汽轮机结构及零件强度

汽轮机结构结构部件由转动部分和静止部分两个方面组成。

转子包括主轴、叶轮、动叶片和联轴器等。

静子包括进汽部分、汽缸、隔板和静叶栅、汽封及轴承等。

汽缸汽缸是汽轮机的外壳，其作用是将汽轮机的通流部分与大气隔开，形成封闭的汽室，保证蒸汽在汽轮机内部完成能量的转换过程，汽缸内安装着喷嘴室、隔板、隔板套等零部件；汽缸外连接着进汽、排汽、抽汽等管道。

汽缸的高、中压段一般采用合金钢或碳钢铸造结构，低压段可根据容量和结构要求，采用铸造结构或由简单铸件、型钢及钢板焊接的焊接结构。

高压缸有单层缸和双层缸两种形式。

单层缸多用于中低参数的汽轮机。

双层缸适用于参数相对较高的汽轮机。

分为高压内缸和高压外缸。

高压内缸由水平中分面分开，形成上、下缸，内缸支承在外缸的水平中分面上。

高压外缸由前后共四个猫爪支撑在前轴承箱上。

猫爪由下缸一起铸出，位于下缸的上部，这样使支承点保持在水平中心线上。

中压缸由中压内缸和中压外缸组成。

中压内缸在水平中分面上分开，形成上下汽缸，内缸支承在外缸的水平中分面上，采用在外缸上加工出来的一外凸台和在内缸上的一个环形槽相互配合，保持内缸在轴向的位置。

中压外缸由水平中分面分开，形成上下汽缸。

中压外缸也以前后两对猫爪分别支撑在中轴承箱和1号低压缸的前轴承箱上。

低压缸为反向分流式，每个低压缸一个外缸和两个内缸组成，全部由板件焊接而成。

汽缸的上半和下半均在垂直方向被分为三个部分，但在安装时，上缸垂直结合面已用螺栓连成一体，因此汽缸上半可作为一个零件起吊。

低压外缸由裙式台板支承，此台板与汽缸下半制成一体，并沿汽缸下半向两端延伸。

低压内缸支承在外缸上。

每块裙式台板分别安装在被灌浆固定在基础上的基础台板上。

低压缸的位置由裙式台板和基础台板之间的滑销固定。

转子转子是由合金钢锻件整体加工出来的。

在高压转子调速器端用刚性联轴器与一根长轴连接，此节上轴上装有主油泵和超速跳闸机构。

所有转子都被精加工，并且在装配上所有的叶片后，进行全速转动试验和精确动平衡。

第六节汽轮机叶片的动强度一、叶片动强度概念运行实践证明：汽轮机叶片除了承受静应力外，还受到因汽流不均匀产生的激振力作用。

该力是由结构因素、制造和安装误差及工况变化等原因引起的。

对旋转的叶片来说，激振力对叶片的作用是周期性的，导致叶片振动，所以叶片是在振动状态下工作的。

当叶片的自振频率等于脉冲激振力频率或为其整数倍时，叶片发生共振，振幅增大，并产生很大的交变动应力。

为了保证叶片安全工作，必须研究微振力和叶片振动特性，以及叶片在动应力作用下的承载能力等问题，这些属于叶片动强度范畴。

运行经验表明，在汽轮机事故中，叶片损坏占相当大比重，其中又以叶片振动损坏为主。

据国外统计，叶片事故约占汽轮机事故25％以上。

据国内1977年对1156台汽轮机统计，发生叶片损坏或断裂事故者约占31．7％。

应该指出，迄今为止还不能精确地对叶片动应力进行理论计算。

因此，下面只介绍激振力和叶片自振频率、动频率的计算，以及叶片安全准则和调频方法。

二、激振力产生的原因及其频率计算叶片的激振力是由级中汽流流场不均匀所致的。

造成流场不均的原因很多，归纳起来可分为两类：一类是叶栅尾迹扰动，即汽流绕流叶栅时，由于附面层的存在，叶栅表面汽流速度近于零、附面层以外汽流速度为主流区速度，当汽流流出叶栅时在出口边形成尾迹，所以在动静叶栅间隙中汽流的速度和压力沿圆周向分布是不均匀的，另一类是结构扰动，如部分进汽、抽汽口、进排汽管以及叶栅节距有偏差等原因引起汽流流场不均匀，都将对叶片产生周期性的激振力，因而使叶片发生振动。

