汽轮机技术问答-汽轮机设备结构与工作原理

1.汽轮机工作的基本原理是怎样的?汽轮机发电机组是如何发出电来的?

具有一定压力、温度的蒸汽,进入汽轮机,流过喷嘴并在喷嘴内膨胀获得很高的速度。高速流动的蒸汽流经汽轮机转子上的动叶片做功,当动叶片为反动式时,蒸汽在动叶中发生膨胀产生的反动力亦使动叶片做功,动叶带动汽轮机转子,按一定的速度均匀转动。这就是汽轮机最基本的工作原理。
从能量转换的角度讲,蒸汽的热能在喷嘴内转换为汽流动能,动叶片又将动能转换为机械能,反动式叶片,蒸汽在动叶膨胀部分,直接由热能转换成机械能。
汽轮机的转子与发电机转子是用联轴器连接起来的,汽轮机转子以一定速度转动时,发电机转子也跟着转动,由于电磁感应的作用,发电机静子线圈中产生电流,通过变电配电设备向用户供电。

 
2.汽轮机如何分类?
汽轮机按热力过程可分为:
⑴ 凝汽式汽轮机(代号为N)。
⑵ 一次调整抽汽式汽轮机(代号为C)。
⑶ 二次调整抽汽式汽轮机(代号为C、C)。
⑷ 背压式汽轮机(代号为B)。
按工作原理可分为:
⑴ 冲动式汽轮机。
⑵ 反动式汽轮机。
⑶ 冲动反动联合式汽轮机。
按新蒸汽压力可分为:
⑴ 低压汽轮机     新汽压力为1.18~1.47MPa。
⑵ 中压汽轮机     新汽压力为1.96~3.92MPa。
⑶ 高压汽轮机     新汽压力为5.88~9.81MPa。
⑷ 超高压汽轮机   新汽压力为11.77~13.75MPa。
⑸ 亚临界压力汽轮机  新汽压力为15.69~17.65MPa。
⑹ 超临界压力汽轮机  新汽压力为22.16MPa。
按蒸汽流动方向可分为:
⑴ 轴流式汽轮机。
⑵ 辐流式汽轮机。

 
3.汽轮机的型号如何表示?
汽轮机型号表示汽轮机基本特性,我国目前采用汉语拼音和数字来表示汽轮机型号,其型号由三段组成:
× ××-×××/×××/×××- ×
(第一段) (   第  二   段    ) (第三段)
第一段表示型式及额定功率(MW),第二段表示蒸汽参数,第三段表示设计变型序号。
例N100-90/535型表示凝汽式100MW汽轮机,新汽压力为8.82 MPa,新汽温度为535℃。
 
 
4.什么是冲动式汽轮机?
冲动式汽轮机指蒸汽主要在喷嘴中进行膨胀,在动叶片中蒸汽不再膨胀或膨胀很少,而主要是改变流动方向。现代冲动式汽轮机各级均具有一定的反动度,即蒸汽在动叶片中也发生很小一部分膨胀,从而使汽流得到一定的加速作用,但仍算作冲动式汽轮机。

 
5.什么是反动式汽轮机?
反动式汽轮机是指蒸汽在喷嘴和动叶中的膨胀程度基本相同。此时动叶片不仅受到由于汽流冲击而引起的作用力,而且受到因蒸汽在叶片中膨胀加速而引起的反作用力。由于动叶片进出口蒸汽存在较大压差,所以与冲动式汽轮机相比,反动式汽轮机轴向推力较大。因此一般都装平衡盘以平衡轴向推力。

 
6.什么是凝汽式汽轮机?
凝汽式汽轮机是指进入汽轮机的蒸汽在做功后全部排入凝汽器,凝结成水全部返回锅炉。
进入汽轮机的蒸汽,对于一般中压机组来说,每1kg蒸汽含热量约3223kJ,这些热量中只有837 kJ左右是做了功的,凝结水中约有126 kJ热量,约2240 kJ热量是被冷却排汽的冷却水带走了,这是一个很大的损失。对于高压汽轮机,由于进汽含热量大些(约3433 kJ左右),可用的热量相对来说要大些,但损失仍很大。为了减少这些损失,采用带回热设备的凝汽式汽轮机,就是把进入汽轮机做过一部分功的蒸汽抽出来,在回热加热器内加热锅炉的给水,使给水温度提高,节约燃料,提高经济性。

 
7.什么是调整抽汽式汽轮机?
从汽轮机某一级中经调压器控制抽出大量已经做了部分功的一定压力范围的蒸汽,供给其它工厂及热用户使用,机组仍设有凝汽器,这种型式的机组称为调整抽汽式汽轮机。它一方面能使蒸汽中的含热量得到充分利用,同时因设有凝汽器,当用户用汽量减少时,仍能根据低压缸的容量保证汽轮机带一定电负荷。

 
8.什么是中间再热式汽轮机?
中间再热式汽轮机就是蒸汽在汽轮机内做了一部分功后,从中间引出,通过锅炉的再热器提高温度(一般升高到机组额定温度),然后再回到汽轮机继续做功,最后排入凝汽器的汽轮机。

 
9.中间再热式汽轮机主要有什么优点?
中间再热式汽轮机优点主要是提高机组的经济性。在同样的初参数下,再热机组比不再热机组的效率提高4%左右。其次是对防止大容量机组低压末级叶片水蚀特别有利,因为末级蒸汽湿度比不再热机组大大降低。

