汽轮机培训课本.docx

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汽轮机培训课本

汽轮机概述

1工业汽轮机使用情况简介

汽轮机又叫蒸汽透平，它是以水蒸汽为工质，转子按一定方向作旋转运动的连续工作的原动机。

广泛地应用于发电、船舰、冶金、石油、化工等工业部门，已有一百多年的历史。

工业汽轮机是指除去中心电站、中心热电站及船舰用汽轮机以外的其它有关行业中使用的汽轮机都统称为工业汽轮机。

三十年代冶金工业加速了工业汽轮机的发展，尤其是六十年代初期高压离心式压缩机用于合成氨、乙烯生产，使工业汽轮机获得极其广泛地使用。

为什么汽轮机在国内外、在许多工业部门获得非常广泛地应用呢？

主要因为汽轮机具有以下几个优点：

1.功率范围大：

由几千瓦的小汽轮机到110万千瓦的大型汽轮机都可以生产，供给各工业部门选用。

2.效率较高：

在所有的原动机中，汽轮机装置的效率仅比柴油机稍低，而比燃气轮机、蒸汽机的效率高许多，使用汽轮机可使产品成本降低。

3.汽轮机的转速易于调节，变转速运行的灵敏性及稳定性使工业生产的实际要求获得满意地实现，自动化控制十分方便；

4.汽轮机的防爆、防潮性比电动机好，可以露天运行，在化工等防爆要求严格的场所使用汽轮机，安全性好。

5.汽轮机起动运行几乎不用电，减少对电网供电的依赖性，使运行费用降低。

6.汽轮机在高转速下效率更高，因此用它来驱动在高速运转的离心式压缩机、泵等，这样机组运行时经济性好。

7.便于实现热能的综合利用，这是最主要的优点。

在当今能源紧张的情况下，热能的利用尤为重要。

当然只有汽轮机还不能发挥上述优点，还有许多附属设备为汽轮机服务，构成蒸汽动力装置才行。

2汽轮机的简单蒸汽动力系统

汽轮机作原动机时必须具备如图所示的最基本的工作系统。

由给水泵、锅炉、过热器、汽轮机、凝汽器及管路等组成一个工作系统，在汽轮机的轴端用联轴节与发电机或压缩机、泵等负荷机连接，就可以做机械功。

用给水泵供给锅炉水，加热后水在锅炉与过热器中变成高温、高压的过热蒸汽，经管路及阀门流入汽轮机，逐级降压膨胀做功，使汽轮机转子转动并带动负荷机，向外输出功率。

作过功的排汽，流入凝汽器，排汽的热量被冷却水吸收带走而凝结成水，通过水泵又打回锅炉，这样就可做到循环使用。

3汽轮机的分类

汽轮机的类别和型式很多，分类方法也不同，可按其蒸汽压、汽流方向、结构型式、工作原理、热力特性以及用途等进行分类。

下面主要结合汽轮机的分类情况进一步加以说明：

1.按热力过程分类：

（1）凝汽式汽轮机：

纯凝汽式汽轮机一般简称为凝汽式汽轮机，如图所示，蒸汽在汽轮机中做功后，全部排入凝汽器，凝汽器的压力低于大气压力。

即排汽压力大于大气压力。

（2）抽汽凝汽式汽轮机：

如图所示，蒸汽在汽轮机前面几级做功后，将其中一部分蒸汽从气轮机中抽出去，送入相应的蒸汽管网供汽轮机或其它生产工艺加热用，其余的蒸汽在汽轮机的后几级做功后排入凝汽器。

（3）背压式汽轮机

如图所示，蒸汽进入汽轮机膨胀作功后在大于一个大气压力下排出气缸，即P排＞P大气，其排出汽送入相应的蒸汽管阀。

（1）多压式汽轮机

若工艺过程中有某一个压力的蒸汽用不完时，就把这股多余的蒸汽用管路注入汽轮机中的某个中间级内，与原来的蒸汽一起工作，这样就可以从多余的蒸汽中获得能量，得到一部分有用功，作为蒸汽热量的综合利用，称为注入式汽轮机。

如图所示。

1.按工作原理分类：

有冲动式、反动式、冲动与反动组合式汽轮机。

2.按结构分类：

有单级汽轮机、多级汽轮机和速度级汽轮机。

4汽轮机的工作原理

4.1冲动式汽轮机：

冲动式汽轮机的最简单结构，叶轮上配装一圈动叶片与叶轮喷嘴配合在一起，构成一个作功的简单机械。

我们把由喷嘴和与其相配合的动叶片构成的汽轮机作功单元称为级，由一个级组成的汽轮机叫单级汽轮机。

喷嘴又名静叶片，它是一个截面形状特殊且不断变化的通道。

由锅炉或其它蒸汽发生器中所产生的蒸汽，进入喷嘴后蒸汽发生膨胀，消耗了蒸汽的压力能。

即消耗了蒸汽的热能，蒸汽的压力与温度都下降了，而蒸汽的流速却增加了，获得了高速汽流。

喷嘴的作用就是将蒸汽的热能转换成动能。

动叶片又称工作叶片，在叶片的外圆周上装满的一整圈叶片，常叫动叶栅。

由喷嘴流出的高速汽流流过叶片时，其速度的大小及方向是一定的，汽流由于受到动叶片的阻碍（作用力），改变其原有速度的方向及大小，这时汽流必然给动叶片一个反作用力，推动叶片运动，将一部分动能转换成叶轮旋转的机械能。

