汽轮机转子及构成.docx
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汽轮机转子及构成
汽轮机转子及构成
1转子定义
汽轮机所有转动部件的组合体称为转子〔图13〕。
它主要包括：
主轴、叶轮〔转鼓〕、叶片、联轴器等部件。
图13转子
转子的作用：
聚集各级动叶栅所得到的机械能，并传给发电机。
转子受力分析：
传递扭矩、离心力引起的应力、温度不均匀引起的热应力、轴系振动所产生的振动应力。
汽轮机转子在高温蒸汽中高速旋转，不仅要承受汽流的作用力和由叶片、叶轮本身离心力所引起的应力，而且还承受着由温度差所引起的热应力。
此外，当转子不平衡质量过大时，将引起汽轮机的振动，转子要承受轴系振动所产生的振动应力。
因此，转子的工作状况对汽轮机的平安、经济运行有着很大的影响。
2转子的分类
根据汽轮机的分类，转子分为两种：
轮式转子、鼓式转子。
前者用于冲动式汽轮机，后者用于反动式汽轮机，鼓式转子上的动叶直接安装在转鼓上。
按临界转速是否在运行转速范围内，分为刚性转子和柔性转子。
在启动过程中，刚性转子启动就很方便，不存在跨临界区域，而柔性转子因需要快速的跨临界，故要求用户在实际启动过程中，要充分暖机，为快速跨临界作好准备。
1、轮式转子
轮式转子根据转子构造和制造工艺的不同，可分为：
套装转子、整段转子、焊接转子以及组合转子。
1-油封环2-轴封套3-轴4-动叶栅5-叶轮6-平衡槽
图14套装转子示意图
〔1〕套装转子
套装转子的叶轮、轴封套、联轴器等部件和主轴是分别制造的，然后将它们热套在主轴上，各部件与主轴之间采用过盈配合，并用键传递力矩。
主轴加工成阶梯形，中间直径大。
适用性：
只适用于中、低参数的汽轮机和高参数汽轮机的中、低压局部，其工作温度一般在400℃以下。
不宜用于高温高压汽轮机的高、中压转子。
①优点：
加工方便，材料利用合理，质量容易得到保证。
②缺点：
轮孔处应力较大，转子刚性差，高温下套装处易松动。
〔2〕整锻转子
叶轮和主轴及其他主要零部件由整体毛坯加工制成，没有热套部件。
主轴的中心通常钻有中心孔，其作用是：
①去掉锻件中残留的杂质及疏松局部；
②用来检查锻件的质量；
③减轻转子的重量。
其缺陷在于：
①使转子工作应力增大，制造本钱增加；
②运行中易出现中心孔进油、进水、腐蚀，引起转子不明的振动；
③检修、动平衡复杂。
随着锻造、热处理及探伤技术水平的提高，无中心孔的转子构造应运而生。
①优点：
不会出现零件松动问题，构造紧凑，强度、刚度高，适合高温、高应力环境下工作；
②缺点：
贵重材料消耗大，对加工工艺要求高。
适用性：
中小型汽轮机的高压转子、大型汽轮机的任何转子〔高参数或超高参数机组的高压转子〕。
图15整锻转子毛坯
〔3〕焊接转子
假设干实心轮盘、端轴单独铸造，然后焊接加工。
焊接转子的主要优点是：
不存在松动问题；采用实心的轮盘，强度高，不需要叶轮轮壳，构造紧凑；轮盘和转子可以单独制造，材料利用合理，加工方便且易于保证质量；焊成整体后转子刚性较大等。
但是焊接转子要求材料的可焊性好，焊接工艺及检验技术要求高且比拟复杂，这一切在一定程度下阻碍了焊接转子的应用。
图16整锻转子示意图
1-叶轮2-焊缝3-动叶栅4-平衡槽5-联轴器的连接轮
图17焊接转子示意图
