汽輪機(jī)工作原理及結(jié)構(gòu)

1、二00七年七月電能的生產(chǎn)過(guò)程是一系列的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程電能的生產(chǎn)過(guò)程是一系列的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程q鍋爐將水變?yōu)檎羝臒崮苠仩t將水變?yōu)檎羝臒崮躴汽輪機(jī)將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)變成軸旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能汽輪機(jī)將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)變成軸旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能q發(fā)電機(jī)把機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能發(fā)電機(jī)把機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能熱效率高熱效率高 凝汽式汽輪機(jī)組綜合熱效率高達(dá)凝汽式汽輪機(jī)組綜合熱效率高達(dá)40% 供熱式機(jī)組綜合熱效率高達(dá)供熱式機(jī)組綜合熱效率高達(dá)80%連續(xù)工作的回轉(zhuǎn)機(jī)械，可以具有較大功率連續(xù)工作的回轉(zhuǎn)機(jī)械，可以具有較大功率 目前單臺(tái)機(jī)組容量已突破目前單臺(tái)機(jī)組容量已突破1300MW運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、事故率較低、充分提高了設(shè)備利運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、事故率較低、充分提高了設(shè)備

2、利用率用率 一般可保持一般可保持34年大修一次年大修一次q發(fā)電拖動(dòng) 火力發(fā)電廠、核電廠火力發(fā)電廠、核電廠q工業(yè)拖動(dòng) 鋼鐵廠、造紙廠、化工廠鋼鐵廠、造紙廠、化工廠q艦船拖動(dòng) 大型遠(yuǎn)洋船舶、軍事大型艦艇、核動(dòng)力航空母艦大型遠(yuǎn)洋船舶、軍事大型艦艇、核動(dòng)力航空母艦 l蒸汽在噴嘴中發(fā)生膨脹，壓力降低，速度增加，熱能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能。高速汽流流經(jīng)動(dòng)葉片3時(shí)，由于汽流方向改變，產(chǎn)生了對(duì)葉片的沖動(dòng)力，推動(dòng)葉輪2旋轉(zhuǎn)作功，將蒸汽的動(dòng)能變成葉輪軸旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能。這種利用沖動(dòng)力作功的原理，稱(chēng)為沖動(dòng)作用原理。左圖所示：蒸汽在噴嘴中發(fā)生膨脹，壓力由p0降至p1，流速?gòu)腸0增至c1，將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能。蒸汽進(jìn)入動(dòng)葉柵后，改變

3、流動(dòng)方向，產(chǎn)生了沖動(dòng)作用力使葉輪旋轉(zhuǎn)作功，將蒸汽動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)子的機(jī)械能。蒸汽離開(kāi)動(dòng)葉柵的速度降至c2。由于蒸汽在動(dòng)葉柵中不膨脹，所以動(dòng)葉柵前后壓力相等，即p1=p2。 左圖所示為一種具有三個(gè)沖動(dòng)級(jí)的多級(jí)沖動(dòng)式汽輪機(jī)。整個(gè)汽輪機(jī)的比焓降分別由三個(gè)沖動(dòng)級(jí)加以利用。蒸汽進(jìn)入汽缸后，在第一級(jí)噴嘴2中發(fā)生膨脹，壓力由p0降至p1，汽流速度由co增至c1，然后進(jìn)入第一級(jí)動(dòng)葉柵3中作功,作功后流出動(dòng)葉柵的汽流速度降至c2，由于蒸汽在動(dòng)葉柵中不發(fā)生膨脹，動(dòng)葉柵后的壓力（即第一級(jí)后壓力）即等于噴嘴后的壓力p1，從第一級(jí)流出的蒸汽，再依次進(jìn)入其后的兩級(jí)并重復(fù)上述作功過(guò)程，最后從排汽管中排出。 蒸汽的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能

4、的過(guò)程，不僅在噴嘴中發(fā)生，而且在動(dòng)葉片中也同樣發(fā)生的汽輪機(jī)，叫做反動(dòng)式汽輪機(jī)。在反動(dòng)式汽輪機(jī)中，蒸汽不但在噴嘴（靜葉柵）中產(chǎn)生膨脹，壓力由p0降至p1，速度由c0增至c1，高速汽流對(duì)動(dòng)葉產(chǎn)生一個(gè)沖動(dòng)力；而且在動(dòng)葉柵中也膨脹，壓力由p1降至p2，速度由動(dòng)葉進(jìn)口相對(duì)速度w1增至動(dòng)葉出口相對(duì)速度w2,汽流必然對(duì)動(dòng)葉產(chǎn)生一個(gè)由于加速而引起的反動(dòng)力，使轉(zhuǎn)子在蒸汽沖動(dòng)力和反動(dòng)力的共同作用下旋轉(zhuǎn)作功。 項(xiàng) 目沖動(dòng)式反動(dòng)式動(dòng)葉片出、入側(cè)橫截面形狀勻稱(chēng)，汽流流道從入口到出口其面積基本不變。不對(duì)稱(chēng)，葉型入口較肥大，而出口側(cè)較薄，蒸汽流道從入口到出口呈漸縮狀。進(jìn)汽方式大部分噴嘴調(diào)節(jié)全周進(jìn)汽推力平衡方法葉輪上開(kāi)有平衡

