汽轮机本体简介

汽轮机本体简介

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（静体或转子）

组成。转动部分包括动叶栅、叶轮（或转鼓）、主轴、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、汽封、轴承、轴承座、机座、滑销系统，以及有

关紧固零件等。

转子

一、 概述

汽轮机的转动部分总称转子，包括轴、叶轮、叶片及其他有关部件，它是汽轮机最重要的部件

之一，担负着工质能量转换及扭矩传递的重任。转子的工作条件相当复杂，它处在高温工质

中，并且高速旋转，因此承受着叶片、叶轮、主轴本身质量离心力所引起的巨大应力，以及由

于温度分布不均匀引起的热应力（不平衡质量的离心力还将引起转子振动）；另一方面，蒸汽

作用在动叶栅上的力矩通过转子的叶轮、主轴和联轴节传递给发电机或其他工作机。所以转子

要具有很高的强度和均匀的质量，以保证它安全工作。运行中要特别注意转子的工作状况，任

何设计、制造、安装、运行等方面的工作上的疏忽均会造成重大事故。

二、汽轮机转子的类型和结构

汽轮机转子按形状分为转轮型转子和转鼓型转子两大类。转鼓型转子多适用于反动式汽轮机。

目前大、中、小容量的冲动式汽轮机广泛采用转轮型转子，而某些大功率冲动式汽轮机的低压

部分转子也采用转鼓型。转子按制造工艺不同，又可分为套装式、整锻式、组合式及焊接式转

子。

（一）转子的类型

一台机组采用何种类型的转子，由转子所处的温度条件及各国的锻冶技术确定。

1、套装转子

套装转子的叶轮、轴封套、联轴节等部件是分别加工后，红套在阶梯型主轴上的。各部件与主

轴之间采用过盈配合，以防止叶轮等因离心力及温差作用引起松动，并用键传递力矩。中、低

压汽轮机的转子和高压汽轮机的低压转子常采用套装结构。

套装转子的优点：加工方便，生产周期短；可以合理利用材料，不同部件采用不同的材料；叶

轮、主轴等锻件尺寸小，易于保证质量，且供应方便。缺点：在高温条件下，叶轮内孔直径将

因材料的蠕变而逐渐增大，最后导致装配过盈量消失，使叶轮与主轴之间产生松动，从而使叶

轮中心偏离轴的中心，造成转子质量不平衡，产生剧烈振动，且快速启动适应性差。因此，套

装转子不宜直接作为高温高压汽轮机的高压转子。

2、整锻转子

汽轮机组的转子广泛采用整锻转子。整锻转子的叶轮和主轴是一体锻造出来的，所以不存在键

槽应力腐蚀开裂和套装件的松弛等问题，比套装转子具有明显的优越性。整锻转子的应用主要

取决于钢厂的冶炼水平和钢锭的质量。通过钢包精炼、真空铸锭和多种重熔工艺，使锻件芯部

夹杂物含量和偏析程度大大降低。随着鼓风冷却和喷水冷却工艺的日益完善，转子热处理后的

性能得到提高，不同部位性能差异减少；而且组织均匀、晶粒细小，为转子高灵敏度超声波探

伤创造了条件；同时也能得到较低的脆性转变温度（FATT ），从而保证了整锻转子良好的机械

性能和启动运行的灵活性。

整锻转子的叶轮、轴封套和联轴节等部件与主轴是由一整锻件车削而成的，无热套部件，这解

决了高温下叶轮与主轴连接可能松动的问题，因此整锻转子常用作大型汽轮机的高、中压转

子。整锻转子的优点是：结构紧凑，装配零件少，可缩短汽轮机轴向尺寸；没有红套的零件，

对启动和变工况的适应性较强，适于在高温条件下运行；转子刚性较好。整锻转子的缺点是：

锻件大，工艺要求高，加工周期长，大锻件质量难以保证，且检验比较复杂，又不利于材料的

合理使用。

3、焊接转子

汽轮机的低压转子直径大，特别是大功率汽轮机的低压转子质量大，叶轮承受很大的离心力。

当采用套装转子结构时，叶轮内孔在运行中将发生较大的弹性形变，因而需要设计较大的装配

过盈量，但这样又引起很大的装配应力。若采用整锻转子，则因锻件尺寸太大，质量难以保

证。为此采用分段锻造，焊接组合的焊接转子，它主要由若干个叶轮与端轴拼合焊接而成。

焊接转子质量轻，锻件小，结构紧凑，承载能力高。与尺寸相同、带有中心孔的整锻转子相比，焊接转子强度高，刚性好，重量减轻20%~25%。由于焊接转子工作可靠性取决于焊接质

