汽輪機轉(zhuǎn)子及構(gòu)成

1、汽輪機轉(zhuǎn)子及構(gòu)成1轉(zhuǎn)子定義汽輪機所有轉(zhuǎn)動部件的組合體稱為轉(zhuǎn)子（圖13）。它主要包括：主軸、葉輪（轉(zhuǎn)鼓）、葉片、聯(lián)軸器等部件。圖13 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子的作用：匯集各級動葉柵所得到的機械能，并傳給發(fā)電機。轉(zhuǎn)子受力分析：傳遞扭矩、離心力引起的應力、溫度不均勻引起的熱應力、軸系振動所產(chǎn)生的振動應力。汽輪機轉(zhuǎn)子在高溫蒸汽中高速旋轉(zhuǎn)，不僅要承受汽流的作用力和由葉片、葉輪本身離心力所引起的應力，而且還承受著由溫度差所引起的熱應力。此外，當轉(zhuǎn)子不平衡質(zhì)量過大時，將引起汽輪機的振動，轉(zhuǎn)子要承受軸系振動所產(chǎn)生的振動應力。因此，轉(zhuǎn)子的工作狀況對汽輪機的安全、經(jīng)濟運行有著很大的影響。2轉(zhuǎn)子的分類根據(jù)汽輪機的分類，轉(zhuǎn)子分為兩種

2、：輪式轉(zhuǎn)子、鼓式轉(zhuǎn)子。前者用于沖動式汽輪機，后者用于反動式汽輪機，鼓式轉(zhuǎn)子上的動葉直接安裝在轉(zhuǎn)鼓上。按臨界轉(zhuǎn)速是否在運行轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，分為剛性轉(zhuǎn)子和柔性轉(zhuǎn)子。在啟動過程中，剛性轉(zhuǎn)子啟動就很方便，不存在跨臨界區(qū)域，而柔性轉(zhuǎn)子因需要快速的跨臨界，故要求用戶在實際啟動過程中，要充分暖機，為快速跨臨界作好準備。 1、輪式轉(zhuǎn)子輪式轉(zhuǎn)子根據(jù)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和制造工藝的不同，可分為：套裝轉(zhuǎn)子、整段轉(zhuǎn)子、焊接轉(zhuǎn)子以及組合轉(zhuǎn)子。1-油封環(huán) 2-軸封套 3-軸 4-動葉柵 5-葉輪 6-平衡槽圖14 套裝轉(zhuǎn)子示意圖（1）套裝轉(zhuǎn)子套裝轉(zhuǎn)子的葉輪、軸封套、聯(lián)軸器等部件和主軸是分別制造的，然后將它們熱套在主軸上，各部件與主軸之間

3、采用過盈配合，并用鍵傳遞力矩。主軸加工成階梯形，中間直徑大。適用性：只適用于中、低參數(shù)的汽輪機和高參數(shù)汽輪機的中、低壓部分，其工作溫度一般在400以下。不宜用于高溫高壓汽輪機的高、中壓轉(zhuǎn)子。 優(yōu)點：加工方便，材料利用合理，質(zhì)量容易得到保證。缺點：輪孔處應力較大，轉(zhuǎn)子剛性差，高溫下套裝處易松動。（2）整鍛轉(zhuǎn)子葉輪和主軸及其他主要零部件由整體毛坯加工制成，沒有熱套部件。主軸的中心通常鉆有中心孔，其作用是：去掉鍛件中殘留的雜質(zhì)及疏松部分；用來檢查鍛件的質(zhì)量；減輕轉(zhuǎn)子的重量。其缺陷在于：使轉(zhuǎn)子工作應力增大，制造成本增加；運行中易出現(xiàn)中心孔進油、進水、腐蝕，引起轉(zhuǎn)子不明的振動；檢修、動平衡復雜。隨著鍛造

4、、熱處理及探傷技術(shù)水平的提高，無中心孔的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)應運而生。優(yōu)點：不會出現(xiàn)零件松動問題，結(jié)構(gòu)緊湊，強度、剛度高，適合高溫、高應力環(huán)境下工作；缺點：貴重材料消耗大，對加工工藝要求高。 適用性：中小型汽輪機的高壓轉(zhuǎn)子、大型汽輪機的任何轉(zhuǎn)子（高參數(shù)或超高參數(shù)機組的高壓轉(zhuǎn)子）。圖15 整鍛轉(zhuǎn)子毛坯（3）焊接轉(zhuǎn)子若干實心輪盤、端軸單獨鑄造，然后焊接加工。焊接轉(zhuǎn)子的主要優(yōu)點是：不存在松動問題；采用實心的輪盤，強度高，不需要葉輪輪殼，結(jié)構(gòu)緊湊；輪盤和轉(zhuǎn)子可以單獨制造，材料利用合理，加工方便且易于保證質(zhì)量；焊成整體后轉(zhuǎn)子剛性較大等。但是焊接轉(zhuǎn)子要求材料的可焊性好，焊接工藝及檢驗技術(shù)要求高且比較復雜，這一切在一定

