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1、目录一、概述1、汽轮机的分类及应用2、汽轮机的作用原理3、汽轮机的结构分析4、汽轮机的材料选用二、汽轮机的运行1、启动和停机2、汽轮机的变工况运行三、汽轮机振动故障诊断1、强迫振动及自激振动的概念2、工业汽轮机振动的验收标准3、质量不平衡引起的振动4、半速涡动及油膜振荡5、摩擦及碰撞引起的振动6、叶片强度及叶片振动一、概述1、汽轮机的分类及应用汽轮机的分类方法主要有以下几种：（1）按工作原理可分为：冲动式汽轮机蒸汽主要在喷嘴（或静叶栅）中进行膨胀；反动式汽轮机蒸汽在喷嘴（或静叶栅）和动叶栅中都进行膨胀；（2）按热力性能可分为： 背压式汽轮机排汽压力大于大气压力，排气供其他热用户使用；凝汽式汽轮
2、机排汽在低于大气压力的真空状态下进入凝汽器凝结成水；抽汽式汽轮机利用抽汽供其他热用户使用的汽轮机，包括一次抽汽式和二次抽汽式；（3）按气流方向主要可分为：轴流式汽轮机在汽轮机内，蒸汽基本上沿轴向流动；径向式汽轮机蒸汽基本上沿径向流动；（4）按用途可分为：电站汽轮机即电站中拖动发电机的汽轮机；工业汽轮机工厂企业中的固定式汽轮机，包括自备电站的发电用汽轮机；各类汽轮机的特点及应用，主要介绍如下：（1）冲动式与反动式冲动式汽轮机的主要特点是级数少，一般为23级，结构简单，轴向尺寸小，径向尺寸大，我国发电站主要采用此类机型；反动式汽轮机的主要特点是级数多，一般在7级以上，结构复杂，轴向尺寸较长，与冲动
3、式汽轮机相比较，由于在静叶和动叶中均膨胀做功，故效率比冲动式高6%8%，故在石油化工企业中得到广泛应用。随着制造技术和制造能力的发展，反动式汽轮机也逐渐在热电厂中得到推广应用。（2）背压式与凝汽式背压式汽轮机与凝汽式汽轮机的应用，主要是从企业的热力平衡着眼，结合最大效益进行选择的结果。背压式汽轮机较凝汽式汽轮机结构简单，配置最少，主要是在背压供其他热源时选用。而凝汽式汽轮机能最大的吸收新蒸汽的能量（焓降），因此得到最大范围的应用。（3）近年来，随着制造装配和材料升级的进度，汽轮机仍在向大功率、高参数方向发展，以追求较低的单位功率重量比（kgf/kw）、单位功率长度比（m/104kw）和热耗比（
4、kJ/kw.h）。比如在新蒸汽压力上有高压610MPa、超高压1214MPa、亚临界1618MPa、超临界22.6MPa等。新蒸汽初温亦应用到535565不等。2、汽轮机的作用原理图1-1表示汽轮机的某一级，它由静叶片和动叶片所组成。静叶片安装在机壳隔板体上，动叶片安装在转子轮盘上。 图1-1透平示意图1-静叶片 2-动叶片 3-隔板 4-叶轮 5-轴如图1-1所示，静叶片前截面用0-0表示，静叶片和动叶片之间的截面用1-1表示，而动叶片后截面用2-2表示。这三个截面上的气流参数分别注以下标0、1和2。在静叶流道内，气体自压力P0膨胀到P1，温度自t0下降到t1，气流速度相应地由C0升至C1。
5、在静叶流道内，气流自进口至出口完成了由热能向动能的转换。在通常情况下，动叶片流道内的气流，一方面将其在静叶片内所获得的动能转换为动叶片上的机械能，另方面继续膨胀，对动叶产生一个反作用力（称为反动力）。在上述二力的合力作用下，动叶片绕轴转动，产生机械功。动叶片以转速n（转/分）绕透平轴旋转，用表示动叶进口平均直径d1处的圆周速度，其模等于，其方向为动叶运动的圆周方向。速度是气流在静叶出口的速度。它是一个固定不动的观察者所看到的气流进入动叶流道中的速度。由于动叶片以圆周速度作圆周运动，所以，在动叶进口处，对与动叶片一起作旋转运动的观察者而言，他所看到的动叶进口的气流速度不是速度，而是相对速度，它等
