、泵等從動工作機的重要部件。汽輪機能否長周期正常運轉(zhuǎn)，往往主要由轉(zhuǎn)子的狀態(tài)所決定。現(xiàn)代汽輪機的轉(zhuǎn)子型式有套裝轉(zhuǎn)子、整鍛轉(zhuǎn)于和焊接轉(zhuǎn)子三種，見圖57、葉輪套裝轉(zhuǎn)子的主軸加工成階梯狀，葉輪采用紅套方式套裝在主軸上，多用于中、低參數(shù)的沖動式汽輪機，便于制造，價格較低。整鍛轉(zhuǎn)于結(jié)構(gòu)緊湊、剛性好、葉輪強度高，運行中葉輪不會發(fā)生松動，可靠性高，但制造技術(shù)要求高，價格很貴。石化企業(yè)中的大型汽輪機轉(zhuǎn)子多數(shù)為整鍛焊接轉(zhuǎn)子由若干鼓形輪和兩個端軸焊接而成，見圖5。焊接轉(zhuǎn)子具有與整鍛轉(zhuǎn)子大致相同的優(yōu)點，但又更具有經(jīng)濟性和發(fā)展前景。德國西門子和我國杭汽制造的反動式汽輪機多為焊接轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子所受的力主要有：因作高速旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的很大的離心力；因蒸汽膨脹而產(chǎn)生的輪周力與軸向力，其中輪周力較大并形成轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子對外做功；轉(zhuǎn)子沿軸向由進(jìn)汽端到排汽端溫差變化達(dá)300℃以上而產(chǎn)生的熱應(yīng)力。此外，還有因部分進(jìn)汽所產(chǎn)生的力矩等。作用在轉(zhuǎn)子上的外力，最終轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子所受的內(nèi)力，即彎矩和剪應(yīng)力。轉(zhuǎn)子的材質(zhì)常用的是34CrMo或34CrNi3MO，對溫度較低、剪應(yīng)力較小、不太重要的轉(zhuǎn)子也有用45、40Cr。葉輪用來安裝動葉片，并將動葉片上受到的旋轉(zhuǎn)力矩傳遞給主軸做功，用以驅(qū)動從動工作機。葉輪工作時，經(jīng)受多種復(fù)雜、交變的作用力，這些力通常很大。葉輪上的主要作用力為葉片、因帶以及葉輪自身因高速旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的相當(dāng)大的離心力，末級長葉片所產(chǎn)生的離心力更大；葉輪兩側(cè)壓差所產(chǎn)生的較大的軸向力，特別是后幾級，反動度較大，壓差及軸向力也隨之較大；葉輪自振而引起的振動力；葉輪內(nèi)部溫度不均勻而產(chǎn)生的熱應(yīng)力等。葉輪由安裝動葉片的輪緣、套裝在主軸上的輪轂及中間部分的輪盤三部分構(gòu)成，見圖6。其型式有：等厚度葉輪，如圖6a所示，只用在直徑不大和葉片較短的高壓級，輪周速度u＜120—130m／s的情況：錐形葉輪，如圖6b所示，葉輪各處厚度隨葉輪直徑變大而加厚，各處應(yīng)力交均勻，應(yīng)用廣泛，用于u＝150--300m／5情況：等強度葉輪，如圖6c所示，葉輪各截面上的應(yīng)力相等，u=400—430m／s，但不允許開平衡孔和軸孔，因此只能做成懸臂葉輪(法蘭聯(lián)接或焊接)，實際使用較少。8、動葉片動葉片的作用是將蒸汽的動能轉(zhuǎn)換成機械能，是汽輪機中最重要的零件之一。