5、孔轉(zhuǎn)鼓上設(shè)有平衡活塞蒸汽壓降產(chǎn)生部位僅在隔板的噴嘴中靜葉片、動(dòng)葉片均有動(dòng)葉片安裝部位轉(zhuǎn)子葉輪圓周轉(zhuǎn)鼓圓周相同功率體積小大相同功率設(shè)備造價(jià)低高凝汽式汽輪機(jī)凝汽式汽輪機(jī) 進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽，除很少一部分泄漏外，全部排入凝汽器。背壓式汽輪機(jī)背壓式汽輪機(jī) 排汽壓力高于大氣壓力的汽輪機(jī)稱(chēng)為背壓式汽輪機(jī)。 調(diào)節(jié)抽汽式汽輪機(jī)調(diào)節(jié)抽汽式汽輪機(jī) 部分蒸汽在一種或兩種給定壓力下抽出對(duì)外供熱，其余蒸汽作功后仍排入凝汽器。 中間再熱式汽輪機(jī)中間再熱式汽輪機(jī) 新蒸汽經(jīng)汽輪機(jī)前幾級(jí)作功后，全部引至加熱裝置再次加熱到某一溫度，然后再回到汽輪機(jī)繼續(xù)作功。 按工作原理分類(lèi)按工作原理分類(lèi) v沖動(dòng)式汽輪機(jī)沖動(dòng)式汽輪機(jī) 按沖動(dòng)作用原理

6、工作的汽輪機(jī)稱(chēng)為沖動(dòng)式汽輪機(jī)按沖動(dòng)作用原理工作的汽輪機(jī)稱(chēng)為沖動(dòng)式汽輪機(jī) v反動(dòng)式汽輪機(jī)反動(dòng)式汽輪機(jī) 按反動(dòng)作用原理工作的汽輪機(jī)稱(chēng)為反動(dòng)式汽輪機(jī)按反動(dòng)作用原理工作的汽輪機(jī)稱(chēng)為反動(dòng)式汽輪機(jī) v混合式汽輪機(jī)混合式汽輪機(jī) 由按沖動(dòng)原理工作的級(jí)和按反動(dòng)原理工作的級(jí)組合而成由按沖動(dòng)原理工作的級(jí)和按反動(dòng)原理工作的級(jí)組合而成的汽輪機(jī)稱(chēng)為混合式汽輪機(jī)的汽輪機(jī)稱(chēng)為混合式汽輪機(jī)按新按新( (主主) )蒸汽壓力分類(lèi)蒸汽壓力分類(lèi) 低壓汽輪機(jī)新蒸汽壓力為低壓汽輪機(jī)新蒸汽壓力為1.2 MPa1.2 MPa2MPa2MPa； 中壓汽輪機(jī)新蒸汽壓力為中壓汽輪機(jī)新蒸汽壓力為2.1 MPa2.1 MPa8MPa8MPa； 高壓汽輪

7、機(jī)新蒸汽壓力為高壓汽輪機(jī)新蒸汽壓力為8.1 MPa8.1 MPa12.5MPa12.5MPa； 超高壓汽輪機(jī)超高壓汽輪機(jī) 新蒸汽壓力為新蒸汽壓力為12.6MPa12.6MPa15.1MPa15.1MPa； 亞臨界汽輪機(jī)亞臨界汽輪機(jī) 新蒸汽壓力為新蒸汽壓力為15.1MPa15.1MPa22MPa22MPa； 超臨界汽輪機(jī)超臨界汽輪機(jī) 新蒸汽壓力為新蒸汽壓力為22.12MPa22.12MPa25MPa25MPa； 超超臨界汽輪機(jī)超超臨界汽輪機(jī) 新蒸汽壓力為新蒸汽壓力為25.025.0MPaMPa以上。以上。 汽輪機(jī)由轉(zhuǎn)動(dòng)部分和靜止部分所組成。汽輪機(jī)由轉(zhuǎn)動(dòng)部分和靜止部分所組成。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部件的組合體