 
10.大功率机组总体结构方面有哪些特点?
大功率汽轮机由于采用了高参数蒸汽、中间再热以及低压缸分流等措施,汽缸的数目相应增加,这就带来了机组布置、级组分段、定位支持、热膨胀处理等许多新问题。
从总体结构上讲,大功率汽轮机有如下特点:
⑴ 为了适应新蒸汽高压高温的特点,蒸汽室与调节汽门从高压汽缸壳上分离出来,构成单独的进汽阀体,从而简化了高压缸的结构,保证了铸件质量,降低了由于运行温度不均而产生的热应力。国产125MW、300MW机组的高、中压调节汽门以及200MW汽轮机的高压缸调节汽门都采用这种结构形式。
⑵ 高、中压级的布置采用两种方式。一种是高、中压级合并在一个汽缸内(上汽厂125MW机组和东方厂300MW机组上采用)。另一种是高、中压级分缸的结构(上汽厂300MW机组和国产200MW机组采用这种结构)。
⑶ 大功率汽轮机各转子之间一般用刚性联轴器连接,由此带来机组定位和胀差过大的问题,必须设置合理的滑销系统。
⑷ 大机组都装有胀差保护装置,一旦胀差超过极限时,便发出信号报警或紧急停机。
⑸ 大机组大都不把轴承布置在汽缸上,而采用全部轴承座直接由基础支持的方法。国产125MW、300MW汽轮机采用这种布置。

 
11.为什么大机组高、中压缸采用双层缸结构?
对大机组的高、中压缸来说,形状应尽量简单,避免特别厚、重的中分面法兰,以减少热应力、热变形以及由此而引起的结合面漏汽。
采用双层缸结构后,很高的汽缸内、外蒸汽压差由内、外两层分担承受,汽缸壁和法兰相对讲可以做得比较薄些,也有利于机组起停和工况变化时减小金属温差。所以目前高压汽轮机高、中压汽缸大多采用双层缸结构,国产125MW、200MW、300MW机组都是如此。

 
12.汽轮机本体主要由哪几个部分组成?
汽轮机本体主要由以下几个部分组成:
⑴ 转动部分:由主轴、叶轮、轴封和安装在叶轮上的动叶片及联轴器等组成。
⑵ 固定部分:由喷嘴室汽缸、隔板、静叶片、汽封等组成。
⑶ 控制部分:由调节系统、保护装置和油系统等组成。

 
13.汽缸的作用是什么?
汽缸是汽轮机的外壳。汽缸的作用主要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做功过程。此外,它还支承汽轮机的某些静止部件(隔板、喷嘴室、汽封套等),承受它们的重量,还要承受由于沿汽缸轴向、径向温度分布不均而产生的热应力。

 
14.汽轮机的汽缸可分为哪些种类?
汽轮机的汽缸一般制成水平对分式,即分上汽缸和下汽缸。
为合理利用钢材,中小型汽轮机汽缸常以一个或两个垂直结合面分为高压段、中压段和低压段。
大功率的汽轮机根据工作特点分别设置高压缸、中压缸和低压缸。
高压高温采用双层汽缸结构后,汽缸分内缸和外缸。
汽轮机末级叶片以后将蒸汽排入凝汽器,这部分汽缸称排汽缸。

 
15.为什么汽缸通常制成上下缸的形式?
汽缸通常制成具有水平结合面的水平对分形式。上、下汽缸之间用法兰螺栓联在一起,法兰结合面要求平整,光洁度高,以保证上、下汽缸结合面严密不漏汽。汽缸分成上、下缸,主要是便于加工制造与安装、检修。

 
16.汽缸个数通常与汽轮机功率有什么关系?
根据机组的功率不同,汽轮机汽缸有单缸和多缸之分。通常功率在100MW以下的机组采用单缸,300MW以下采用2~4个汽缸,600MW以下采用4~6个汽缸。
如国产100MW机组为单缸,125MW机组为双缸,200MW机组为三缸,300MW机组为三缸或四缸,总的趋势是机组功率愈大,汽缸个数愈多。

 
17.按制造工艺分类,汽轮机汽缸有哪些不同型式?
主要分铸造与焊接两种。
汽缸的高、中压段一般采用合金钢或碳钢铸造结构;低压段根据容量和结构要求采用铸造或简单铸件、型钢及钢板的焊接结构。

 
18.汽轮机的汽缸是如何支承的?
汽缸的支承要求平稳并保证汽缸能自由膨胀而不改变它的中心位置。
汽缸都是支承在基础台板(也叫座架、机座)上;基础台板又用地脚螺钉固定在汽轮机基础上。小型汽轮机用整块铸件做基础台板,功率汽轮机的汽缸则支承在若干块基础台板上。
汽轮机的高压缸通过水平法兰所伸出的猫爪(亦称搭爪)支承在前轴承座上。它又分为上缸猫爪支承和下缸猫爪支承两种方式。

 
19.下缸猫爪支承方式有什么优缺点?
中、低参数汽轮机的高压缸通常是利用下汽缸前端伸出的猫爪作为承力面,支承在前轴承座上。这种支承方式较简单,安装检修也较方便,但是由于承力面低于汽缸中心线(相差下缸猫爪的高度数值),当汽缸受热后,猫爪温度升高,汽缸中心线向上抬起,而此时支持在轴承上的转子中心线未变,结果将使转子与下汽缸的径向间隙减小,与上汽缸径向间隙增大。对高参数、大功率汽轮机来说,由于法兰很厚,温度很高,猫爪膨胀的影响是不能忽视的。