葉片斷裂事故在汽輪機的事故中占很大比例，高達(dá)40它的技術(shù)狀況對汽輪機的安全、經(jīng)濟運行有直接的影響。（1）動葉片的結(jié)構(gòu)動葉片由葉根、工作部分和葉頂三部分組成，見圖7。（2）葉根葉根為將葉片固定在葉輪輪緣上的部分。葉根受力主要為由輪周速度u和葉片重量所產(chǎn)生的離心力，動葉片上的最大離心力處即發(fā)生在葉根；葉根同時還受到由汽流作用于工作部分而引起的切向彎應(yīng)力和軸向彎應(yīng)力。葉根的型式有T型、菌型、叉型、球型、樅樹型等多種。采用何種葉根要視葉根具體受力的情況而定。如外包T型葉根(見圖8乙)，葉根受力情況好、減振性也較好，可用于離心力相對較小、而汽流激振力較大的首級短葉片；松樹型葉根強度高、應(yīng)力分部好，能承受很大的離心力和彎曲力，可用于末級長葉片。（3）工作部分葉片的工作部分組成了汽流通道，用以實現(xiàn)動能與機械能的轉(zhuǎn)換，所以葉型(葉片截面的形狀)要選好。從沿葉片高度的截面形狀看，分為等截面與變截面。短葉片均為等截面。而長葉片，由于沿高度方向，輪周速度u變化較大，因此多采用變截面葉片，即扭曲葉片。葉片受力主要為汽流作用于葉片工作面所引起的彎曲應(yīng)力，同時還有離心力以及蒸汽在流出噴嘴后產(chǎn)生的、使葉片發(fā)生強迫振動的汽流激振力。其中，汽流激振力對首級(調(diào)節(jié)級)影響較大，而離心力對后幾級長葉片影響較大。（4）葉頂除了后幾經(jīng)長葉片外，葉片的頂部有銑制的圍帶(又稱自帶圍帶)和鉚釘，通過鉚釘將若干葉片(5—20片）的頂部鉚接成的圍帶又稱外加圍帶。圍帶的作用是增加剛性、提高葉片的扳動頻率，增強葉片的抗彎(可提高10—40%）和抗振能力；同時還可以防止蒸汽在動葉柵中的徑向漏汽。后幾級長葉片不采用圍帶，而采用拉筋將若干葉片相聯(lián)成組。三、徑向支承軸承和推力軸承大機組所使用的徑向支承軸承和推力軸承，無論具體為何種型式，絕大多數(shù)均為流體動壓滑動軸承。1、動壓滑動軸承的工作原理在動壓滑動軸承中，軸頸與軸承孔的間隙內(nèi)充滿著潤滑油。軸頸未旋轉(zhuǎn)時，沉在孔的底部，如圖9a的位置；當(dāng)軸開始旋轉(zhuǎn)時，軸頸依靠摩擦力的作用，在旋轉(zhuǎn)相反方向上沿軸承內(nèi)表面往上爬行，到達(dá)一定位置后，摩擦力不能支持轉(zhuǎn)子重量，就開始打滑，如圖9b；為保持潤滑油流量的連續(xù)性，被軸頸從楔形間隙的大口帶進(jìn)的油，肯定等于從小口帶出的油，因此收斂形的楔形間隙必然使?jié)櫥偷膲毫ι叨鴮崿F(xiàn)流速增大，潤滑油在楔形間隙內(nèi)升高的壓力就是流體動壓力，所以這種軸承稱為流體動壓軸承。在間隙內(nèi)的油層就是油膜，油層所產(chǎn)生的流體動壓力即油膜壓力，油膜壓力把轉(zhuǎn)子軸頸抬起，如圖9c所示。2、徑向支承軸承的類型(1)(1)圓柱軸承這種軸承在低速重載時，軸頸處于較大的偏心下工作，因而工作是穩(wěn)定的?？墒窃诟咚佥p強時，油膜較厚，軸頸處于非常小的偏心下工作，因而表現(xiàn)出極大的不穩(wěn)定性。油膜渦動發(fā)生后，很難抑制，所以在高速輕載下很少采用。（2)橢圓軸承這種軸承由上下兩段圓弧所構(gòu)成，見圖10，加工方便，使用廣泛。標(biāo)準(zhǔn)橢圓軸承的單邊側(cè)隙b等于頂隙a，為增大抗振能力還會加大側(cè)隙，使b>a，因此與圓柱軸承相比較，軸頸處于較大的偏心之下，穩(wěn)定性較好。另外，橢圓軸承有上下兩個油楔，因而上瓦油楔所產(chǎn)生的油膜力會對軸頸的渦動起到一定的抑制作用。