8、稱(chēng)為轉(zhuǎn)子，它包汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部件的組合體稱(chēng)為轉(zhuǎn)子，它包括主軸、葉輪括主軸、葉輪( (或轉(zhuǎn)鼓或轉(zhuǎn)鼓) )、動(dòng)葉柵、聯(lián)軸器、動(dòng)葉柵、聯(lián)軸器及裝在軸上的其他零件。蒸汽作用在動(dòng)葉及裝在軸上的其他零件。蒸汽作用在動(dòng)葉柵上的力矩，通過(guò)葉輪、主軸和聯(lián)軸器傳柵上的力矩，通過(guò)葉輪、主軸和聯(lián)軸器傳遞給發(fā)電機(jī)或其他設(shè)備，并使它們旋轉(zhuǎn)而遞給發(fā)電機(jī)或其他設(shè)備，并使它們旋轉(zhuǎn)而作功。汽輪機(jī)的靜止部分包括基礎(chǔ)、臺(tái)板作功。汽輪機(jī)的靜止部分包括基礎(chǔ)、臺(tái)板( (機(jī)座機(jī)座) )、汽缸、噴嘴、隔板、汽封、軸承、汽缸、噴嘴、隔板、汽封、軸承等部件，但主要是汽缸和隔板。等部件，但主要是汽缸和隔板。 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子在高溫蒸汽中高速旋轉(zhuǎn)，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子在

9、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(yīng)力，而且還承受著本身離心力所引起的應(yīng)力，而且還承受著由溫度差所引起的熱應(yīng)力。此外，當(dāng)轉(zhuǎn)子由溫度差所引起的熱應(yīng)力。此外，當(dāng)轉(zhuǎn)子不平衡質(zhì)量過(guò)大時(shí)，將引起汽輪機(jī)的振動(dòng)。不平衡質(zhì)量過(guò)大時(shí)，將引起汽輪機(jī)的振動(dòng)。因此，轉(zhuǎn)子的工作狀況對(duì)汽輪機(jī)的安全、因此，轉(zhuǎn)子的工作狀況對(duì)汽輪機(jī)的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有著很大的影響。經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有著很大的影響。 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(過(guò)盈配合)在主軸上，并用鍵傳遞力矩。主軸加工成階梯形，中間直徑大，只適用于中、低參數(shù)的汽輪機(jī)和

10、高參數(shù)汽輪機(jī)的中、低壓部分，其工作溫度一般在400以下。 葉輪和主軸及其他主要零部件是用整體毛坯加工制成的。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(lái)檢查鍛件的質(zhì)量；減輕轉(zhuǎn)子的重量。高參數(shù)或超高參數(shù)機(jī)組的高壓轉(zhuǎn)子，防止高溫下松動(dòng)是主要的，因此廣泛采用整鍛轉(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(diǎn)。組合轉(zhuǎn)子廣泛用于高參數(shù)、中等功率的汽輪機(jī)上。 由若干個(gè)實(shí)心輪盤(pán)和端軸拼合焊接而成。焊接轉(zhuǎn)子的主要優(yōu)點(diǎn)是：不存在松動(dòng)問(wèn)題；采用實(shí)心的輪盤(pán)，強(qiáng)度高，不需要葉輪輪殼，結(jié)構(gòu)緊湊；輪盤(pán)和轉(zhuǎn)子可以單獨(dú)

11、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(yàn)技術(shù)要求高且比較復(fù)雜，這一切在一定程度下妨礙了焊接轉(zhuǎn)子的應(yīng)用。 葉輪是一種圓盤(pán)形的零件，它一般由輪緣、輪體(輪面)和輪殼三部分組成。輪緣用來(lái)固定葉片，其具體結(jié)構(gòu)與葉片的受力情況及葉根形狀有關(guān)，大多數(shù)輪緣具有比輪體為大的截面。輪殼是葉輪套于主軸上的配合部分，故只有套裝轉(zhuǎn)子才有，其結(jié)構(gòu)取決于葉輪在主軸上的套裝方式，為了保證輪殼有足夠的強(qiáng)度，輪殼部分一般都要加厚。輪體是葉輪的中間部分，它起著連接輪緣與輪殼的作用，其斷面應(yīng)根據(jù)受力情況來(lái)確定。動(dòng)葉片是汽輪機(jī)中數(shù)量最大和種類(lèi)最多的零件，它的