当叶片自振频率与激振力频率相等时，无论激振力是脉冲形式还是简谐形式，都会使叶片发生共振。

当自振频率为激振力频率的整数倍时，只有脉冲形式激振力才会引起叶片共振。

当自振频率等于激振力频率或前者是后者的整数倍而共振时，称为两者合拍。

在汽轮机中叶片的激振力都是以脉冲形式出现的。

因5，6．2所示为叶片自振频率为脉冲激振力频率的三倍时的振幅变化情况。

汽轮机主要零部件的结构与作用一、基础与机座基础是由钢筋混凝土构成的整体结构。

其型式根据机组的结构特点及大小而定。

基础主要承受着汽轮机、凝汽器、工作机（及冷却器）等的重量，此外还承受着由于机组的转动部分质量不平衡所引起的离心力。

机座（台板）是用来支承机组并使其牢固地固定在基础上的部件。

小型机组采用整块式台板，是用铸铁浇铸的空心结构。

台板与基础之间置有垫铁，汽缸找平后，拧紧地脚螺栓，然后在空心台板内灌入混凝土，使台板牢固地固定在基础上。

连接台板与基础的地脚螺栓一般有双头螺栓和带钩式螺栓两种型式。

二、汽缸1．汽缸的作用及受力汽缸是汽轮机的外壳。

其作用是将汽轮机的通流部分与大气隔开，形成封闭的汽室，保证蒸汽在汽轮机内完成其能量转换过程。

汽缸内部装有喷咀室、喷咀、隔板套、隔板和汽封等零部件，汽缸外部装有调节汽阀及进汽、排汽和回热抽汽管路。

汽缸的受力情况比较复杂，而且随着汽轮机的运行工况改变而变化，为了掌握正确地运行方式，保证机组的安全，必须了解汽缸在工作时的受力情况。

汽缸在工作时承受的作用力主要有：（1）汽缸内外的压力差，使汽缸壁承受一定的作用力。

（2）隔板和喷咀作用在汽缸上的力，这是由隔板前后的压力差及汽流流过喷咀时的反作用所引起的。

（3）汽缸本身和安装在汽缸上零部件的重量。

（4）轴承座与汽缸铸成一体或轴承座螺栓连接下汽缸的机组，汽缸还承受着转子的重量及转子转动时产生的不平衡力。

（5）进排汽管道作用在汽缸上的力。

（6）汽轮机在运行中，汽缸各部分存在着温度差引起的热应力。

因此，在考虑汽缸结构时，必须保证汽缸有足够的强度和刚度，保证各部分受热时自由膨胀，根据汽流压力、温度和容积的变化要求通流部分有比较大地流通特性；在满足强度和刚度的情况下，尽量减薄汽缸和法兰壁的厚度，力求汽缸形状简单、对称。

在汽轮机运行时，必须合理地控制汽缸的温度变化速度，以避免汽缸产生过大的热应力和热变形及由此引起的汽缸结合面不严密或汽缸裂纹。

第二节 汽轮机叶片静强度计算叶片是汽轮机的主要零件之一，它将高速汽流的动能转换成机械功。

为了确保叶片安全工作，以及分析其损坏原因，必须掌握叶片静强度计算和动强度校核方法。

本节只讨论叶片静强度计算，重点介绍叶片的离心应力和蒸汽弯曲应力的计算，以及讨论围带、拉筋等对叶片弯曲应力和离心应力的影内。

一、单个叶片叶型部分的应力计算汽轮机叶片由叶顶、叶型(叶片型线，或称叶身)和叶根三部分组成，叶片是在高温、高转速和高速汽流绕流或湿蒸汽区的条件下工作的。

作用在叶型部分的力主要有两类：其一是与叶型自身质量和围带、拉筋质量有关的离心力；其二是高速汽流通过叶型通道时产生的蒸汽作用力，以及围带、拉筋发生弯曲变形时对叶片的作用力等。

前者是叶型内部的离心应力；后者是弯曲应力。

当叶片离心力的作用点不通过计算截面的形心时，离心力除了引起拉伸应力外，还要产生离心力偏心导致的弯曲应力。

叶片分为等截面和变截面叶片两类。

两者的结构和受力不同，因而其离心力和弯曲应力的计算方法也有区别。

（一） 离心应力计算汽轮机叶片在高速旋转时产生很大的离心力，由离心力引起的应力称为叶片的离心应力。

由于离心力沿叶高是变化的，所以离心应力沿叶高各个截面上也是不相等的。

尽管离心力在叶型根部截面最大，但高心应力的大小要视叶型截面的变化规律而定。

1．等截面叶片的离心应力计算等截面叶片如图5.2.1所示，其叶型截面面积沿叶高不变。

由于叶型根部截面承受整个叶型部分的离心力，所以根部截面的离心力c F 最大：2ωρm c A l R F = （5.2.1）式中 ρ——叶片材料密度；A ——叶型截面积； l ——叶型高度；mR ——级的平均半径；ω——叶轮的旋转角速度。

等截面叶片根部截面积的离心应力最大用m ax .c σ表示，即2m ax ./ωρσm c c lR A F == （5.2.2） 由上式可得到几点有益的启示： 1） 等截面叶片的离心应力与其截面面积大小无关，也就是说对于等截面叶片不能用增加截面面积的方法来降低离心应力，因为随着截面积的增加其离心应力也成比例增加，根部截面的最大离心应力保持不变。