〔4〕组合转子
根据各段的工作条件不同，在同一转子上，高压局部采用整锻构造，中、低压局部采用套装构造，从而兼得整锻转子和套装转子的优点。
适用性：
广泛用于高参数、中等功率的汽轮机上。
图18组合转子示意图
2、鼓式转子
反动式汽轮机采用，无叶轮，动叶片直接装在转鼓的凸环上〔反动式汽轮机级数较多，动叶栅的反动度大，采用转鼓式转子可缩短轴向长度，防止轴向推力过大〕
图19鼓式整锻转子
附表不同转子构造的比拟
序号
工程
套装转子
整锻转子
焊接转子
组合转子
1
构造紧凑程度
不紧凑
紧凑
紧凑
中等
2
转子零件
多
少
少
中等
3
加工周期
短
长
长
中等
4
锻件质量保证程度
容易
较难
中等
中等
5
轮孔应力
高
低
低
高
6
锻件大小
小
大
小
中等
7
转子刚度
小
大
大
中等
8
转子静挠度
大
小
小
中等
9
启动速度
慢
快
快
中等
10
叶轮松动可能
有
无
无
11
应力腐蚀程度
易
不易
不易
易
12
转子重量
较轻
较重
较轻
中等
13
不同材料合理应用
能
不能
能
能
14
制造本钱
较低
较高
较低
中等
3、转子的选材
转子材料选择要素：
转子工作温度、构造特点、应力状态、工作条件以及材料使用的经济性；叶轮、转子的材料应具有足够的机械强度和韧性，性能稳定，金项组织均匀、无损探伤合格、热处理和冷热工艺性良好。
高温下工作的部件，不仅要考虑工作温度下的屈服极限，还要考虑工作温度下的持久强度和蠕变强度。
对于套装转子，叶轮的材料通常采用34CrMo1A和35CrMoV,载荷较大的低压叶轮可用34CrNi3Mo;套装转子的主轴，根据工作温度和应力状态分别选用45或34CrMo1A。
对于整锻转子，可根据工作温度分档选取，工作温度低于480℃，可选用34CrMo1A，工作温度低于540℃时，可选用34Cr2MoV或30Cr1Mo1V；低压整锻转子工作温度较低，要求材料在常温下有较高的机械强度和低的脆性转变温度，常采用30Cr2Ni4MoV。
工作温度到达600℃时，可选用X12CrMoWVNbN10-1-1
对于焊接转子，材料要有良好的焊接性能，可选用25Cr2NiMoV。
3动叶片
在汽轮机工作过程中随汽轮机转子一起转动的叶片称工作叶片，动叶片安装在转子叶轮（冲动式汽轮机）或转鼓〔反动式汽轮机〕上，承受喷管叶栅射出的高速汽流，把蒸汽的动能转换成机械能，带动转子旋转。
动叶由叶型、叶根、叶顶三局部组成。
1、叶型
〔1〕按照蒸汽经过叶片时的膨胀程度来分为冲动式叶片和反动式叶片；
〔2〕按照截面积变化来分为等截面叶片和变截面叶片。
等截面叶片的截面积沿叶高是不变的，变截面叶片的截面积沿叶高按照一定的规律减小，即叶片绕各截面形心连续发生扭转，通常又称为扭曲叶片。
叶身是动叶片的主要局部，它构成汽流通道。
它的横截面形状称作叶型，叶型的周线称为型线。
图20动叶片的组成
a冲动式叶片b反动式叶片
图21冲动式叶片、反动式叶片示意图
2、叶根
将动叶片固定在叶轮或转鼓上的连接局部，使其在经受汽流的推力和旋转离心力作用下，不致于从轮缘沟槽里拔出来。
它的构造应保证在任何运行条件下都能结实地固定
常用的叶根构造型式有：
T型、叉型和枞树型。
〔1〕T型叶根构造简单、加工方便、工作可靠为短叶片普遍采用。