5、程度下妨礙了焊接轉(zhuǎn)子的應用。圖16 整鍛轉(zhuǎn)子示意圖1-葉輪 2-焊縫 3-動葉柵4-平衡槽 5-聯(lián)軸器的連接輪圖17 焊接轉(zhuǎn)子示意圖（4）組合轉(zhuǎn)子根據(jù)各段的工作條件不同，在同一轉(zhuǎn)子上，高壓部分采用整鍛結(jié)構(gòu)，中、低壓部分采用套裝結(jié)構(gòu)，從而兼得整鍛轉(zhuǎn)子和套裝轉(zhuǎn)子的優(yōu)點。適用性：廣泛用于高參數(shù)、中等功率的汽輪機上。圖18 組合轉(zhuǎn)子示意圖2、鼓式轉(zhuǎn)子反動式汽輪機采用，無葉輪，動葉片直接裝在轉(zhuǎn)鼓的凸環(huán)上（反動式汽輪機級數(shù)較多，動葉柵的反動度大，采用轉(zhuǎn)鼓式轉(zhuǎn)子可縮短軸向長度，避免軸向推力過大）圖19鼓式整鍛轉(zhuǎn)子附表 不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的比較序號 項目 套裝轉(zhuǎn)子 整鍛轉(zhuǎn)子 焊接轉(zhuǎn)子 組合轉(zhuǎn)子 1 結(jié)構(gòu)緊湊程度 不

6、緊湊 緊湊 緊湊 中等 2 轉(zhuǎn)子零件 多 少 少 中等 3 加工周期 短 長 長 中等 4 鍛件質(zhì)量保證程度 容易 較難 中等 中等 5 輪孔應力 高 低 低 高 6 鍛件大小 小 大 小 中等 7 轉(zhuǎn)子剛度 小 大 大 中等 8 轉(zhuǎn)子靜撓度 大 小 小 中等 9 啟動速度 慢 快 快 中等 10 葉輪松動可能 有 無 無 11 應力腐蝕程度 易 不易 不易 易 12 轉(zhuǎn)子重量 較輕 較重 較輕 中等 13 不同材料合理應用 能 不能 能 能 14 制造成本 較低 較高 較低 中等 3、轉(zhuǎn)子的選材轉(zhuǎn)子材料選擇要素：轉(zhuǎn)子工作溫度、結(jié)構(gòu)特點、應力狀態(tài)、工作條件以及材料使用的經(jīng)濟性；葉輪、轉(zhuǎn)子的材料

7、應具有足夠的機械強度和韌性，性能穩(wěn)定，金項組織均勻、無損探傷合格、熱處理和冷熱工藝性良好。高溫下工作的部件，不僅要考慮工作溫度下的屈服極限，還要考慮工作溫度下的持久強度和蠕變強度。對于套裝轉(zhuǎn)子，葉輪的材料通常采用34CrMo1A和35CrMoV,載荷較大的低壓葉輪可用34CrNi3Mo;套裝轉(zhuǎn)子的主軸，根據(jù)工作溫度和應力狀態(tài)分別選用45或34CrMo1A。對于整鍛轉(zhuǎn)子，可根據(jù)工作溫度分檔選取，工作溫度低于480，可選用34CrMo1A，工作溫度低于540時，可選用34Cr2MoV或30Cr1Mo1V；低壓整鍛轉(zhuǎn)子工作溫度較低，要求材料在常溫下有較高的機械強度和低的脆性轉(zhuǎn)變溫度，常采用30Cr2

8、Ni4MoV。工作溫度達到600時，可選用X12CrMoWVNbN10-1-1 對于焊接轉(zhuǎn)子，材料要有良好的焊接性能，可選用25Cr2NiMoV。3動葉片在汽輪機工作過程中隨汽輪機轉(zhuǎn)子一起轉(zhuǎn)動的葉片稱工作葉片，動葉片安裝在轉(zhuǎn)子葉輪(沖動式汽輪機)或轉(zhuǎn)鼓（反動式汽輪機）上，接受噴管葉柵射出的高速汽流，把蒸汽的動能轉(zhuǎn)換成機械能，帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。動葉由葉型、葉根、葉頂三部分組成。1、葉型（1）按照蒸汽經(jīng)過葉片時的膨脹程度來分為沖動式葉片和反動式葉片；（2）按照截面積變化來分為等截面葉片和變截面葉片。等截面葉片的截面積沿葉高是不變的，變截面葉片的截面積沿葉高按照一定的規(guī)律減小，即葉片繞各截面形心連續(xù)發(fā)生