第四章 汽轮机结构及零件强度习题答案1．汽轮机本体由哪些主要部件组成？汽轮机本体是汽轮机设备的主要组成部分，它由转动部分(转子)和固定部分(静子)组成。

转动部分包括动叶片、叶轮(反动式汽轮机为转鼓)、主轴和联轴器及紧固件等旋转部件；固定部件包括汽缸、蒸汽室、喷嘴室、隔板、隔板套(或静叶持环)、汽封、轴承、轴承座、机座、滑销系统以及有关紧固零件等。

2．动叶片常用的叶根型式有哪几种？各有何特点？常用的结构型式有T 型、叉型和枞树型等T 型叶根：结构简单，加工方便，增大受力面积，提高承载能力，多用于短叶片，加有凸肩的可用于中长叶片。

叉型叶根：强度高，适应性好。

同时加工简单，更换方便。

枞树型叶根：承载截面按等强度分布，适应性好。

但加工复杂，精度要求高。

3．围带和拉金分别有什么作用？有哪几种型式？采用围带或拉金可增加叶片刚性，围带：增加叶片刚性，减少级内漏气损失。

降低叶片蒸汽力引起的弯应力，调整叶片频率。

拉金：增加叶片刚性，改善振动性能。

4．动叶片工作时主要受到哪些力的作用？⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎭⎪⎬⎫⎩⎨⎧⎩⎨⎧静应力动应力—交变部分汽流弯应力—稳定部分汽流力离心弯应力离心拉应力离心力叶片受力5．等截面叶片上最大拉应力和弯应力在什么地方？等截面直叶片其根部截面承受最大的离心力与离心拉应力。

等截面直叶片根部截面不同部位均承受最大的弯应力6．工作时引起叶片振动的激振力有哪几类？是如何产生的？激振力按频率的高低可分为低频激振力和高频激振力。

主要是由于沿圆周方向汽流不均匀而产生的，这样形成的激振力产生这种现象的主要原因有：个别喷嘴损坏或制造、安装偏差；隔板中分面处结合不好使汽流异常；级前或级后有加强筋，干扰汽流；级前或级后有抽汽口或排汽口；隔板采用部分进汽等。

由于喷嘴的出汽边有一定的厚度，使得喷嘴叶栅出口的汽流速度分布不均匀，通道中间部分高而出汽边尾迹处低。

叶片每经过一个喷嘴，所受的汽流力就变动一次，即受到一次激振，称为高频激振力。

汽轮发电机的主要组成部分及结构特点汽轮发电机是一种利用汽轮机驱动发电机发电的设备。

其主要组成部分包括汽轮机、发电机、热交换设备、控制系统和辅助设备等。

下面将分别介绍这些组成部分的结构特点。

汽轮机是汽轮发电机的核心部件，它通过燃烧燃料产生的高温高压气体驱动转子旋转，进而带动发电机发电。

汽轮机的结构特点主要体现在以下几个方面：1. 转子结构：汽轮机的转子通常由高压段、中压段和低压段组成。

每个段落的转子叶片的数量和形状都不相同，根据气流参数的不同，使得每个段落的转子受力均衡，提高了转子的可靠性和稳定性。

2. 叶片结构：汽轮机的叶片通常采用双流道结构，即每个叶片上有两个流道，分别用于高压气体和低压气体。

叶片材料通常采用高温合金，以保证叶片在高温高压下的强度和耐腐蚀性能。

3. 汽轮机的外壳：汽轮机的外壳通常由高温合金制成，能够承受高温高压气体的冲击和腐蚀。

外壳内部的冷却结构可以减少叶片和外壳的温度梯度，提高了汽轮机的寿命和可靠性。

发电机是汽轮发电机的另一个重要组成部分，它将汽轮机产生的机械能转换为电能输出。

发电机的结构特点主要体现在以下几个方面：1. 定子结构：发电机的定子通常由若干组线圈和铁芯叠装而成。

定子线圈的数量和排列方式根据发电机的额定功率和电压等参数确定。

定子铁芯的结构通常采用矩形截面，以提高磁通密度和发电效率。

2. 转子结构：发电机的转子通常由磁极和转子轴组成。

转子磁极的数量和形状根据发电机的极数和转速等参数确定。

转子轴一般采用高强度材料制成，以承受转子磁极的离心力和惯性力。

3. 冷却结构：发电机的定子和转子通常需要进行冷却，以保持其温度在可控范围内。

常见的冷却方式有风冷和水冷两种，其中水冷方式可以提供更高的冷却效果，但需要增加冷却系统的复杂性和成本。

热交换设备是汽轮发电机的重要辅助设备，它负责将汽轮机排出的高温排烟进行冷却，以提高热能的利用效率。

热交换设备的结构特点主要体现在以下几个方面：1. 烟气冷却器：烟气冷却器通常采用水冷方式，即将烟气通过管道与循环水进行换热，使烟气的温度降低。