汽轮机及其振动

汽轮机及其振动

介绍

汽轮机是热机，是将热能转化为机械能的机械。汽轮机可以是功率小、设计/结构简单的小型汽轮机，也可以是功率大、设计复杂、多级、多轴的大型汽轮机。汽轮机及其产品系列品类繁多，不同的制造商分类不同，不一而足。但汽轮机的基础是相同的，功能相同、主要部件及其支撑系统类似，而其失效机理也是大同小异的。本文仅按最主要的应用和常见的故障进行分类和讨论。无疑地，汽轮机可靠运行是很关键的，对其进行有效的状态监测是必须的、也是行业的共识，包括监测其运行状态、水/蒸汽品质、蒸汽透平的健康等等。

•凝汽式透平–排汽在高度真空状态下进入冷凝器凝结成水，主要用于发电厂。单缸汽轮机的蒸汽从进汽到排汽都在一个缸内，而对于多缸汽轮机组，高压蒸汽要经过高压缸到一个或者多个逐级降低压力的汽缸，充分膨胀后排汽。

•背压式透平–排汽为正压，高于大气压。主要用于油气类工艺装置中。

其排出的蒸汽压力取决于工艺设计和生产要求，需送往下一流程再使用，此时透平类似于一个减压阀。

•再热凝汽式透平–排汽为真空凝汽式，但中间级部分蒸汽会抽出来，返回锅炉再加热到初始压力，送回下一级或中压透平。

•抽汽式透平–排汽可以是真空凝汽式或者正压式。主要用于油气类工艺装置中。中间多处抽出部分蒸汽可用于工艺蒸汽，或者为了中间多处补汽，以得到更高的功率。

本文仅按蒸汽的供汽压力分为高压、中压和低压透平。所有的蒸汽透平都有如下主要部件：

•缸体

•转子

•轴承

•密封

•联轴器

•盘车装置（小机器可能不需要）

高压透平

高压透平的结构、部件：

凝汽式或背压式高压缸实图：

高压透平可能和中压透平合缸（HP/IP）：

两排汽低压汽轮机:

两排汽低压透平转子和缸体实图：

透平缸体的布置

缸体的布置很多种

•单缸：是单个透平缸体的基本布置

•单轴多缸串联式：多个缸体在一根轴线上，也包括两根轴中间有齿轮变速

•多缸多轴式：多缸分布分布在多个平行轴线上，一般是两根轴单轴多缸串联式蒸汽透平：

这种机组可以有多处抽汽，LP缸有真空凝汽器。根据不同的工艺要求，振动特性各异：主蒸汽温度和再热温度不匹配（如温度梯度不同），需要监测温度的过快升温或异常改变；抽汽点和凝汽器的真空；

典型的壳体变形或冷凝水堵塞对转子的振动影响等等。

多缸多轴式

下图是高压缸驱动一台发电机，IP和LP驱动另一台发电机。

大型电厂可能有不同的要求，上图仅是一种布置，每种布置都有其合理性和多种理由，可以是空间限制，喜欢短轴系，不同的转速要求，性能/效率要求等。

透平转子设计

•整锻转子，包括了安装叶片的轮毂，仅叶片是后加上去的部件，转子中心可能是空心的。

•套装转子：转子、轴封套和轮毂分别独立锻造，用过盈配合（红套）及键配合安装。

•轮毂焊接转子：轮毂焊接到一起，组成一根中空转子

整锻转子的优点：

•转子与轮毂一体，中间可以是空芯的或者实芯的。

•现在的锻造往往要求是实芯的。

•没有套装的红套配合，所以没有相应的应力集中顾虑。

缺点

•整锻制造成本高

•大、重

•中间级密封直接与转子接触，摩擦会导致轴热弯

整锻转子的中心通常打有ф100mm的中心孔，其目的主要是便于检查锻件质量，同时也可以将锻件中心材质差的部分去掉，防止缺陷扩展，以保证转子强度。

套装转子的优点

•锻造转子时不考虑轮毂和轴封套，分别制造的成本较低

•轮毂和轴封套可以分别拆下维修

•级间密封不与转子直接接触，摩擦损坏的密封套容易维修和更换，摩擦导致的热弯不容易传递到转子上

缺点

•红套和键连接可能导致应力集中和疲劳、裂纹等

•红套的轮盘可能在超速时松开，或者高应力下产生裂纹。

•转子检查时轮毂、轴套需要移出，麻烦。

焊接转子的优点

•制造容易，无需锻造

•转子中空，轻

缺点

•焊接技术要求高，要检查焊缝

•中空转子容易带液

叶片

Curtis级归类于冲动级，利用蒸汽的速度冲击去推动转子的运行，并转化为机械能。

反动级应用在较末级，利用静叶喷嘴的压降来做功。

冲动级叶片含压力级和速度级（Curtis），它类似于水轮机，高速蒸汽导入叶片，蒸汽的动能转化为叶片的运动，蒸汽的速度在动叶中没有损失，主要损失为蒸汽流经静叶喷嘴的压降，动叶中没有压力损失。

以上图是冲动转子的基本构造。

反动级叶片

蒸汽同样要在隔板的喷嘴上膨胀，然后流到叶片，不同的是蒸汽在反动式动叶里也膨胀，压力继续下降。

反动级转子

转子是转鼓式设计，一般只有很小的轮盘，是转子的一部分。

上图为拉金示意图

叶轮（轮盘）一般是红装在转子上，制造成本低，高温、高速应用可用一体化的整体锻造，将叶轮锻造为转子的一部分。

叶根的结构型式有枞树型、T型、半圆枞树型，或者用多个楔子将叶片固定在轮盘上，固定方式没有好坏之分。叶片因而有多种揳入方式，轴向、径向，或者切向插入。

上图是倒枞树形

径向和切向插入，切向插入叶片是很多透平的常用方式。切向进入叶片是从如上右图的凹槽插进去，再沿周向滑到叶轮的设计位置。径向直接插入方式多用在大中型汽机的低压缸的末级，轻轻地就能插进去，再用铆钉铆紧，因为离心力大，这种方式可以承受较大的应力。

轴向插入是最牢靠的方式，一般用在第一级和最末级的叶片固定上。这种方式很少发生疲劳失效。

蒸汽进气–控制系统和阀门

电子调速器从转速探头那里接收到一个当前转速信号，控制器将这个信号和转速的设定值比较，差值电压信号送到电-液压转换器中，转换成一个液压油信号送到液压油分配器，控制液压油升降杠杆，操作阀门的位置来改变进汽量，从而升速或者降速。

蒸汽透平的喷嘴/隔板

喷嘴就在隔板上，是一回事，为静止部件，将蒸汽导入动叶。一般由两半组成，固定在壳体上。两半隔板用定位键或者水平销保持在正确的位置。分段金属密封环安装在内径作为隔板密封。