 
20.上缸猫爪支承法的主要优点是什么?
上缸猫爪支承方式亦称中分面(指汽缸中分面)支承方式。主要的优点是由于以上缸猫爪为承力面,其承力面与汽缸中分面在同一水平面上,受热膨胀后,汽缸中心仍与转子中心保持一致。
当采用上缸猫爪支承方式时,上缸猫爪也叫工作猫爪。下缸猫爪叫安装猫爪,只在安装时起支持作用,下面的安装垫铁在检修和安装时起作用,当安装完毕,安装猫爪不再承力。这时上缸猫爪支承在工作垫铁上,承担汽缸重量。

 
21.大功率汽轮机的高、中压缸采用双层缸结构有什么优点?
大功率汽轮机的高、中压缸采用双层缸结构有如下优点:
⑴ 整个蒸汽压差由外缸和内缸分担,从而可减薄内、外缸缸壁及法兰的厚度。
⑵ 外层汽缸不致与高温蒸汽相接触,因而外缸可以采用较低级的钢材,节省优质钢材。
⑶ 双层缸结构的汽轮机在起动、停机时,汽缸的加热和冷却过程都可加快,因而缩短了起动和停机的时间。

 
22.高、中压汽缸采用双层缸结构后应注意什么问题?
高压、中压汽缸采用双层结构有很大的优点,但也需注意一个问题。
国产200MW、300MW机组,在高压内、外缸之间由于隔热罩的不完善以及抽汽口布置不当,会造成外缸内壁温度升高到超过设计允许值,并且使内缸的外壁温度高到不允许的数值,这种情况应设法予以改善,否则有可能造成汽缸产生裂纹。125MW机组取消正常运行中夹层冷却蒸汽后,由于某些原因,也出现外缸内壁温度过高的现象。

 
23.大机组的低压缸有哪些特点?
大机组的低压缸有如下特点:
⑴ 低压缸的排汽容积流量较大,要求排汽缸尺寸庞大,故一般采用钢板焊接结构代替铸造结构。
⑵ 再热机组的低压缸进汽温度一般都超过230℃,与排汽温度差达200℃,因此也采用双层结构。通流部分在内缸中承受温度变化,低压内缸用高强度铸铁铸造,而兼作排汽缸的整个低压外缸仍为焊接结构。庞大的排汽缸只承受排汽温度,温差变化小。
⑶ 为防止长时间空负荷运行,排汽温度过高而引起的排汽缸变形,在排汽缸内还装有喷水降温装置。
⑷ 为减少排汽损失,排汽缸设计成径向扩压结构。

 
24.什么叫排汽缸径向扩压结构?
所谓径向扩压结构,实质上是指整个低压外缸(汽轮机的排汽部分)两侧排汽部分用钢板连通。离开汽轮机的末级排汽由导流板引导径向、轴向扩压,以充分利用排汽余速。然后排入凝汽器。
采用径向扩压主要是充分利用排汽余速,降低排汽阻力。提高机组效率。

 
25.低压外缸的一般支承方式是怎样的?
低压汽缸(双层缸时的外缸),在运行中温度较低,金属膨胀不显著,因此低压外缸的支承不采用高、中压汽缸的中分面支承方式,而是把低压缸直接支承在台板上。内缸两侧搁在外缸内侧的支承面上,用螺栓固定在低压外缸上。内、外缸以键定位。外缸与轴承座仅在下汽缸设立垂直导向键(立销)。

 
26.排汽缸的作用是什么?
排汽缸的作用是将汽轮机末级动叶排出的蒸汽导入凝汽器。

 
27.为什么排汽缸要装喷水降温装置?
在汽轮机起动、空载及低负荷时,蒸汽流通量很小,不足以带走蒸汽与叶轮摩擦产生的热量,从而引起排汽温度升高,排汽缸温度也高。排汽温度过高会引起排汽缸较大的变形,破坏汽轮机动静部分中心线的一致性,严重时会引起机组振动或其它事故。所以,大功率机组都装有排汽缸喷水降温装置。
小机组没有喷水降温装置,应尽量避免长时间空负荷运行而引起排汽缸温度超限。

 
28.再热机组的排汽缸喷水装置是怎样设置的?
喷水减温装置装在低压外缸内,喷水管沿末级叶片的叶根呈圆周形布置,喷水管上钻有两排喷水孔,将水喷向排汽缸内部空间,起降温作用。喷水管在排汽缸外面与凝结水管相连接,打开凝结水管上的阀门即进行喷水,关闭阀门则停止喷水。

 
29.为什么汽轮机有的采用单个排汽口,而有的采用几个排汽口?
大功率汽轮机的极限功率实质上受末级通流截面的限制,增大叶片高度能增大机组功率,但增大叶片高度又受材料强度和制造工艺水平的限制。如采用同样的叶片高度,将汽轮机由单排汽口改为双排汽口,极限功率可增大一倍。为增加汽轮机的极限功率,现在大功率汽轮机采用多个排汽口。如国产125MW汽轮机为双排汽口,200MW汽轮机为三排汽口,300MW为四排汽口(200MW、300MW汽轮机末级采用长叶片后改为双排汽口)。
 

 
30.汽缸进汽部分布置有哪几种方式?
从调节汽门到调节级喷嘴这段区域叫做进汽部分,它包括蒸汽室和喷嘴室,是汽缸中承受压力、温度最高的区域。
一般中、低参数汽轮机进汽部分与汽缸浇铸成一体,或者将它们分别浇铸好后,用螺栓连接在一起。高参数汽轮机单层汽缸的进汽部分则是将汽缸、蒸汽室、喷嘴分别浇铸好后,焊接在一起。这种结构由于汽缸本身形状得到简化,而且蒸汽室、喷嘴室沿着汽缸四周对称布置,汽缸受热均匀,因而热应力较小。又因高温、高压蒸汽只作用在蒸汽室与喷嘴室上,汽缸接触的是调节级喷嘴出口后的汽流,因而汽缸可以选用比蒸汽室、喷嘴室低一级的材料。