(3)多油葉軸承軸承本身由幾段圓弧組成，可以是對稱的，也所以不對稱。與橢圓軸承相類似，各油楔相對于軸承巾心都處于較大的偏心下工作，穩(wěn)定性好。因軸頸受到多個方向上油楔的作用，故抑振性能優(yōu)于橢圓瓦。因其加工較困難，使用上受到一些限制，在大機組中有應(yīng)用，圖11所示的為一不對稱的三油葉軸承的示意圖。(4)多油楔軸承這種軸承的抑制性能和多汕葉軸承類似，但由于油楔的不對稱性，故只允許軸頸單方向轉(zhuǎn)動，故安裝時應(yīng)注意方向，不能裝反。圖12所示的為一四油楔軸承示意圖。(5)多方進(jìn)油軸承多方進(jìn)油軸承又稱多槽軸承，也是一種圓柱軸承，區(qū)別在于這種軸承的軸瓦上開了幾條縱向槽。其特點是多方進(jìn)油，軸承溫升較低。由于開了縱向槽，等于將油膜割斷，故油膜力不連續(xù)，產(chǎn)生大幅度的油膜渦動的可能性減少，同時承載能力也降低，其實質(zhì)也是增加偏心率，見圖13。(6）可傾瓦軸承又稱活支多瓦軸承。這是一種目前認(rèn)為抑振性能最好的軸承，也是大機組中使用最多的軸承。見圖14。它除了具有多油葉和多方進(jìn)油軸承的優(yōu)點外，由于每個瓦塊均有一個位瓦自由擺動的支點，即使在外界激勵因素的擾動下軸頸暫時離開平衡位置后，各瓦塊可按軸頸偏移后的載荷方向產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，自動調(diào)整到與外載荷相平衡，這樣就不存在加劇轉(zhuǎn)子渦動的切向油膜力。理論計算指出，在略去瓦塊慣性和支點摩擦力的情況下，每個瓦塊的油膜合力，都是通過軸頸中心的。也就是說這種軸承的交叉剛度系數(shù)Kxx、Kvv均為零，從根本上消除了產(chǎn)生油膜渦動的可能性，因而穩(wěn)定性最好。3、推力軸承3、推力軸承無論是汽輪機還是離心式壓縮機，由于轉(zhuǎn)子兩側(cè)存在壓差，都會產(chǎn)生很大的軸向推力。雖然通過平衡手段可將大部分軸向推力加以平衡，但為了防止轉(zhuǎn)子出現(xiàn)不穩(wěn)定的軸向脈動，通常設(shè)計時都要在轉(zhuǎn)子上留下一個大約在1000kgf以上的殘余軸向力。推力軸承的作用就是用來承受轉(zhuǎn)子的殘余軸向力，確定轉(zhuǎn)子在汽缸中的軸向位置。推力軸承通常設(shè)在缸體的進(jìn)氣端，徑向支承軸承的外側(cè)。(1)推力軸承的工作原理靜止?fàn)顟B(tài)下，推力瓦塊與推力盤之間即使有油，但油層無承載能力，見圖15a；轉(zhuǎn)子起動后，將粘附在推力盤上的油層帶入推力盤與推力瓦塊之間的間隙，由于此時推力瓦塊與推力盤平行，等厚度的油膜只能承受很小的壓力旦不可能持久，見圖15b；轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生軸向報力之后，通過推力盤使間隙中的油膜受到壓力，并傳給推力瓦塊，容易擺動的推力瓦塊在油壓的作用下，個再與推力盤平行而產(chǎn)生傾斜，于是兩者之間就形成了楔形間隙，油不斷被帶入到楔形間隙中，便形成了流體動壓滑動軸承的油膜力，與轉(zhuǎn)子的軸向推力相平衡。隨著軸向報力的不斷增大，推力瓦塊的傾斜度也不斷增大，油楔中的油膜力也不斷增大，與轉(zhuǎn)子的軸向推力達(dá)到新的平衡。(2)推力軸承的結(jié)構(gòu)構(gòu)成推力軸承油楔的辦法有兩種：①將推力瓦塊表面制成斜面，實際使用的多為斜平面，斜面與平面部分的長度比為4：1：②使推力瓦塊能自由擺動。前者稱固