汽轮机转子及构成

汽轮机转子及构成 1转子定义 汽轮机所有转动部件的组合体称为转子（图13）。它主要包括：主轴、叶轮（转鼓）、叶片、联轴器等部件。

图13 转子 转子的作用：汇集各级动叶栅所得到的机械能，并传给发电机。 转子受力分析：传递扭矩、离心力引起的应力、温度不均匀引起的热应力、轴系振动所产生的振动应力。

汽轮机转子在高温蒸汽中高速旋转，不仅要承受汽流的作用力和由叶片、叶轮本身离心力所引起的应力，而且还承受着由温度差所引起的热应力。

此外，当转子不平衡质量过大时，将引起汽轮机的振动，转子要承受轴系振动所产生的振动应力。因此，转子的工作状况对汽轮机的安全、经济运行有着很大的影响。

2转子的分类 根据汽轮机的分类，转子分为两种：轮式转子、鼓式转子。前者用于冲动式汽轮机，后者用于反动式汽轮机，鼓式转子上的动叶直接安装在转鼓上。

按临界转速是否在运行转速围，分为刚性转子和柔性转子。在启动过程中，刚性转子启动就很方便，不存在跨临界区域，而柔性转子因需要快速的跨临界，故要求用户在实际启动过程中，要充分暖机，为快速跨临界作好准备。

1、轮式转子 轮式转子根据转子结构和制造工艺的不同，可分为：套装转子、整段转子、焊接转子以及组合转子。

1-油封环 2-轴封套 3-轴 4-动叶栅 5-叶轮 6-平衡槽 图14 套装转子示意图 （1）套装转子 套装转子的叶轮、轴封套、联轴器等部件和主轴是分别制造的，然后将它们热套在主轴上，各部件与主轴之间采用过盈配合，并用键传递力矩。主轴加工成阶梯形，中间直径大。

适用性：只适用于中、低参数的汽轮机和高参数汽轮机的中、低压部分，其工作温度一般在400℃以下。不宜用于高温高压汽轮机的高、中压转子。

①优点：加工方便，材料利用合理，质量容易得到保证。 ②缺点：轮孔处应力较大，转子刚性差，高温下套装处易松动。 （2）整锻转子 叶轮和主轴及其他主要零部件由整体毛坯加工制成，没有热套部件。主轴的中心通常钻有中心孔，其作用是：

①去掉锻件中残留的杂质及疏松部分； ②用来检查锻件的质量； ③减轻转子的重量。 其缺陷在于： ①使转子工作应力增大，制造成本增加； ②运行中易出现中心孔进油、进水、腐蚀，引起转子不明的振动； ③检修、动平衡复杂。 随着锻造、热处理及探伤技术水平的提高，无中心孔的转子结构应运而生。 ①优点：不会出现零件松动问题，结构紧凑，强度、刚度高，适合高温、高应力环境下工作；

②缺点：贵重材料消耗大，对加工工艺要求高。 适用性：中小型汽轮机的高压转子、大型汽轮机的任何转子（高参数或超高参数机组的高压转子）。 图15 整锻转子毛坯 （3）焊接转子 若干实心轮盘、端轴单独铸造，然后焊接加工。焊接转子的主要优点是：不存在松动问题；采用实心的轮盘，强度高，不需要叶轮轮壳，结构紧凑；轮盘和转子可以单独制造，材料利用合理，加工方便且易于保证质量；焊成整体后转子刚性较大等。但是焊接转子要求材料的可焊性好，焊接工艺及检验技术要求高且比较复杂，这一切在一定程度下妨碍了焊接转子的应用。

图16 整锻转子示意图 1-叶轮 2-焊缝 3-动叶栅4-平衡槽 5-联轴器的连接轮 图17 焊接转子示意图 （4）组合转子 根据各段的工作条件不同，在同一转子上，高压部分采用整锻结构，中、低压部分采用套装结构，从而兼得整锻转子和套装转子的优点。

适用性：广泛用于高参数、中等功率的汽轮机上。

图18 组合转子示意图 2、鼓式转子 反动式汽轮机采用，无叶轮，动叶片直接装在转鼓的凸环上（反动式汽轮机级数较多，动叶栅的反动度大，采用转鼓式转子可缩短轴向长度，避免轴向推力过大）

图19鼓式整锻转子 附表 不同转子结构的比较 序号 项目 套装转子 整锻转子 焊接转子 组合转子 1 结构紧凑程度 不紧凑 紧凑 紧凑 中等 2 转子零件 多 少 少 中等 3 加工周期 短 长 长 中等 4 锻件质量保证程度 容易 较难 中等 中等 5 轮孔应力 高 低 低 高 6 锻件大小 小 大 小 中等 7 转子刚度 小 大 大 中等 8 转子静挠度 大 小 小 中等 9 启动速度 慢 快 快 中等 10 叶轮松动可能 有 无 无 11 应力腐蚀程度 易 不易 不易 易 12 转子重量 较轻 较重 较轻 中等 13 不同材料合理应用 能 不能 能 能 14 制造成本 较低 较高 较低 中等 3、转子的选材 转子材料选择要素：转子工作温度、结构特点、应力状态、工作条件以及材料使用的经济性；叶轮、转子的材料应具有足够的机械强度和韧性，性能稳定，金项组织均匀、无损探伤合格、热处理和冷热工艺性良好。高温下工作的部件，不仅要考虑工作温度下的屈服极限，还要考虑工作温度下的持久强度和蠕变强度。