量，故要求焊接工艺高，材料焊接性能好，否则难以保证。因此，这种转子的应用受到焊接工

艺及检验方法和材料种类的限制，随着焊接技术的不断发展，它的应用将日益广泛。此外，反

动式汽轮机因为没有叶轮，也常用此类转子。

与套装式和整锻转子相比，焊接转子明显具有以下优点：

（1）焊接式转鼓型转子为中空腔室结构，其热应力和离心应力较低，启动灵活，并能适应负荷

的快速变化，使用寿命长。

（2）每个转子是用多块小锻件组合焊接的，各段的质量可得到保证，探伤比较彻 底，个别段即

使发生质量问题，处理也比较方便。

（3）小块锻件，热处理淬透性好，残余应力低，材质均匀。

（4）材料可按需要灵活选用。

4、组合转子

因转子各段所处的工作条件不同，故可在高温段采用整锻结构，而在中、低温段采用套装结

构，形成组合转子，以减小锻件尺寸。一台机组选用转子的数目依其功率、蒸汽参数及总体结

构布置而定。

（二）转子的结构

转子由主轴、叶轮、叶片、推力盘、轴套、联轴节，以及带动转速表、调速器、主油泵的传动

装置（蜗杆）等所组成。

1、主轴

轴是用高强度的耐热合金钢锻造后冷加工而成的。由于多级汽轮机的转子较长，沿轴向各处受

力不同，为使轴各截面的强度一致，所以它各处的直径不同，呈台阶状。转子支撑在轴承上，

中间受力最大，因而此处直径较大。根据受力大小的不同来确定轴的直径的优点是：等强度情

况下金属材料消耗少，质量轻，轴颈较小，轴承润滑油耗油量少，同时也便于套装叶轮。

2、叶轮

叶轮分为轮缘、轮毂、轮盘三部分，轮缘上有叶根槽，是安装叶片的部分；轮毂是把叶轮装在

轴上的部分；轮盘是把轮缘和轮毂联成一体的中间部分。轮缘的形状决定于叶片根部的固定方

式。轮毂和轮盘的形状决定于叶轮上的负载。叶轮的形状有等厚度叶轮和锥形叶轮。等厚度叶

轮用于四周速度不太大的全锻转子上；锥形叶轮用于圆周速度较高的套装转子上。

（三）转子的临界速度

在汽轮机转子制造和装配过程中，不可避免的会存在局部的质心偏移。当转子转动时，这些质

心偏移产生的离心力就成为一种周期性的激振力作用在转子上，使转子产生受迫振动。当激振

力的频率（即转子每秒的转速）与转子系统在转动条件下的自振频率相接近时，转子就会发生

共振，振幅急剧增大，产生剧烈振动，此时的转速就称为转子的临界转速。它在运行中表现

为：在汽轮机启动升速过程中，在某个特定的转速下，机组振动急剧增大，超过这一转速后，

振动便迅速减小；在另一更高的转速下，机组可能发生较强烈的振动，继续提高转速，振动又

迅速减弱。因为转子有一系列的自振频率，所以转子就有一系列的临界转速，依次称为第一、

二、……、n阶临界转速，用nc1、nc2、…ncn表示。

如果转子在临界转速下持续运行，轻则使转子振动加剧，重则造成事故。特别是在转子平衡较

差的情况下，振动会更大。这时可能导致叶片碰伤或折断，轴承和汽封磨损，甚至使大轴断

裂。因此，必须对转子的临界转速给予足够重视，在启动操作过程中应使机组迅速通过临界转

速，避免在此转速下停留；在设计时，要精确计算出转子的临界转速，使它与工作转速避开一

定的范围。

当转子的工作转速n0＜nc1时，这种转子称为刚性转子，一般设计要求nc1＝（1.25~1.8）n0；

当n0＞nc1时，转子称做挠性转子，要求1.4ncn＜n0≤0.7 nc（n+1）。现在国际标准化组织把转

子自然挠曲变形引起的附加不平衡可以不计的转子称为刚性转子，反之则称为挠性转子。

转子临界转速的大小与转子的直径、重量、几何形状、两端轴承的跨距、轴承支撑的刚度等有

关。一般地说，转子直径越大，重量越小，跨距越小，轴承支撑刚度越大，则转子的临界转速

越高，反之则越低。