12、結(jié)構(gòu)、材料和裝配質(zhì)量對(duì)汽輪機(jī)的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有極大的影響。在汽輪機(jī)的事故中，葉片事故約占60%70%左右，所以必須予以足夠的重視。葉片應(yīng)具有良好的流動(dòng)特性、足夠的強(qiáng)度、滿(mǎn)意的轉(zhuǎn)動(dòng)特性、合理的結(jié)構(gòu)和良好的工藝性能。 葉片通過(guò)葉根固定在葉輪上，葉根與葉輪的連接應(yīng)該牢固可靠，而且應(yīng)保證葉片在任何運(yùn)行條件下不會(huì)松動(dòng)。同時(shí)，葉根的結(jié)構(gòu)應(yīng)在滿(mǎn)足強(qiáng)度的條件下盡量簡(jiǎn)單，使制造、安裝方便，并使葉輪輪緣的軸向尺寸為最小。隨著動(dòng)葉片的圓周速度和長(zhǎng)度的不同，其葉根所受的作用力也不同，這就需要采用不同的葉根結(jié)構(gòu)型式。 拉金用來(lái)將葉片連成葉片組，其作用是增加葉片的剛性以改善其振動(dòng)特性。拉金通常作成棒狀(實(shí)心拉金)或管狀(

13、空心拉金)，穿在葉型部分的拉金孔中。拉金與葉片之間有 焊接的(焊接拉金) ，也有不焊接的(松拉金或阻尼拉金)。在一級(jí)葉片中一般有12圈拉金，最多不超過(guò)3圈。 用拉金連接葉片的方式有：分組聯(lián)接、整圈聯(lián)接及組間連接等方式， 汽缸從高壓向低壓方向看，大致上呈圓筒形或汽缸從高壓向低壓方向看，大致上呈圓筒形或圓錐形。為了便于加工、安裝及檢修，汽缸一般作圓錐形。為了便于加工、安裝及檢修，汽缸一般作成水平對(duì)分式，即分為上、下汽缸，水平結(jié)合面一成水平對(duì)分式，即分為上、下汽缸，水平結(jié)合面一般用法蘭螺栓連接，另外，為了合理利用材料和便般用法蘭螺栓連接，另外，為了合理利用材料和便于加工、運(yùn)輸，汽缸也常按缸內(nèi)壓力高低

14、沿軸向分于加工、運(yùn)輸，汽缸也常按缸內(nèi)壓力高低沿軸向分為幾段，垂直結(jié)合面也采用法蘭螺栓連接，由于垂為幾段，垂直結(jié)合面也采用法蘭螺栓連接，由于垂直結(jié)合面一般不需拆卸，為保證其嚴(yán)密性，有些汽直結(jié)合面一般不需拆卸，為保證其嚴(yán)密性，有些汽缸還在結(jié)合面的內(nèi)圓加以密封焊。缸還在結(jié)合面的內(nèi)圓加以密封焊。 隔板用于固定噴嘴葉片，并隔板用于固定噴嘴葉片，并將整個(gè)汽缸內(nèi)部空間分隔成將整個(gè)汽缸內(nèi)部空間分隔成若干個(gè)汽室。它主要由隔板若干個(gè)汽室。它主要由隔板體，噴嘴葉柵和隔板外緣等體，噴嘴葉柵和隔板外緣等部分組成。隔板通過(guò)外緣直部分組成。隔板通過(guò)外緣直接安裝在汽缸或隔板套內(nèi)專(zhuān)接安裝在汽缸或隔板套內(nèi)專(zhuān)門(mén)的凹槽中。為了安裝和拆門(mén)的凹槽中。為了安裝和拆卸方便，隔板沿水平中分面卸方便，隔板沿水平中分面對(duì)分為上、下兩半塊，稱(chēng)上、對(duì)分為上、下兩半塊，稱(chēng)上、下隔板。為了使上下隔板對(duì)下隔板。為了使上下隔板對(duì)準(zhǔn)，并防止漏汽，在水平中準(zhǔn)，并防止漏汽，在水平中分面加裝密封鍵和定位銷(xiāo)。分面加裝密封鍵和定位銷(xiāo)。在隔板體的內(nèi)孔壁有安裝汽在隔板體的內(nèi)孔壁有安裝汽封環(huán)的槽道。封環(huán)的槽道。 汽輪機(jī)通流部分的動(dòng)、汽輪機(jī)通流部分的動(dòng)、靜機(jī)件之間，為了避免靜機(jī)件之間，為了避免碰磨，必須留有一定的碰磨，必須留有一定的間隙，而間隙的存在又間隙，而間隙的存在又會(huì)導(dǎo)致漏汽，使汽輪機(jī)會(huì)導(dǎo)致漏汽，使汽輪機(jī)效率降低。為此，在