对于套装转子，叶轮的材料通常采用34CrMo1A和35CrMoV,载荷较大的低压叶轮可用34CrNi3Mo;套装转子的主轴，根据工作温度和应力状态分别选用45或34CrMo1A。

对于整锻转子，可根据工作温度分档选取，工作温度低于480℃，可选用34CrMo1A，工作温度低于540℃时，可选用34Cr2MoV或30Cr1Mo1V；低压整锻转子工作温度较低，要求材料在常温下有较高的机械强度和低的脆性转变温度，常采用30Cr2Ni4MoV。工作温度达到600℃时，可选用X12CrMoWVNbN10-1-1

对于焊接转子，材料要有良好的焊接性能，可选用25Cr2NiMoV。

3动叶片 在汽轮机工作过程中随汽轮机转子一起转动的叶片称工作叶片，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，接受喷管叶栅射出的高速汽流，把蒸汽的动能转换成机械能，带动转子旋转。

动叶由叶型、叶根、叶顶三部分组成。 1、叶型 （1）按照蒸汽经过叶片时的膨胀程度来分为冲动式叶片和反动式叶片； （2）按照截面积变化来分为等截面叶片和变截面叶片。等截面叶片的截面积沿叶高是不变的，变截面叶片的截面积沿叶高按照一定的规律减小，即叶片绕各截面形心连续发生扭转，通常又称为扭曲叶片。 叶身是动叶片的主要部分，它构成汽流通道。它的横截面形状称作叶型，叶型的周线称为型线。

图20 动叶片的组成 a 冲动式叶片 b 反动式叶片 图21 冲动式叶片、反动式叶片示意图 2、叶根 将动叶片固定在叶轮或转鼓上的连接部分，使其在经受汽流的推力和旋转离心力作用下，不致于从轮缘沟槽里拔出来。它的结构应保证在任何运行条件下都能牢固地固定 常用的叶根结构型式有：T型、叉型和枞树型。 （1）T型叶根结构简单、加工方便、工作可靠为短叶片普遍采用。它的缺点是叶片的离心力对轮缘两侧截面产生弯矩，使轮缘有开的趋势。故将叶根和轮缘上做成凸肩形。

T型和菌型叶根属于周向装配式叶根。这类叶根的轮缘槽上开有一个或两个缺口，叶片就从这些缺口一片片依次装入轮缘槽中。最后装在缺口处的叶片叫做封口叶片，研配装入后用两个铆钉固定在轮缘上。

周向装配式叶根的缺点是当个别叶片损坏时，不能单独拆换，而必须将部分或全部叶片拆下重装。

（a）等截面直叶片 （b）变截面扭曲叶片 1-叶顶 2-叶型 3-叶根 图22 等截面直叶片、变截面扭曲叶片示意图 （2）叉型叶根的叉尾直接插入轮缘槽，并用两排铆钉固定叉尾，叉尾数可根据叶片离心力大小选择。叉型叶根强度高、适应性好。检修时可以单独拆换个别叶片，所以被大功率汽轮机末几级广泛采用。但装配时比较费工，且轮缘较厚，钻铆钉孔不便由于整锻转子和焊接转子的工作空间小，给钻铆钉孔带来了困难，所以这两种转子一般不用叉型叶根。

（3）枞树型叶根沿轴向直接装入轮缘相应的枞树槽中。这种叶根承载能力强，叶根齿数可根据离心力大小决定，同时拆装容易，故被大功率的调节级和末几级采用。但由于其加工面多，精度要求高，所以受到限制。 a-T型叶根 b-外包T型叶根 c-双T型叶根 d-转入T型叶根的切口 图23 T型叶根

图24 叉形叶根 图25 枞树型叶根 3、叶顶 汽轮机的短叶片和中长叶片通常在叶顶用围带连在一起，构成叶片组。长叶片在叶型部分用拉金连接成组，或者围带和拉金都不用，成为自由叶片。

（1）高、中压转子使用的短叶片，由围带连成叶片组，围带的作用： ①减小叶片工作的弯应力； ②增加叶片刚性，调整叶片的自振频率，避开共振； ③使叶片顶部封闭，避免蒸汽从汽道顶部泄漏，减少叶顶漏汽，降低漏汽损失。

（2）低压转子使用的长叶片，由拉金连成叶片组，拉金的作用：增加叶片刚性；调整叶片的自振频率，避开共振，改善振动性能；但增加了蒸汽流动阻力，且会削弱叶片强度，所以在满足叶片振动和刚度要求下，尽量避免采用拉金。

拉金一般是以6～12mm的金属丝或金属管，穿在叶身的拉金孔中。拉金与叶片之间可以是焊接的（焊接拉金），也可以是不焊接的（松拉金）。在一级叶片中，一般有1~2圈拉金，最多不超过3圈拉金。

拉金处在汽流通道中间，将影响级汽流流动，同时，拉金孔削弱了叶片的强度，所以在满足振动和强度要求的情况下，有的长叶片可设计成自由叶片。

有的低压叶片，不用拉金，呈自由叶片。一般，自由叶片和仅用拉金固定成组的叶片都将顶部削薄，可起到汽封齿的作用；且一旦发生动、静部分摩擦，可减轻事故程度，保护汽轮机。