由上述可知，在汽轮机连续工作过程中有两次能量转换，即热能→动能→机械能。

4.2速度级与压力级

前面已介绍了级的概念，从结构上看，汽轮机的一个级是由喷嘴（几个或整圆周布置的喷嘴）和一列动叶片组合起来的装置；从动作原理来看，就是造成高速汽流，并能将速度能转换成机械能，产生推力对外作功的基本单元。

级可以分为压力级与速度级，简单介绍如下：

1.压力级

在可以利用的蒸汽能量很大的情况下，只有一个级不能充分利用这些能量，这时我们把喷嘴和动叶片组成的级串联在同一根轴上，将蒸汽的能量分别在若干个级中加以利用。

从结构上看，就是一列喷嘴和一列动叶片，其后又一列喷嘴和一列动叶片，这样逐次排列下去，在第一列喷嘴进口处的蒸汽压力最高，以后逐次降低，这就是常见的多级汽轮机的结构形式，其中每个级，都叫做压力级。

2.速度级

除压力级外，在有些汽轮机上还没有速度级，速度级又叫复速级。

速度级与冲动式压力级的工作原理是一个样的，不同的是蒸汽的速度能在同一叶轮的轮缘上安置的两列动叶栅中分别加以利用。

4.3反动式汽轮机

反动式汽轮机是利用反作用力与冲击力将蒸汽的速度能转换为机械能的。

反动式的级仍然是由一列静叶栅和一列动叶栅组成。

它的工作原理是：

在静叶栅中汽流与流经喷嘴时相似，压力降低，容积膨胀，速度增加；而它的动叶栅也做成截面逐渐收缩汽道，汽流在动叶栅进一步降压、膨胀和加速，根据惯性定律可知，运动的物体不受外力作用的话，则一定按照它原来速度的大小和方向运动下去，汽流在动叶栅中既然获得了加速度，那必然有外力作用在气流上，这个力是由于在动叶栅中降低了汽流的压力和温度，即汽流的热能转换为动能所得到的。

在动叶栅中进一步使汽流降低压力、速增并以高速离开，这时汽流必然给动叶栅一个大小相等、方向相反的作用力，使动叶栅转动，带动轴旋转对外作功。

这就是反动汽轮机的作功原理。

5多级汽轮机简介

5.1多级汽轮机的工作原理

多级汽轮机它由依次排列的若干级串联组成。

蒸汽首先在第一级喷嘴内膨胀加速，然后进入动叶片作功。

经过这一级膨胀作功后再进入下一级继续膨胀作功。

如此按级顺次膨胀作功，直至从末级排出蒸汽为止。

对某一级来说，上一级的排汽参数就是后级的进汽参数。

5.2多级汽轮机的特点

1.可以实现高参数、大功率、高效率的要求；

2.可以使汽轮机高压段各级的效率提高；

3.在多级汽轮机中可以采用调节或非调节抽汽，供工业或其它用蒸汽，实现热能的综合利用，从而提高汽轮机组的经济性、降低产品成本。

4.余速动能获得利用，提高了汽轮机的效率。

5.前一级流动损失变成热量再加热蒸汽，提高后级蒸汽的焓值，既增加了下一级进口点的焓值，因此增加了作功能力，并提高了级的效率。

6.多级汽轮机的单级功率可以做得相当大，降低造价，且减少运行费用。

由于多级汽轮机的优点突出，因此一般大、中型汽轮机均为多级汽轮机。

我国引进的大型合成氨厂中，凡是大型离心式压缩机都用多级汽轮机驱动。

但多级汽轮机有结构复杂、成本高等不足之处。

a）轴向推动力及其平衡方法

蒸汽在汽轮机通流部分膨胀作功时，转子上受到两部分力。

一部分叫做轮周力，它是产生转矩对外作功的有益力；另一部分是从高压端指向低压端，企图推动转子向汽流流动方向移动的力，叫做轴向推力。

这种力应设法平衡掉。

轴向推力有多大呢？

各台汽轮机的轴向推力都不一样，但轴向推动相当大。

有的反动式高压汽轮机的轴向推力竟可达二、三百吨。

大功率的冲动式汽轮机，其轴向推力虽不及反动式汽轮机，但也有几十吨之大。

如此大的轴向推力，但靠推力轴承是不行的，往往采取措施平衡掉大部分轴向推力，余下小部分轴向力由推力轴承来承受。

推力轴除了承受转子上残余推力外，它还起保证转子在汽缸中的轴向位置得到固定的作用。

在运行中，若轴向推力增加到超过推力轴承所能承担的负荷时，就会使推力瓦块上的巴氏合金烧化，转子发生轴向移动，这将引起转子与静子，动叶片与喷嘴产生碰撞，出现重大事故。

