汽輪機的原理及結構分析

摘要：本文簡單介紹了汽輪機的驅動及其設備的原理和內部結構，汽輪機是將蒸汽的能量轉換成為機械功的旋轉式動力機械，又稱蒸汽透平。汽輪機的工作原理是能將蒸汽熱能轉化成為機械功的外燃回轉式機械，來自鍋爐的蒸汽進入汽輪機后，依次經過一系列環形配置的噴嘴和動葉，將蒸汽的熱能轉換為汽輪機轉子旋轉的機械能。蒸汽在汽輪機中，以不同方式進行能量轉換。結構部件由轉動部分和靜止部分兩個方面組成。轉子包括主軸、葉輪、動葉片和聯軸器等。靜子包括進汽部分、汽缸、隔板和靜葉柵、汽封及軸承等。希望通過本文使讀者初步了解汽輪機，并對實際生產操作有一定的幫助。

關鍵詞：汽輪機原理葉輪結構分析

汽輪機是用蒸汽來作功的旋轉式原動機，來自廢熱鍋爐或其他汽源的蒸汽，經主汽閥和調節閥進入汽輪機，依次高速流過一系列環形配置的噴嘴(或靜葉柵)和動葉柵而膨脹作功，將蒸汽的熱能轉變為推動汽輪機轉子旋轉的機械功，從而驅動其他機械轉動。與往復式蒸汽機相比，汽輪機中的蒸汽流動是連續的、高速的，單位面積中能通過的流量大，因而能發出較大的功率。大功率汽輪機可以采用較高的蒸汽壓力和溫度，顧熱效率更高。

工業汽輪機的結構與其工作原理、工作條件、受力情況、工藝要求、材料性質等有密切的關系。通常，中、小功率的汽輪機采用單缸結構，大功率汽輪機則由高壓缸、中壓缸(或高中壓合缸)和低壓缸組成。

根據石化公司現有汽輪機結構特點，以下圖1為例介紹。該結構是杭州汽輪機廠應用引進德國西門子三系列積木塊工業汽輪機設計制造技術生產的國產反動式EHNK／ENK型多級抽汽凝汽式汽輪機。

該型汽輪機采用積木塊設計原理，通常由進汽段、中間段或延伸段和排汽段三個區段組成，其基本設計形式為多級反動式。圖中所示的工業汽輪機為單軸單缸結構，共有十三級，由一個調節級和十二個壓力級組成，其中調節級采用沖動式設計，壓力級采用反動式設計，末幾級為帶叉型葉根的扭曲葉片。轉子為整鍛轉鼓型，在轉子的高壓端設有平衡活塞。靜子包括外缸(由高壓段和排汽段組成)、蒸汽室、導葉持環、迷宮式汽封、軸承等部分。

汽輪機轉子的作用是將蒸汽的動能轉變為機械能，傳遞作用在葉片上的蒸汽圓周分力所產生的扭矩，向外輸出機械功，以驅動壓縮機、泵等。

按結構型式轉子可分為輪式轉子和鼓式轉子兩種，輪式轉子是在主軸上直接鍛出或以過盈方式安裝有若干級葉輪，動葉片安裝在葉輪外緣上，這種轉子主要應用在沖動式汽輪機轉子上。鼓式轉子主軸中間部位較粗，外形像鼓筒一樣，轉鼓外緣加工有周向溝槽，轉子的各級動葉片就直接安裝在周向溝槽中，這種轉子通常應用在動葉片前后有一定壓差的反動式汽輪機轉子上。圖2和圖3分別為常用的整鍛輪式、鼓式汽輪機轉子示意圖。

按制造工藝轉子可分為整鍛式、套裝式、焊接式等。整鍛式轉子是各級葉輪同主軸一起鍛出：套裝式轉子是葉輪和主軸分別加工，再以過盈配合方式將葉輪紅套在軸上；焊接轉子是用幾個強度很高的實心葉輪在外緣部分焊接連成鼓筒結構，形成焊接鼓式轉子。在國內化工行業應用的汽輪機轉子多為整鍛式轉子，其優點是結構緊湊， 葉輪受力情況好，強度高，不存在運行中葉輪與主軸間松動問題，可適用于高溫、高速條件。鼓式轉子結構，彎曲剛度大，但由于反動式汽輪機軸向推力較大，所以鼓式轉子一般帶有平衡活塞，以平衡部分動葉片上產生的軸向力。