6、于,即式中：动叶进口气流的绝对速度，m/s 动叶进口气流的相对速度，m/s 动叶进口的牵连速度，m/s由此三个速度组成的速度三角形表示在图1-1中。此速度三角形叫做动叶进口速度三角形。气体在动叶流道内继续膨胀到压力P2，温度相应下降到t2。同理，在动叶出口平均直径处的圆周速度（即牵连速度）为，其模为：。动叶片出口气流的绝对速度，按下式求得：由速度、和组成的三角形叫动叶出口速度三角形。如果将进口和出口速度三角形绘制在一起，如图1-2所示。图1-2 级速度三角形以上为气体在透平级内的流动过程，而气体在级内的热力膨胀过程（即膨胀做功过程）通常用焓熵图（is图）表示，如图1-3所示。图1-3 焓熵图（
7、is图）0*表示气流在静叶片前的滞止状态（所谓滞止状态是假定在绝热过程中将气流速度滞止为零的状态，即气体无热和机械交换汽流速度为零）。P*0、t*0分别表示该状态下的压力和温度。如果用代表静叶前的气流动能，则有。如果气体在静叶片流道内自压力P0 至压力P1的膨胀过程是绝热等熵的（无能量损失），则该过程在is图上用线 表示,相应的焓降用h1s表示。但实际上，气体在静叶片内的膨胀过程是有损失的，因此，在绝热的条件下，气体在膨胀过程中熵将增加（既有能量损失）。此时静叶片出口的气体状态用1表示。实际膨胀过程用线 表示。静叶中的有效焓降用h1u表示，等熵焓降h1s与实际焓降h1u之差表示静叶片中的能量损
8、失，用表示，即图1-3中静叶片出口的实际状态点1即为动叶片进口气体的实际状态。如果在动叶片流道内，流动时绝热且无能量损失，则气体从压力P1膨胀到级后压力P2用等熵线表示。与此相对应的气体焓降用h2s表示，实际上流动时有能量损失，即在动叶流道内气体的实际膨胀过程是增熵的。状态点2表示动叶片后气体的实际状态点，过程线12表示动叶流道内气体的实际膨胀过程，对应的有效焓降用h2表示。焓降差。气流离开动叶流道时仍具有一定的速度，这个速度对应的动能在该机内已不能转换为机械功而损失掉了，故称为余速损失，并用表示，即这样，在动叶片上转换为机械功的有用焓为 通常用表示整个级的等熵焓降，即当动叶片内的能量损失较小
9、时，焓降和相差极小，可以近似地认为于是，整个级内的有效焓降可表示为如果用表示级的轮周效率（即级的内效率），则有式中表示级的实际有效焓降，即实际功，表示级的理想焓降即理想功。衡量气体压力在动叶片内膨胀程度的参数叫反动度，它的定义是我们所说的反动式汽轮机的反动度通常，冲动式汽轮机亦有一定的反动度，一般。3、汽轮机的结构分析汽轮机基本结构主要由汽缸、静叶栅、转子、动叶栅以及主汽门、调节阀、轴承座和滑销系统等组成，其中最关键的部件是汽缸、转子与动叶片。（1）、汽缸中小功率汽轮机通常只有一个汽缸。根据进汽参数的高低，决定转子用整锻或套装。汽缸与进汽室（喷嘴室）分开或作成一体。对于大功率汽轮机通常由高压缸
10、、中压缸和低压缸组成。对于高压缸，因蒸汽压力和温度很高，其突出矛盾是热应力和热膨胀。为减少汽缸热应力和保证法兰的密封，除采用双层汽缸布置外，对通流部分还需考虑不同的布置型式顺流或返流等。对于中间再热的中压缸，进汽温度高，而汽缸因缸壁薄、直径大、抽汽口多、轴向尺寸长，因而在结构设计时应考虑刚性问题。为适应工艺需要，有时将汽缸分成前后两段，并要确保垂直法兰处的密封，并有利用抽汽口的布置。对于低压缸，蒸汽压力和温度较低，较多的级处于湿蒸汽工作，排汽端有较高真空，结构上主要特点是体积庞大，除保证有足够刚度外，还要合理选择同凝汽器的连接方式，采取有效地防蚀、去湿措施。图1-4和1-5分别为汽轮机通流部分