9、扭轉(zhuǎn)，通常又稱為扭曲葉片。葉身是動葉片的主要部分，它構(gòu)成汽流通道。它的橫截面形狀稱作葉型，葉型的周線稱為型線。葉根葉型葉頂圖20 動葉片的組成a 沖動式葉片 b 反動式葉片圖21 沖動式葉片、反動式葉片示意圖2、葉根將動葉片固定在葉輪或轉(zhuǎn)鼓上的連接部分，使其在經(jīng)受汽流的推力和旋轉(zhuǎn)離心力作用下，不致于從輪緣溝槽里拔出來。它的結(jié)構(gòu)應保證在任何運行條件下都能牢固地固定常用的葉根結(jié)構(gòu)型式有：T型、叉型和樅樹型。（1）T型葉根結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、工作可靠為短葉片普遍采用。它的缺點是葉片的離心力對輪緣兩側(cè)截面產(chǎn)生彎矩，使輪緣有張開的趨勢。故將葉根和輪緣上做成凸肩形。T型和菌型葉根屬于周向裝配式葉根。這類葉

10、根的輪緣槽上開有一個或兩個缺口，葉片就從這些缺口一片片依次裝入輪緣槽中。最后裝在缺口處的葉片叫做封口葉片，研配裝入后用兩個鉚釘固定在輪緣上。周向裝配式葉根的缺點是當個別葉片損壞時，不能單獨拆換，而必須將部分或全部葉片拆下重裝。 （a）等截面直葉片 （b）變截面扭曲葉片1-葉頂 2-葉型 3-葉根圖22 等截面直葉片、變截面扭曲葉片示意圖（2）叉型葉根的叉尾直接插入輪緣槽內(nèi)，并用兩排鉚釘固定叉尾，叉尾數(shù)可根據(jù)葉片離心力大小選擇。叉型葉根強度高、適應性好。檢修時可以單獨拆換個別葉片，所以被大功率汽輪機末幾級廣泛采用。但裝配時比較費工，且輪緣較厚，鉆鉚釘孔不便由于整鍛轉(zhuǎn)子和焊接轉(zhuǎn)子的工作空間小，給鉆

11、鉚釘孔帶來了困難，所以這兩種轉(zhuǎn)子一般不用叉型葉根。（3）樅樹型葉根沿軸向直接裝入輪緣相應的樅樹槽中。這種葉根承載能力強，葉根齒數(shù)可根據(jù)離心力大小決定，同時拆裝容易，故被大功率的調(diào)節(jié)級和末幾級采用。但由于其加工面多，精度要求高，所以受到限制。a-T型葉根b-外包T型葉根c-雙T型葉根 d-轉(zhuǎn)入T型葉根的切口圖23 T型葉根圖24 叉形葉根圖25 樅樹型葉根3、葉頂汽輪機的短葉片和中長葉片通常在葉頂用圍帶連在一起，構(gòu)成葉片組。長葉片在葉型部分用拉金連接成組，或者圍帶和拉金都不用，成為自由葉片。（1）高、中壓轉(zhuǎn)子使用的短葉片，由圍帶連成葉片組，圍帶的作用：減小葉片工作的彎應力；增加葉片剛性，調(diào)整葉片

12、的自振頻率，避開共振；使葉片頂部封閉，避免蒸汽從汽道頂部泄漏，減少葉頂漏汽，降低漏汽損失。（2）低壓轉(zhuǎn)子使用的長葉片，由拉金連成葉片組，拉金的作用：增加葉片剛性；調(diào)整葉片的自振頻率，避開共振，改善振動性能；但增加了蒸汽流動阻力，且會削弱葉片強度，所以在滿足葉片振動和剛度要求下，盡量避免采用拉金。拉金一般是以612mm的金屬絲或金屬管，穿在葉身的拉金孔中。拉金與葉片之間可以是焊接的（焊接拉金），也可以是不焊接的（松拉金）。在一級葉片中，一般有12圈拉金，最多不超過3圈拉金。 拉金處在汽流通道中間，將影響級內(nèi)汽流流動，同時，拉金孔削弱了葉片的強度，所以在滿足振動和強度要求的情況下，有的長葉片可設(shè)計

13、成自由葉片。有的低壓葉片，不用拉金，呈自由葉片。一般，自由葉片和僅用拉金固定成組的葉片都將頂部削薄，可起到汽封齒的作用；且一旦發(fā)生動、靜部分摩擦，可減輕事故程度，保護汽輪機。圍帶拉金圖26 拉金與圍帶4、葉片結(jié)構(gòu)（1）成組葉片（葉片組）：用圍帶、拉金連在一起的數(shù)個葉片 （2）整圈連接葉片：用圍帶、拉金將全部葉片連結(jié)在一起 （3）單個葉片(自由葉片)：不用圍帶、拉金連結(jié)的葉片 附圖：a-實心焊接拉金 b-實心松裝拉金 c-空心松裝拉金 d-剖分松裝拉金 e-z裝拉金圖27 拉金的形式a-成組連接 b-網(wǎng)狀連接 c-整圈連接 d-z形連接圖28 拉金的連接方式a、b -整體圍帶 c-鉚接圍帶 d-