它的缺点是叶片的离心力对轮缘两侧截面产生弯矩，使轮缘有X开的趋势。
故将叶根和轮缘上做成凸肩形。
T型和菌型叶根属于周向装配式叶根。
这类叶根的轮缘槽上开有一个或两个缺口，叶片就从这些缺口一片片依次装入轮缘槽中。
最后装在缺口处的叶片叫做封口叶片，研配装入后用两个铆钉固定在轮缘上。
周向装配式叶根的缺点是当个别叶片损坏时，不能单独拆换，而必须将局部或全部叶片拆下重装。
〔a〕等截面直叶片〔b〕变截面扭曲叶片
1-叶顶2-叶型3-叶根
图22等截面直叶片、变截面扭曲叶片示意图
〔2〕叉型叶根的叉尾直接插入轮缘槽内，并用两排铆钉固定叉尾，叉尾数可根据叶片离心力大小选择。
叉型叶根强度高、适应性好。
检修时可以单独拆换个别叶片，所以被大功率汽轮机末几级广泛采用。
但装配时比拟费工，且轮缘较厚，钻铆钉孔不便由于整锻转子和焊接转子的工作空间小，给钻铆钉孔带来了困难，所以这两种转子一般不用叉型叶根。
〔3〕枞树型叶根沿轴向直接装入轮缘相应的枞树槽中。
这种叶根承载能力强，叶根齿数可根据离心力大小决定，同时拆装容易，故被大功率的调节级和末几级采用。
但由于其加工面多，精度要求高，所以受到限制。
a-T型叶根b-外包T型叶根c-双T型叶根d-转入T型叶根的切口
图23T型叶根
图24叉形叶根
图25枞树型叶根
3、叶顶
汽轮机的短叶片和中长叶片通常在叶顶用围带连在一起，构成叶片组。
长叶片在叶型局部用拉金连接成组，或者围带和拉金都不用，成为自由叶片。
〔1〕高、中压转子使用的短叶片，由围带连成叶片组，围带的作用：
①减小叶片工作的弯应力；
②增加叶片刚性，调整叶片的自振频率，避开共振；
③使叶片顶部封闭，防止蒸汽从汽道顶部泄漏，减少叶顶漏汽，降低漏汽损失。
〔2〕低压转子使用的长叶片，由拉金连成叶片组，拉金的作用：
增加叶片刚性；调整叶片的自振频率，避开共振，改善振动性能；但增加了蒸汽流动阻力，且会削弱叶片强度，所以在满足叶片振动和刚度要求下，尽量防止采用拉金。
拉金一般是以6～12mm的金属丝或金属管，穿在叶身的拉金孔中。
拉金与叶片之间可以是焊接的〔焊接拉金〕，也可以是不焊接的〔松拉金〕。
在一级叶片中，一般有1~2圈拉金，最多不超过3圈拉金。
拉金处在汽流通道中间，将影响级内汽流流动，同时，拉金孔削弱了叶片的强度，所以在满足振动和强度要求的情况下，有的长叶片可设计成自由叶片。
有的低压叶片，不用拉金，呈自由叶片。
一般，自由叶片和仅用拉金固定成组的叶片都将顶部削薄，可起到汽封齿的作用；且一旦发生动、静局部摩擦，可减轻事故程度，保护汽轮机。
图26拉金与围带
4、叶片构造
〔1〕成组叶片〔叶片组〕：
用围带、拉金连在一起的数个叶片
〔2〕整圈连接叶片：
用围带、拉金将全部叶片连结在一起
〔3〕单个叶片（自由叶片）：
不用围带、拉金连结的叶片
附图：
a-实心焊接拉金b-实心松装拉金c-空心松装拉金d-剖分松装拉金e-z装拉金
图27拉金的形式
a-成组连接b-网状连接c-整圈连接d-z形连接
图28拉金的连接方式
a、b-整体围带c-铆接围带d-弹性拱形围带
图29围带的形式
3叶轮
1、叶轮及其组成
〔1〕概念：
用来安装动叶片并将汽流对动叶栅的作用力所产生的扭矩传递给转子。
〔2〕位置：
装于主轴或与主轴联成一体，装上动叶片后置于汽缸内。
〔3〕构造组成：