11、的主要布置型式和低压缸同凝汽器的连接方式：图1-4通流部分布置型式图1-5低压缸同凝汽器的连接方式汽轮机汽缸的支撑和热膨胀、滑销系统的布置和热膨胀的引导作用，汽缸座架的膨胀、内缸与外缸的相对热膨胀以及转子对汽缸的相对膨胀等问题，是汽轮机启动和运行中必须关注的焦点，由于篇幅所限，在此就不进行展开讨论。（2）转子汽轮机的转子，根据蒸汽参数的不同，可选择套装、整锻和焊接三种不同型式。 套装转子的结构特点是轮盘（叶轮）过盈装配与轴上，用轴向键或径向销传递扭矩。其优点是零件可分散加工、制造工艺简单，锻件质量易保证等；其缺点是轮孔应力较大，转子刚性差，快速起动的适应性差，配合面可靠性差等。故通常用于中低压
12、缸汽轮机中，转子工作温度不宜大于400。套装转子如图1-6所示。整锻转子的结构特点是整体锻压而成。其优点是结构紧凑、装配零件少，转子刚性好、起动性好等。其缺点是锻件大，材料不能充分利用、制造周期长等。该种转子使用范围广，一般用于高温、高转速等工作条件。整锻转子如图1-7：焊接转子的结构特点是由若干实心轮盘拼焊而成。其优点是轮盘无中心通孔，应力小，转子刚性好、锻件小、质量易保证、材料利用率较高。其缺点是焊接工艺较复杂、制造周期较长等。该种转子多用于大容量汽轮机的低压段。焊接转子如图1-8所示：（3）动叶片 动叶片的结构由叶型、叶根和连接件组成。 叶型（工作部分）气流通过型线部分构成的流道完成能量
13、转换。有的动叶片截面型线沿高度不变称为直叶片，有的则沿高度扭转变化称为扭叶片。 叶根把叶片固定在转子上的装配部分。叶根型式的选取主要取决于强度、加工条件和转子型式。常见的叶根见图1-9，有T型、外包T型、叉型、双T型、枞树型等。 连接件包括围带和拉筋及铆接件等。用连接件把几只或整圈叶片连接成叶片组，可以调整叶片的自振频率和减少叶片所受的动应力，不连接成组的叶片称为自由叶片。围带可以减少叶顶漏气，它的结构如图1-10所示接筋有实心、空心圆形和两半圆形等几种，拉筋与叶片的连接型式如图1-11所示；铆钉头的结构型式如图1-12所示4、汽轮机材料选用（1）汽缸材料的选用对于汽轮机材料的选用，API61
14、2没有具体的规定，对于汽缸等承压件，如果新蒸汽参数超过1.7MPa或230，应为钢质材料，如果排汽压力超过0.52MPa或空负荷时排汽温度超过230，那么背压式汽轮机排汽缸应为钢质材料。当最高蒸汽温度超过410时，应使用合金钢。（2）转子及叶片材料API612规定，除非另有认可，叶轮和主轴应为锻钢材料；喷嘴、叶片锁块、动叶和静叶、围带等应为含1113%铬钢或镍铜合金等。表1-1、表1-2、表1-3为相关资料推荐的材料表，在选定汽轮机时可资参考。表1-1汽缸、隔板、阀壳材料材料牌号HT30-54ZG25ZG20CrMoZG20CrMoVZG15Cr1Mo1V工作温度250360500540570表1-2转子和叶轮材料材料牌号34CrMo35CrMoV34CrNi3Mo17CrMo1V27Cr2Mo1V20Cr3MWV工作温度480500400520535550部件名称叶轮、转子叶轮高强度叶轮焊接转子转子转子表1-3叶片材料材料牌号1Cr132Cr1327Cr11MoVCr11MoVCr12WMoV工作温度450450530530570工作条件一般级拉应力较高区过热区级高温区级高温、拉应力大、低压级注：以上部分非必选内容二、汽轮机的运行汽轮机的运行为大家所熟知，故在此只对汽轮机的变工况运行进行讨论：1、新蒸汽流量变化当新蒸汽流量变化而温度和压力不变时（即T01=T0；X