 
31.为什么大功率高参数汽轮机的调节汽门与汽缸分离单独布置?
新汽压力在9.0MPa、新汽温度在535℃以下的中、小功率汽轮机,调节汽门均直接装在汽缸上。更高参数的大功率汽轮机,为减小热应力,使汽缸受热均匀及形状对称,这就要求喷嘴室沿圆周均匀分布,而且汽缸上下都要有进汽管和调节汽门。由于调节汽门布置在汽缸下部,会给机组布置、安装、检修带来困难,因此需要调节汽门与汽缸分离单独布置。
另外,大功率汽轮机新汽和再热汽进汽管道都为双路布置,需要两个主汽门。这样就可以把两个主汽门分置于汽缸两侧,并且分别和调节汽门合用一个壳体,每个主汽门控制两个或多个调节汽门。

 
32.双层缸结构的汽轮机,为什么要采用特殊的进汽短管?
对于采用双层缸结构的汽轮机,因为进入喷嘴室的进汽管要穿过外缸和内缸,才能和喷嘴室相连接,而内外缸之间在运行时具有相对膨胀,进汽管既不能同时固定在内、外缸上又不能让大量高温蒸汽外泄。因此采用了一种双层结构的高压进汽短管,把高压进汽导管与喷嘴室连接起来。

 
33.高压进汽短管的结构是怎样的?
国产125MW汽轮机和300MW汽轮机的高压进汽短管外层通过螺栓与外缸连接在一起,内层则套在喷嘴室的进汽管上,并有密封环加以密封。这样既保证了高压蒸汽的密封,又允许喷嘴室进汽管与双层套管之间的相对膨胀。
为遮挡进汽连接管的辐射热量,在双层套管的内外层之间还装有带螺旋圈的遮热衬套管,或称遮热筒。遮热衬套管上端的小管就是汽缸内层中冷却蒸汽流出或起动时加热蒸汽流入的通道。

 
34.隔板的结构有哪几种形式?
隔板的具体结构是根据隔板的工作温度和作用在两侧的蒸汽压差来决定的,主要有以下三种形式:
⑴ 焊接隔板:焊接隔板具有较高的强度和刚度,较好的汽密性,加工较方便,被广泛用于中、高参数汽轮机的高、中压部分。
⑵ 窄喷嘴焊接隔板:高参数大功率汽轮机的高压部分,每一级的蒸汽压差较大,其隔板做得很厚,而静叶高度很短,采用宽度较小的窄喷嘴焊接隔板。优点是喷嘴损失小,但有相当数量的导流筋存在,将增加汽流的阻力。国产125MW、300MW汽轮机都是有用的窄喷嘴焊接隔板。
⑶ 铸造隔板:铸造隔板加工制造比较容易,成本低,但是静叶片的表面光洁度较差,使用温度也不能太高,一般应小于300℃,因此都用在汽轮机的低压部分。

 
35.什么叫喷嘴弧?
采用喷嘴调节配汽方式的汽轮机第一级喷嘴,通常根据调节汽门的个数成组布置,这些成组布置的喷嘴称为喷嘴弧段,简称喷嘴弧。

 
36.喷嘴弧有哪几种结构形式?
喷嘴弧结构形式如下:
⑴ 中参数汽轮机上采用的由单个铣制的喷嘴叶片组装、焊接成的喷嘴弧。
⑵ 高参数汽轮机采用的整体铣制焊接而成或精密浇铸而成的喷嘴弧。
如25MW汽轮机采用第一种喷嘴弧,125MW汽轮机采用后一种喷嘴弧。

 
37.汽轮机喷嘴、隔板、静叶的定义是什么?
喷嘴是由两个相邻静叶片构成的不动汽道,是一个把蒸汽的热能转变为动能的结构元件。装在汽轮机第一级前的喷嘴成若干组,每组由一个调节汽门控制。
隔板是汽轮机各级的间壁,用以固定静叶片。
静叶是指固定在隔板上静止不动的叶片。

 
38.什么叫汽轮机的级?
由一列喷嘴和一列动叶栅组成的汽轮机最基本的工作单元叫做汽轮机的级。

 
39.什么叫调节级和压力级?
当汽轮机采用喷嘴调节时,第一级的进汽截面积随负荷的变化在相应变化,因此通常称喷嘴调节汽轮机的第一级为调节级。其它各级统称为非调节级或压力级。压力级是以利用级组中合理分配的压力降或焓降为主的级,是单列冲动级或反动级。

 
40.什么叫双列速度级?
为了增大调节级的焓降,利用第一列动叶出口的余速,减小余速损失,使第一列动叶片出口汽流经固定在汽缸上的导叶改变流动方向后,进入第二列动叶片继续做功。这时把具有一列喷嘴,和一级叶轮上有两列动叶片的级,称为双列速度级。

 
41.采用双列速度级有什么优缺点?
采用速度级后可增大汽轮机调节级的焓降,减少压力级级数,节省耐高温的优质材料,但效率较低。
100MW汽轮机的调节级采用双列速度级,125MW、200MW、300MW汽轮机采用单列调节级。