轮缘、轮面、轮毂〔套装转子才有〕。
套装转子上的叶轮有轮缘、轮面和轮毂三局部组成。
整锻转子和焊接转子上的叶轮只有轮缘和轮体两局部。
轮缘：
轮缘上开有安装动叶片的叶根槽，大多数轮缘具有比轮体大的截面。
轮面：
将轮缘和轮毂或主轴连成一体。
轮面上通常开有平衡孔〔奇数、均匀分布〕。
轮毂：
将叶轮套在主轴上的配合局部，减小叶轮内孔应力的加厚局部。
2、叶轮分类
按叶轮断面的型线分类
〔1〕等厚度叶轮：
加工方便，轴向尺寸小，但强度低，通常用于叶轮直径较小的高压局部；
〔2〕锥形叶轮：
加工方便，强度高，得到广泛应用；
〔3〕等强度叶轮：
无中心孔，强度最高，但加工要求高，多用于轮盘式焊接转子。
1-轮缘2-轮体3-轮毂4-主轴5-平衡孔
a、b、c-等厚度叶轮d-锥形叶轮e-等强度叶轮
图30叶轮构造示意图〔左图〕及叶轮分类〔右图〕
4联轴器
1、定义：
联轴器是用来联接不同机构中的两根轴〔主动轴和从动轴〕使之共同旋转以传递扭矩的机械零件。
又称靠背轮、对轮或联轴节。
在高速重载的动力传动中，有些联轴器还有缓冲、减振和提高轴系动态性能的作用。
联轴器由两半局部组成，分别与主动轴和从动轴联接。
一般动力机大都借助于联轴器与工作机相联接。
在汽轮机设备中，联轴器的作用是连接汽轮机各转子以及汽轮机转子与发电机转子，借以将蒸汽作用在汽轮机转子上的扭矩传递给发电机转子，使发电机转子旋转，从而产生电能。
2、联轴器的分类：
刚性、半挠性和挠性联轴器。
〔1〕刚性联轴器
优点：
构造简单、连接刚性强、传递功率大，轴向尺寸短、工作可靠、不需要润滑、没有噪声，可传递轴向力和径向力，多段转子可只用一个联轴器，可在刚性联轴器处省去一个支持轴承。
缺点：
对中要求严格，不能吸收振动。
应用：
大功率汽轮机各转子的连接普遍采用刚性联轴器
①装配式刚性联轴器：
联轴器用热套加双键分别装在相对的轴端上，对准中心后再一起铰孔，并用配合螺栓紧固，以保证两个转子同心，螺栓、螺孔分别打有相应编号，不能互换。
②整锻式刚性联轴器：
它的联轴器与主轴成一整体。
这种联轴器的强度和刚度均较装配式高，也无松动危险。
1、2-对轮3-螺栓4-垫圈5-键6、7-转子
（a）装配式〔套装〕刚性联轴器（b）整锻式刚性联轴器
图31刚性联轴器
〔2〕、半挠性联轴器
优点：
两半联轴器之间加了一段波形圆筒。
他在传递扭矩时是呈刚性的，在弯曲方向是挠性的。
因波形套筒具有一定的弹性，可吸收局部转子之间传递的振动，允许相邻两轴端之间有少许的不同心度和端面瓢偏度。
缺点：
传递功率较小，传递轴向推力能力差，构造较复杂，需专门的润滑装置。
应用：
中、小容量机组或机组主轴与主油泵的连接。
1、2-对轮3-波形套筒4、5-螺栓6-齿轮〔盘车用〕
图32半挠性联轴器
〔3〕挠性联轴器
优点：
一般有齿轮式和弹簧式两种。
这类联轴器不传递轴向推力，根本不传递振动，对中要求低。
挠性联轴器分为齿轮式联轴器和蛇形弹簧式联轴器。
缺点：
易磨损，需要润滑，造价高。
应用：
多用于小型汽轮机与给水泵的连接上。
〔a〕齿轮式联轴器〔b〕蛇形弹簧式联轴器
1、2-齿轮3、4-螺帽5-套筒6、7-挡环8-螺钉
图33挠性联轴器
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