由此可见，了解汽轮机轴向推力是如何产生的，以及懂得平衡轴向推力的方法，以确保推力轴承和机组安全经济运行是十分重要的。

1.轴向推力的产生

在一般情况下，作用在汽轮机转子上的轴向推力有下面几种：

（1）作用在动叶片上的轴向推力

（2）作用在叶轮上的轴向推力

（3）由于轴的直径差别而产生的轴向推力。

转子上总的轴向推力等于各部分轴向推力的代数和。

此值就是推力轴承的负荷。

2.轴向推力的平衡方法

在多级汽轮机的设计过程中，希望作用在转子上的轴向推力尽可能设法自动平衡，而使推力轴承主要用来固定转子的轴向位置，并承担较小的未完全平衡掉的轴向推力，这样既可使推力轴承的尺寸较小，又可使推力轴承安全可靠地工作。

在多级汽轮机中，常用的平衡轴向推力的方法有以下几种:

（1）平衡活塞

在转子通流部分的对侧，将转子做成阶梯形，以产生相反方向的轴向推力，此平衡轴向推力的阶梯凸台叫做平衡活塞。

活塞右侧为高压蒸汽，而活塞左侧与排汽室相通，作用着低压蒸汽，因此作用在平衡活塞上有个向左的轴向推力。

以抵消部分轴向推力。

对冲动式汽轮机来说，总的轴向推力比反动式汽轮机小，所以一般都不用平衡活塞。

在轴向推力较大的情况下，一般将高压端汽封套的直径做得大一些，使它具有类似平衡活塞的作用。

（2）开平衡孔

在冲动式汽轮机的叶轮上，虽然轮盘两边的压力差不大，但是叶轮的面积却很大，因而作用在叶轮上的轴向推力可能达到相当大的数量。

为了减少这个力，在轮盘上开有贯通两侧的几个孔叫平衡孔。

一般5～7个奇数孔。

平衡孔一般都开成单数，以免在叶轮的同一直径上形成两个对称的平衡孔，严重影响叶轮的强度。

（3）采用相反流量的布置方法

为了自动平衡轴向推力，可把蒸汽在汽轮机内的流动安排成向相反方向的流动，使产生的轴向推力方向相反，以相互抵消而达到平衡。

6汽轮机的结构

汽轮机所以能发出功率主要是经过能量的两次转换，第一次是热能转换成动能，这是在喷嘴中实现的，喷嘴做成静止的零件，用各种不同的方法固定在汽缸上，形成汽轮机的静子部分，而第二次能量转换是在动叶栅中实现的，而动叶栅是采用各种不同的安装方法装在一个转动轴上，形成汽轮机的转动部分，所以汽轮机的主要结构包括两大部分，即转子部分和静子部分。

6.1转子

转子安放在汽缸中，靠固定在汽缸上的前后两个轴承支撑，转子是由主轴、叶轮、叶轮片组装而成的，并经联轴节与被驱动机械相连接。

转子作高速回转，把蒸汽作用到叶片上的力矩传递给被驱动机械，使汽轮机对外作功。

为了使转子安全可靠的运行，必须满足下面要求：

1.转子必须有一定的强度，以满足支持自身重量和传递扭矩的要求。

2.转子必须经过严格的动平衡，以免在高速旋转时产生过大的离心力，引起汽轮机的振动和损坏。

3.必须使汽轮机的临界转速和额定转速避开，有一个安全距离，以免发生振动。

这三个方面的要求是转子安全运行的必备条件：

转子的结构型式：

整段式转子套装式转子组合式转子焊接式转子转鼓型转子

带有附着叶片的转子

6.2定子部分

汽轮机的汽缸热膨胀时所需的润滑系统，喷嘴组和隔板以及轴承构成了汽轮机的定子部分。

汽缸的作用是将汽轮机的通流部分（喷嘴、隔板、转子等）与大气隔开，保证蒸汽在汽轮机内完成其作功过程。

汽缸一方面要可靠的固定在机座上，又要在运行受热时可以自由膨胀，并且保证膨胀有一定的方向，以保持汽缸的中心轴线不会变动。

因此，汽缸和轴承座及机座之间有一系列的膨胀销子组成滑销系统。

它们的作用就是保证汽缸按规定方向自