 
42.高压高温汽轮机为什么要设汽缸、法兰螺栓加热装置?
高压高温汽轮机的汽缸要承受很高的压力和温度,同时又要保证汽缸结合面有很好的严密性,所以汽缸的法兰必须做得又宽又厚。这样给汽轮机的起动就带来了一定的困难,即沿法兰的宽度产生较大温差。如温差过大,所产生的热应力将会使汽缸变形或产生裂纹。一般来说,汽缸比法兰容易加热,而螺栓的热量是靠法兰传给它的,因此螺栓加热更慢。对于双层汽缸的机组来说,外缸受热比内缸慢很多,外缸法兰受热更慢,由于法兰温度上升较慢,牵制了汽缸的热膨胀,引起转子与汽缸间过大的膨胀差,从而使汽轮机通流部分的动、静间隙消失,发生摩擦。
简单地说,为了适应快速起、停的需要,减小额外的热应力和减少汽缸与法兰、法兰与螺栓及法兰宽度上的温差,有效地控制转子与汽缸的膨胀差,125MW、200MW、300MW机组采用双层缸结构,内外汽缸除法兰螺栓有加热装置外,还设有汽缸夹层加热装置。

 
43.为什么汽轮机第一组喷嘴安装在喷嘴室,而不固定在隔板上?
第一级喷嘴安装在喷嘴室的目的是:
⑴ 将与最高参数的蒸汽相接触的部分尽可能限制在很小的范围内,使汽轮机的转子、汽缸等部件仅与第一级喷嘴后降温减压后的蒸汽相接触。这样可使转子、汽缸等部件采用低一级的耐高温材料。
⑵ 由于高压缸进汽端承受的蒸汽压力较新蒸汽压力低,故可在同一结构尺寸下,使该部分应力下降,或者保持同一应力水平,使汽缸壁厚度减薄。
⑶ 使汽缸结构简单匀称,提高汽缸对变工况的适应性。
⑷ 降低了高压缸进汽端轴封漏汽压差,为减小轴端漏汽损失和简化轴端汽封结构带来一定好处。

 
44.隔板套的作用是什么?采用隔板套有什么优点?
隔板套的作用是用来安装固定隔板。
采用隔板套可使级间距离不受或少受汽缸上抽汽口的影响,从而使汽轮机轴向尺寸相对减小。此外,还可简化汽缸形状,又便于拆装,并允许隔板受热后能在径向自由膨胀,还为汽缸的通用化创造方便条件。
国产100MW、125MW、200MW、300MW机组的部分级组均采用隔板套结构。

 
45.什么是汽轮机的转子?转子的作用是什么?
汽轮机中所有转动部件的组合叫做转子。
转子的作用是承受蒸汽对所有工作叶片的回转力,并带动发电机转子、主油泵和调速器转动。

 
46.什么叫大功率汽轮机的转子蒸汽冷却?
汽轮机的转子蒸汽冷却是大机组为防止转子在高温、高转速状况下无蒸汽流过带走摩擦产生的热量,而使转子、汽缸温度过高,热应力过大而设置的结构。如再热机组热态用中压缸进汽起动时,达到一定转速,高压缸排汽逆止门旁路自动打开,一部分蒸汽逆流经过汽缸由进汽口排至凝汽器,这样达到冷却转子、汽缸的目的。

 
47.为什么大功率汽轮机采用转子蒸汽冷却结构?
大功率汽轮机普遍采用整锻转子或焊接转子。随着转子整体直径的增大,离心应力和同一变工况速度下热应力增大了。在高温条件下受离心力作用而产生的金属蠕变速度以及脆变危险也增大了。因此,更有必要从结构上来提高转子的热强度(特别是起动下的热强度)。
从结构上减小金属蠕变变形和降低起动工况下热应力的有效方法之一,就是在高温区段对转子进行蒸汽冷却。国外在300~350MW以上的机组几乎都采用了转子蒸汽冷却结构。国产亚临界参数300MW再热机组的中压转子也采用了蒸汽冷却结构。

 
48.汽轮机转子一般有哪几种型式?
汽轮机转子有如下几种型式:
⑴ 套装叶轮转子:叶轮套装在轴上,国产25MW汽轮机转子和100MW汽轮机低压转子都是这种型式。
⑵ 整锻型转子:由一整体锻件制成,叶轮联轴器、推力盘和主轴构成一个整体。
⑶ 焊接转子:由若干个实心轮盘和两个端轴拼焊而成。如125MW汽轮机低压转子为焊接式鼓型转子。
⑷ 组合转子:高压部分为整锻式,低压部分为套装式。如100MW机组高压转子、200MW机组中压转子。

 
49.套装叶轮转子有哪些优缺点?
套装叶轮转子的优点:加工方便,材料利用合理,叶轮和锻件质量易于保证。
缺点:不宜在高温条件下工作,快速起动适应性差,材料高温蠕变和过大的温差易使叶轮发生松动。

 
50.整锻转子有哪些优缺点?
整锻转子的优点:避免了叶轮在高温下松动的问题,结构紧凑,强度、刚度高。
缺点:生产整锻转子需要大型锻压设备、锻件质量较难保证,而且加工要求高,贵重材料消耗量大。

 
51.组合转子有什么优缺点?
组合转子兼有整锻转子和套装叶轮转子的优点,广泛用于高参数中等容量的汽轮机上。

 
52.焊接转子有哪些优缺点?
焊接转子的优点:强度高,相对重量轻,结构紧凑,刚度大,而且能适应低压部分需要大直径的要求。
缺点:焊接转子对焊接工艺要求高,要求材料有良好的焊接性能。
随着冶金和焊接技术的不断发展,焊接转子的应用日益广泛。如BBC公司生产的1300MW双轴汽轮机的高、中、低压转子就全部采用焊接结构。