14、彈性拱形圍帶圖29 圍帶的形式3葉輪1、葉輪及其組成（1）概念：用來安裝動葉片并將汽流對動葉柵的作用力所產(chǎn)生的扭矩傳遞給轉(zhuǎn)子。（2）位置：裝于主軸或與主軸聯(lián)成一體，裝上動葉片后置于汽缸內(nèi)。（3）結(jié)構(gòu)組成：輪緣、輪面、輪轂（套裝轉(zhuǎn)子才有）。套裝轉(zhuǎn)子上的葉輪有輪緣、輪面和輪轂三部分組成。整鍛轉(zhuǎn)子和焊接轉(zhuǎn)子上的葉輪只有輪緣和輪體兩部分。輪緣：輪緣上開有安裝動葉片的葉根槽，大多數(shù)輪緣具有比輪體大的截面。輪面：將輪緣和輪轂或主軸連成一體。輪面上通常開有平衡孔（奇數(shù)、均勻分布）。輪轂：將葉輪套在主軸上的配合部分，減小葉輪內(nèi)孔應力的加厚部分。2、葉輪分類按葉輪斷面的型線分類 （1）等厚度葉輪：加工方便，軸向

15、尺寸小，但強度低，通常用于葉輪直徑較小的高壓部分； （2）錐形葉輪：加工方便，強度高，得到廣泛應用； （3）等強度葉輪：無中心孔，強度最高，但加工要求高，多用于輪盤式焊接轉(zhuǎn)子。1-輪緣 2-輪體 3-輪轂 4-主軸 5-平衡孔a、b、c -等厚度葉輪 d-錐形葉輪 e-等強度葉輪圖30 葉輪結(jié)構(gòu)示意圖（左圖）及葉輪分類（右圖）4聯(lián)軸器1、定義：聯(lián)軸器是用來聯(lián)接不同機構(gòu)中的兩根軸（主動軸和從動軸）使之共同旋轉(zhuǎn)以傳遞扭矩的機械零件。又稱靠背輪、對輪或聯(lián)軸節(jié)。在高速重載的動力傳動中，有些聯(lián)軸器還有緩沖、減振和提高軸系動態(tài)性能的作用。聯(lián)軸器由兩半部分組成，分別與主動軸和從動軸聯(lián)接。一般動力機大都借助于

16、聯(lián)軸器與工作機相聯(lián)接。在汽輪機設(shè)備中，聯(lián)軸器的作用是連接汽輪機各轉(zhuǎn)子以及汽輪機轉(zhuǎn)子與發(fā)電機轉(zhuǎn)子，借以將蒸汽作用在汽輪機轉(zhuǎn)子上的扭矩傳遞給發(fā)電機轉(zhuǎn)子，使發(fā)電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生電能。2、聯(lián)軸器的分類：剛性、半撓性和撓性聯(lián)軸器。（1）剛性聯(lián)軸器優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、連接剛性強、傳遞功率大，軸向尺寸短、工作可靠、不需要潤滑、沒有噪聲，可傳遞軸向力和徑向力，多段轉(zhuǎn)子可只用一個聯(lián)軸器，可在剛性聯(lián)軸器處省去一個支持軸承。缺點：對中要求嚴格，不能吸收振動。應用：大功率汽輪機各轉(zhuǎn)子的連接普遍采用剛性聯(lián)軸器 裝配式剛性聯(lián)軸器：聯(lián)軸器用熱套加雙鍵分別裝在相對的軸端上，對準中心后再一起鉸孔，并用配合螺栓緊固，以保證兩個轉(zhuǎn)子同心，螺栓、螺孔分別打有相應編號，不能互換。整鍛式剛性聯(lián)軸器：它的聯(lián)軸器與主軸成一整體。這種聯(lián)軸器的強度和剛度均較裝配式高，也無松動危險。1、2-對輪3-螺栓 4-墊圈 5-鍵 6、7-轉(zhuǎn)子 (a) 裝配式（套裝）剛性聯(lián)軸器 (b) 整鍛式剛性聯(lián)軸器圖31 剛性聯(lián)軸器（2）、半撓性聯(lián)軸器優(yōu)點：兩半聯(lián)軸器之間加了一段波形圓筒。他在傳遞扭矩時是呈剛性的，在彎曲方向是撓性的。因波形套筒具有一定的彈性，可吸收部分轉(zhuǎn)子之間傳遞的振動，允許相鄰兩軸端之間有少許的不同心度和端面瓢偏度。缺點：傳遞功率較小，