一般轴瓦和轴承座是具有一定弹性的物体，所以转子的临界转速接近于弹性支撑时的临界转

速。改变轴承刚度会影响临界转速。临界转速的理论计算值最终将由实测验证。对于已投产运

行的汽轮发电机组转子，影响临界转速的因素是转子的温度和轴承支撑的刚度。

机组的几个转子连接成轴系以后，刚度有所变化，所以轴系的各阶临界转速与相应的单个转子的临界转速也有些差别。原来临界转速低的会高些，原来临界转速高的会低些。

三、叶片

叶片是汽轮机中数量最多、最重要的零件，装在叶轮的边缘上构成动叶栅。由于动叶栅是完成

蒸汽能量转换的元件，工作条件恶劣，受力情况复杂，因此要求叶片具有良好的流动特性，而

且还要有足够的强度。

叶片按用途可分为动叶片（又称工作叶片，简称叶片）和静叶片（又称喷嘴叶片）两种。

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，接受喷嘴叶栅射出的高

速汽流，把蒸汽的动能转换成机械能，使转子旋转。

静叶片安装在隔板或汽缸上，在反动式汽轮机中起喷嘴作用；在速度级中作为导向叶片，使汽

流改变方向，引导蒸汽进入下一列动叶片。

叶片由叶型、叶根和叶顶三部分组成。

1、叶型部分是叶片的基本部分，由它构成汽流通道。叶型部分的横截面形状称为叶型，其周线

称为型线。为了提高能量的转换效率，叶片端面型线及其沿叶高的变化规律应符合气体动力学

的要求，同时还要满足结构强度和加工工艺的要求。

由于工作原理的差别，冲动式叶片与反动式叶片的叶型不同。

按叶型沿叶高是否变化，将叶片分为等截面叶片和变截面叶片两种。等截面叶片的叶型沿叶高

不变，这种叶片加工简单，但流道结构和应力分布不合理。对于较长的叶片级，为了改善气动

特性，减小离心应力，宜采用变截面叶片。此种叶片的叶型沿叶高按一定规律变化，即叶片绕

各横截面的形心连线发生扭转，通常又称为扭曲叶片。

2、叶根及连接件

叶片通过叶根安装在叶轮或轮鼓上。叶根的作用是紧固动叶，使其在经受汽流的推力和旋转离

心力作用下，不至于从轮缘沟槽里被拔出来。因此要求它与轮缘配合部分要有足够的强度且应

力集中要小。其次要求它尺寸紧凑，便于加工、装配。它的结构形式取决于转子的结构形式、

叶片的强度、制造和安装工艺要求和传统等。常用的结构型式有T型、叉型和枞树型等。

叶顶部分通常装有围带，长叶片则在中部用拉金连成组，或者互不相干成为自由叶片。用围带

或拉金把叶片连成组可以减小汽流产生的弯曲应力，改变叶片的刚性，以提高其振动的安全

性。围带还可使叶片构成封闭槽道，并可装置围带汽封，减少叶片顶部的漏气损失。

用拉金连成组的叶片或自由叶片的叶顶通常都削薄，以减轻叶片质量，并可防止在运行中与汽

缸相碰，损坏叶片。

由于拉金处在汽流通道中间，会造成附加的能量损失；同时，拉金孔削弱了叶片的强度，所以

在满足强度和振动安全的情况下，有的长叶片也可设计成自由叶片。

汽缸和滑销系统

一、汽缸的作用与构造

汽缸即汽轮机的外壳，是汽轮机的重要部件之一。根据汽缸进口处蒸汽参数的不同，可以将汽

缸分为高压缸、中压缸和低压缸。

汽缸的作用是：

1、将高温高压的蒸汽与大气隔开，形成能量的转换环境。

2、包括隔板、喷嘴叶栅及转子部件，共同构成汽轮机的通流部分。

3、承受安装在内部各零件的重量，管道的安装拉力，运行时汽缸内外的压差，汽缸内外温度的

变化产生的热应力以及连接管道热状态改变时对汽缸的作用力。

4、端部装有汽封，形成严密的汽室，防止蒸汽外漏，在低压部分防止空气漏入。

5、在汽缸上加工有抽汽口，与回热抽气管道加热系统一起完成回热循环，加热给水，提高循环

热效率。

6、中小型汽轮机的汽缸通常与轴承座铸成一体，因此，这种结构的汽缸还要承受转子的部分重