 
53.整锻转子中心孔起什么作用?
整锻转子通常打有¢100的中心孔,其目的主要是为了便于检查锻件质量,同时也可以将锻件中心材质差的部分去掉,防止缺陷扩展,以保证转子的强度。
 

 
54.汽轮机主轴断裂和叶轮开裂的原因有哪些?
主轴断裂和叶轮开裂的原因多数是材料及制造上的缺陷造成的,如材料内部有气孔、夹渣、裂纹、材料的冲击韧性值及塑性偏低,叶轮机械加工粗糙、键装配不当造成局部应力过大。另外,长期过大的交变应力及热应力作用易引起材料内部微观缺陷发展,造成疲劳裂纹甚至断裂。
运行中,叶轮严重腐蚀和严重超速是引起主轴、叶轮设备事故的主要原因。

 
55.防止叶轮开裂和主轴断裂应采取哪些措施?
防止叶轮开裂和主轴断裂应采取措施有以下几点:
⑴ 首先应由制造厂对材料质量提出严格要求,加强质量检验工作。尤其应特别重视表面及内部的裂纹发生,加强设备监督。
⑵ 运行中尽可能减少起停次数,严格控制升速和变负荷速度,以减少设备热疲劳和微观缺陷发展引起的裂纹,要严防超压、超温运行,特别是要防止严重超速。

 
56.叶轮的作用的什么?叶轮是由哪几部分组成的?
叶轮的作用是用来装置叶片,并将汽流力在叶栅上产生的扭矩传递给主轴。
汽轮机叶轮一般由轮缘、轮面和轮毂几部分组成。

 
57.运行中的叶轮受到哪些作用力?
叶轮工作时受力情况很复杂,除叶轮自身、叶片零件质量引起的巨大的离心力外,还有温差引起的热应力,动叶引起的切向力和轴向力,叶轮两边的蒸汽压差和叶片、叶轮振动时的交变应力。

 
58.叶轮上开平衡孔的作用是什么?
叶轮上开平衡孔是为了减小叶轮两侧蒸汽压差,减小转子产生过大的轴向力。但在调节级和反动度较大、负载很重的低压部分最末一、二级,一般不开平衡孔,以使叶轮强度不致削弱,并可减少漏汽损失。

 
59.为什么叶轮上的平衡为单数?
每个叶轮上开设单数个平衡孔,可避免在同一径向截面上设两个平衡孔,从而使叶轮截面强度不致过分削弱。通常开孔5个或7个。

 
60.按轮面的断面型线不同,可把叶轮分成几种类型?
按轮面的断面型线不同,可把叶轮分为如下类型:
⑴ 等厚度叶轮:这种叶轮轮面的断面厚度相等,用在圆周速度较低的级上。
⑵ 锥形叶轮:这种叶轮轮面的断面厚度沿径向呈锥形,广泛用于套装式叶轮上。
⑶ 双曲线叶轮:这种叶轮轮在的断面沿径向呈双曲线形,加工复杂,仅用在某些汽轮机的调节级上。
⑷ 等强度叶轮:叶轮设有中心孔,强度最高,多用于盘式焊接转子或高速单级汽轮机上。

 
61.套装叶轮的固定方法有哪几种?
套装叶轮的固定方法有以下几种:
⑴ 热套加键法。
⑵ 热套加端面键法。
⑶ 销钉轴套法。
⑷ 叶轮轴向定位采用定位环。

 
62.动叶片的作用是什么?
在冲动式汽轮机中,由喷嘴射出的汽流,给动叶片一冲动力,将蒸汽的动能转变成转子上的机械能。
在反动式汽轮机中,除喷嘴出来的高速汽流冲动动叶片做功外,蒸汽在动叶片中也发生膨胀,使动叶出口蒸汽速度增加,对动叶片产生反动力,推动叶片旋转做功,将蒸汽热能转变为机械能。由于两种机组的工作原理不同,其叶片的形状和结构也不一样。

 
63.叶片工作时受到哪几种作用力?
叶片在工作时受到的作用力主要有两种:一种是叶片本身质量和围带、拉金质量所产生的离心力;另一种是汽流通过叶栅槽道时使叶片弯曲的作用力以及汽轮机起动、停机过程中,叶片中的温度差引起的热应力。

 
64.汽轮机叶片的结构是怎样的?
叶片由叶型、叶根和叶顶三部分组成。叶型部分是叶片的工作部分,它构成汽流通道。按照叶型部分的横截面变化规律,可以把叶片分成等截面叶片和变截面叶片。
等截面叶片的截面积沿叶高是相同的,各截面的型线通常也一样。变截面叶片的截面积则沿叶高按一定规律变化,一般地说,叶型也沿叶高逐渐变化,即叶片绕各截面形心的连线发生扭转,所以通常叫做扭曲叶片。
叶根是叶片与轮缘相连接的部分,它的结构应保证在任何运行条件下叶片都能牢靠地固定在叶轮上,同时应力求制造简单,装配方便。
叶型以上的部分叫叶顶。随叶片成组方式不同,叶顶结构也各异。采用铆接与焊接围带时,叶顶做成凸出部分(端钉)。采用弹性拱形围带时,叶顶必须做成与弹性拱形片相配合的铆接部分。当叶片用拉筋联成组或作为自由叶片时,叶顶通常削薄,以减轻叶片重量并防止运行中与汽缸相碰时损坏叶片。

 
65.汽轮机叶片的叶根有哪些型式?
叶根的型式较多,有以下几种:
⑴ T形叶根。
⑵ 外包凸肩T形叶根。
⑶ 菌形叶根。
⑷ 双T形叶根。
⑸ 叉形叶根。
⑹ 枞树形叶根。