汽輪機轉子葉輪

汽輪機轉子葉輪的作用是用來安裝沖動級動葉片，并將動葉片所受的汽流作用力傳遞給轉子主軸。

汽輪機轉子葉輪的型式主要有以下幾種：

等厚度葉輪結構，葉輪的厚度沿半徑不變，這種葉輪的優點是加工方便，但葉輪的強度較差，只能用于平均直徑不大、葉片較短的級中，一般圓周速度120～130m/s。

錐形葉輪結構，葉輪厚度沿半徑由內向外減薄成錐形，這種葉輪不但加工方便，而且強度高，可用在圓周速度達300m/s的級中，應用最為廣泛。

等強度葉輪結構，葉輪厚度沿半徑由內向外減薄成曲面，這種葉輪的特點是沿半徑方向各處的應力都相等，這種葉輪強度最高，圓周速度可達400m/s以上，但加工要求較高，應用相對較少。

汽輪機缸體主要用來支承轉子、隔板、靜葉持環、調節閥等部件， 容納并通過蒸汽，保證蒸汽在汽輪機內完成能量的轉換作功過程，同時把汽輪機的噴嘴、靜葉、轉子等與大氣隔開，形成密封腔體。

對于中低壓汽輪機，一般采用單層汽缸結構，即靜葉片或靜葉持環、隔極直接安裝在汽缸中。但當蒸汽壓力較高時，為保證安全和水平中分面的氣密性，中分面聯接螺栓尺寸要很大，相應的水平法蘭和汽缸壁也很厚、很笨重。在開停車和變負荷運行時，在汽缸和法蘭壁上溫度分布很不均勻，會引起很大的熱應力，甚至汽缸變形、中分面螺栓拉斷。因此對高壓汽輪機(如大于12.7MPa、535℃)大都采用雙層缸結構，把噴嘴蒸汽室和高壓段作在內缸里，由內缸和外缸分擔蒸汽的壓力、溫度，這樣內缸和外缸均可作得較薄些，在汽輪機起動、停車和變負荷運行時，缸體內不會產生較大的應力。

汽輪機內缸有的做成上下兩半，中分面用螺栓聯接，有的則作成圓筒形。圓筒形內缸形狀簡單、結構對稱，省去了笨重的法蘭及聯接螺栓，在溫度和壓力變化時不會產生大的應力，也不存在中分面漏汽問題。但圓筒形缸在安裝、檢修時比較困難，特別是動靜間隙的測量、調整很不方便。

外缸體一般通過本身的貓爪(或搭腳)支承在機座上，機座又用地腳螺栓固定在基礎上。

在工業汽輪機上常用的止推軸承有米楔爾止推軸承和金斯伯雷止推軸承，這些軸承的共同特點是有多個活動的止推瓦塊，在瓦塊后有承力點，止推瓦塊可以繞支點擺動，以形成最佳狀態的潤滑油膜。米楔爾止推軸承是止推塊同基環直接接觸，是單層的；金斯伯雷止推軸承是止推塊下還有上、下水準塊，然后才是基環，是三層結構，如圖 4和圖5所示。

米楔爾止推軸承的優點是結構簡單，軸向尺寸小；缺點是當瓦塊厚度稍有差別或軸承基環同止推盤平行度有誤差時，每瓦塊間負荷不能調節，會造成部分瓦塊過載。金斯伯雷止推軸承的優點是瓦塊間載荷分布均勻，調節靈活，能自動補償轉子。不對中、偏斜;缺點是結構復雜，需要軸向安裝尺寸較長。

如今汽輪機已經廣泛運用于工業生產中，在實際生產中已經占據了重要的位置，并對節約能源做出了很大的貢獻。大型汽輪機組的研制是汽輪機未來發展的一個重要方向，這其中研制更長的末級葉片，是進一步發展大型汽輪機的一個關鍵；研究提高熱效率是汽輪機發展的另一方向，采用更高蒸汽參數和二次再熱，研制調峰機組，推廣供熱汽輪機的應用則是這方面發展的重要趨勢。汽輪機將在未來的工業生產中占據越來越重要的位置。

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