 
66.装在动叶片上的围带和拉筋(金)起什么作用?
动叶顶部装围带(也称覆环)和动叶中部串拉筋,都是使叶片之间连接成组,增强叶片的刚性,调整叶片的自振频率,改善振动情况。另外,围带还有防止漏汽的作用。

 
67.汽轮机高压段为什么采用等截面叶片?
一般在汽轮机高压段,蒸汽容积流量相对较小,叶片短,叶高比d/L(d为叶片平均直径,L为叶片高度)较大,沿整个叶高的圆周速度及汽流参数差别相对较小。此时依靠改变不同叶高处的断面型线,不能显著地提高叶片工作效率,所以多将叶身断面型线沿叶高做成相同的,即做成等截面叶片。这样做虽使效率略受影响,但加工方便,制造成本低,而强度也可得到保证,有利于实现部分级叶片的通用化。

 
68.为什么汽轮机有的级段要采用扭曲叶片?
大机组为增大功率,往往叶片做得很长。随着叶片高度的增加,当叶高比具有较小值(一般为小于10)时,不同叶高处圆周速度与汽流参数的差异已不容忽视。此时叶身断面型线必须沿叶高相应变化,使叶片扭曲变形,以适应汽流参数沿叶高的变化规律,减小流动损失;同时,从强度方面考虑,为改善离心力所引起的拉应力沿叶高的分布,叶身断面面积也应由根部到顶部逐渐减小。

 
69.防止叶片振动断裂的措施主要有哪几点?
防止叶片振动断裂的措施有:
⑴ 提高叶片、围带、拉金的材料、加工与装配质量。
⑵ 采取叶片调频措施,避开危险共振范围。
⑶ 避免长期低频率运行。

 
70.多级凝汽式汽轮机最末几级为什么要采用去湿装置?
多级凝汽式汽轮机的最末几级蒸汽温度很低,一般均在湿蒸汽区工作。湿蒸汽中的微小水滴不但消耗蒸汽的动能形成湿汽损失,还将冲蚀叶片,威胁叶片安全。因此必须采取去湿措施,以保证凝汽式汽轮机膨胀终了的允许湿度。大功率机组采用中间再热,对减少低压级叶片湿度带来显著的效果。当末级湿度达不到要求时,应加装去湿装置和提高叶片的抗冲蚀能力。

 
71.汽轮机末级排汽的湿度一般允许值为多少?
一般规定汽轮机末级排汽的湿度不超过10%~12%。中间再热机组的排汽湿度一般为5%~8%。

 
72.汽轮机去湿装置有哪几种?
去湿装置根据它所安装的位置分级前和动叶片前两种。它是利用水珠受离心力作用而被抛向通流部分外圆的原理工作的。一般将水滴甩进到去湿装置的槽中,然后引入凝汽器。
另外还采用具有吸水缝的空心静叶,利用凝汽器内很低的压力,把附着在静叶表面的水滴沿静叶片上开设的吸水缝直接吸入凝汽器。

 
73.汽封的作用是什么?
为了避免动、静部件之间的碰撞,必须留有适当的间隙,这些间隙的存在势必导致漏汽,为此必须加装密封装置——汽封。根据汽封在汽轮机中所处位置可分为:轴端汽封(简称轴封)、隔板汽封和围带汽封(通流部分汽封)三类。

 
74.汽封的结构型式和工作原理是怎样的?
汽封的结构类型有曲径式和迷宫式。曲径式汽封有梳齿形(平齿、高低齿)、J形、枞树形三种。
曲径式汽封的工作原理:一定压力的蒸汽流经曲径式汽封时,必须依次经过汽封齿尖与轴凸肩形成的狭小间隙,当经过第一个间隙时通流面积减小,蒸汽流速增大,压力降低。随后高速汽流进入小室,通流面积突然变大,流速降低,汽流转向,发生撞击和产生涡流等现象,速度降到近似为零,蒸汽原具有的动能转变成热能。当蒸汽经过第二个汽封间隙时,又重复上述过程,压力再次降低。蒸汽流经最后一个汽封齿后,蒸汽压力降至与大气压力相差甚小。所以在一定的压差下,汽封齿越多,每个齿前后的压差就越小,漏汽量也越小。当汽封齿数足够多时,漏汽量为零。

 
75.什么是通流部分汽封?
动叶顶部和根部的汽封叫做通流部分汽封,用来阻碍蒸汽从动叶两端漏汽。通常的结构形式为动叶顶端围带及动叶根部有个凸出部分以减小轴向间隙,围带与装在汽缸或隔板套上的阻汽片组成汽封以减小径向间隙,使漏汽损失减小。

 
76.轴封的作用是什么?
轴封是汽封的一种。汽轮机轴封的作用是阻止汽缸内的蒸汽向外漏泄,低压缸排汽侧轴封是防止外界空气漏入汽缸。

 
77.汽轮机为什么会产生轴向推力?运行中轴向推力怎样变化?
纯冲动式汽轮机动叶片内蒸汽没有压力降,但由于隔板汽封的漏汽,使叶轮前后产生一定的压差,且一般的汽轮机中,每一级动叶片蒸汽流过时都有大小不等的压降,在动叶片前后产生压差。叶轮和叶片前后的压差及轴上凸肩处的压差使汽轮机产生由高压侧向低压侧、与汽流方向一致的轴向推力。
影响轴向推力的因素很多,轴向推力的大小基本上与蒸汽流量的大小成正比,也即负荷增大时轴向推力增大。
需指出:当负荷突然减小时,有时会出现与汽流方向相反的轴向推力。

 
78.减小汽轮机的轴向推力,可采取哪些措施?
减小汽轮机轴向推力,可采取如下措施:
⑴ 高压轴封两端以反向压差设置平衡活塞。
⑵ 高、中压缸反向布置。
⑶ 低压缸对称分流布置。
⑷ 叶轮上开平衡孔。
余下的轴向推力,由推力轴承承受。

 
79.什么是汽轮机的轴向弹性位移?
汽轮机的轴向位移反映的是汽轮机转动部分和静止部分的相对位置,轴向位移变化,也是转子和静子轴向相对位置发生了变化。
所谓轴向弹性位移是指汽轮机推力盘及工作推力瓦片后的支承座、垫片瓦架等在汽轮机负荷增加、推力增加时,会发生弹性变形。由此产生随着负荷增加而增加的轴向弹性位移。当负荷减小时,弹性位移也减少。

 
80.汽轮机为什么要设滑销系统?
汽轮机在起动及带负荷过程中,汽缸的温度变化很大,因而热膨胀值较大。为保证汽缸受热时能沿给定的方向自由膨胀,保持汽缸与转子中心一致,同样,汽轮机停机时,保证汽缸能按给定的方向自由收缩,汽轮机均设有滑销系统。

 
81.汽轮机的滑销有哪些种类?它们各起什么作用?
根据滑销的构造形式、安装位置可分为下列六种:
⑴ 横销:一般安装在低压汽缸排汽室的横向中心线上,或安装在排汽室的尾部,左右两侧各装一个。横销的作用是保证汽缸横向的正确膨胀,并限制汽缸沿轴向移动。由于排汽室的温度是汽轮机通流部分温度最低的区域,故横销都装于此处,整个汽缸由此向前或向后膨胀,形成了轴向死点。
⑵ 纵销:多装在低压汽缸排汽室的支撑面、前轴承箱的底部、双缸汽轮机中间轴承的底部等和基础台板的接合面间。所有纵销均在汽轮机的纵向中心线上。纵销可保证汽轮机沿纵向中心线正确膨胀,并保证汽缸中心线不能作横向滑移。因此,纵销中心线与横销中心线的交点形成整个汽缸的膨胀死点,在汽缸膨胀时,这点始终保持不动。
⑶ 立销:装在低压汽缸排汽室尾部与基础台板间,高压汽缸的前端与轴承座间。所有的立销均在机组的轴线上。立销的作用可保证汽缸的垂直定向自由膨胀,并与纵销共同保持机组的正确纵向中心线。
⑷ 猫爪横销:起着横销作用,又对汽缸起着支承作用。猫爪一般装在前轴承座及双缸汽轮机中间轴承座的水平接合面上,是由下汽缸或上汽缸端部突出的猫爪,特制的销子和螺栓等组成。猫爪横销的作用是:保证汽缸在横向的定向自由膨胀,同时随着汽缸在轴向的膨胀和收缩,推动轴承座向前或向后移动,以保持转子与汽缸的轴向相对位置。
⑸ 角销:装在排汽缸前部左右两侧支撑与基础台板间。销子与销槽的间隙为0.06~0.08mm。斜销是一种辅助滑销,不经常采用,它能起到纵向及横向的双重导向作用。

 
82.什么是汽轮机膨胀的“死点”,通常布置在什么位置?
横销引导轴承座或汽缸沿横向滑动并与纵销配合成为膨胀的固定点,称为“死点”。也即纵销中心线与横销中心线的交点。“死点”固定不动,汽缸以“死点”为基准向前后左右膨胀滑动。
对凝汽式汽轮机来说,死点多布置在低压排汽口的中心线或其附近,这样在汽轮机受热膨胀时,对于庞大笨重的凝汽器影响较小。国产200MW和125MW汽轮机组均设两个死点,高、中压缸向前膨胀,低压缸向发电机侧膨胀,各自的绝对膨胀量都可适当减小。

 
83.汽轮机联轴器起什么作用?有哪些种类?各有何优缺点?
联轴器又叫靠背轮。汽轮机联轴器是用来连接汽轮发电机组的各个转子,并把汽轮机的功率传给发电机。
汽轮机联轴器可分为刚性联轴器、半挠性联轴器和挠性联轴器。
以下介绍这几种联轴器的优缺点。
刚性联轴器:优点是构造简单、尺寸小、造价低、不需要润滑油。缺点是转子的振动、热膨胀都能相互传递,校中心要求高。
半挠性联轴器:优点是能适当弥补刚性靠背轮的缺点,校中心要求稍低。缺点是制造复杂、造价较大。
挠性联轴器:优点是转子振动和热膨胀不互相传递,允许两个转子中心线稍有偏差。缺点是要多装一道推力轴承,并且一定要有润滑油,直径大,成本高,检修工艺要求高。
大机组一般高低压转子之间采用刚性联轴器,低压转子与发电机转子之间采用半挠性联轴器。

 
84.刚性联轴器分哪两种?
刚性联轴器又分装配式和整锻式两种型式。装配式刚性联轴器是把两半联轴器分别用热套加双键的方法,套装在各自的轴端上,然后找准中心、铰孔,最后用螺栓紧固;整锻式刚性联轴器与轴整体锻出。这种联轴器的强度和刚度都比装配式高,且没有松动现象。为使转子的轴向位置作少量调整,在两半联轴器之间装有垫片,安装时按具体尺寸配制一定厚度的垫片。

 
85.什么是半挠性联轴器?
半挠性联轴器的结构是在两个联轴器间用半挠性波形套筒连接,并用螺栓紧固。波形套筒在扭转方向是刚性的,在弯曲方向则是挠性的。