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汽轮机基础知识

汽轮机基础知识

一、基本概念

1．什么叫工质？

工质是热机中热能转变为机械能的一种媒介物质〔如燃气、蒸汽等〕，依靠它在热机中的状态变化〔如膨胀〕才能获得功。

为了在工质膨胀中获得较多的功，工质应具有良好的膨胀性。

在热机的不断工作中，为了方便工质流入与排出，还要求工质具有良好的流动性。

因此，在物质的固、液、气三态中，气态物质是较为理想的工质。

2．何谓工质的状态参数？

常用的状态参数有几个？

基本状态参数有几个？

描述工质状态特性的物理量称为状态参数。

常用的工质状态参数有温度、压力、比容、焓、熵、内能等，基本状态参数有温度、压力、比容。

3．什么叫热机？

把热能转变为机械能的设备称为热机。

如汽轮机、内燃机、燃轮气机等。

4．什么叫绝对压力、表压力？

容器内工质本身的实际压力称为绝对压力，用符号p表示。

工质的绝对压力与大气压力的差值为表压力，用符号pg表示。

因此，表压力就是我们用表计测量所得的压力，大气压力用符号patm表示。

绝对压力与表压力之间的关系为：

pa＝pg＋patm或pg＝pa－patm

6．什么叫真空和真空度？

当容器中的压力低于大气压力时，把低于大气压力的部分叫真空。

用符号“pv”表示。

其关系式为：

pv＝patm－pa（1—3）

用百分数表示真空值的大小，称为真空度。

真空度是真空值和大气压力比值的百分数，即：

真空度＝pv/patm×100%

7．什么叫湿饱和蒸汽、干饱和蒸汽、过热蒸汽？

在水到达饱和温度后，如定压加热，则饱和水开始汽化，在水没有完全汽化之前，含有饱和水的蒸汽叫湿饱和蒸汽，简称湿蒸汽。

湿饱和蒸汽继续在定压条件下加热，水完全汽化成蒸汽时的状态叫干饱和蒸汽。

干饱和蒸汽继续定压加热，蒸汽温度上升而超过饱和蒸汽温度时，就变成过热蒸汽。

8．什么叫节流？

什么叫绝热节流？

工质在管内流动时，由于通道截面突然缩小，使工质流速突然增加，压力降低的现象称为节流。

节流过程中如果工质与外界没有热交换，则称之为绝热节流。

9．何谓水锤？

在压力管路中，由于液体流速的急剧变化，从而造成管中的液体压力显著、反复、迅速地变化，对管道中有一种“锤击”的特征，这种现象称为水锤〔或叫水击〕。

二、汽轮机的分类

1．汽轮机如何分类？

汽轮机按热力过程可分为：

1凝汽式汽轮机〔代号为N〕。

2一次调整抽汽式汽轮机〔代号为C〕。

3二次调整抽汽式汽轮机〔代号为C、C〕。

4背压式汽轮机〔代号为B〕。

按工作原理可分为：

1冲动式汽轮机。

2反动式汽轮机。

3冲动反动联合式汽轮机。

按新蒸汽压力可分为：

1低压汽轮机新汽压力为1.18～1.47MPa。

2中压汽轮机新汽压力为1.96～3.92MPa。

〔3〕高压汽轮机新汽压力为5.88～9.81MPa。

⑷超高压汽轮机新汽压力为11.77～13.75MPa。

4亚临界压力汽轮机新汽压力为15.69～17.65MPa。

5超临界压力汽轮机新汽压力为22.16MPa。

按蒸汽流动方向可分为：

1轴流式汽轮机。

⑵辐流式汽轮机。

3．汽轮机的型号如何表示？

汽轮机型号表示汽轮机基本特性，我国目前采用汉语拼音和数字来表示汽轮机型号，其型号由三段组成：

×　××-×××／×××／×××-×

〔第一段〕〔第二段〕〔第三段〕

第一段表示型式及额定功率〔MW〕，第二段表示蒸汽参数，第三段表示设计变型序号。

例N100-8.82／535型表示凝汽式100MW汽轮机，新汽压力为8.82MPa，新汽温度为535℃。

6．什么是凝汽式汽轮机？

凝汽式汽轮机是指进入汽轮机的蒸汽在做功后全部排入凝汽器，凝结成水全部返回锅炉。

7．什么是调整抽汽式汽轮机？

从汽轮机某一级中经调压器控制抽出大量已经做了部分功的一定压力范围的蒸汽，供给其它工厂及热用户使用，机组仍设有凝汽器，这种型式的机组称为调整抽汽式汽轮机。

8.什么是中间再热式汽轮机？

中间再热式汽轮机就是蒸汽在汽轮机内做了一部分功后，从中间引出，通过锅炉的再热器提高温度〔一般升高到机组额定温度〕，然后再回到汽轮机继续做功，最后排入凝汽器的汽轮机。

三、汽轮机的结构及工作原理

1．汽轮机工作的基本原理是怎样的？

具有一定压力、温度的蒸汽，进入汽轮机，流过喷嘴并在喷嘴内膨胀获得很高的速度。

高速流动的蒸汽流经汽轮机转子上的动叶片做功，当动叶片为反动式时，蒸汽在动叶中发生膨胀产生的反动力亦使动叶片做功，动叶带动汽轮机转子，按一定的速度均匀转动。

这就是汽轮机最基本的工作原理。

从能量转换的角度讲，蒸汽的热能在喷嘴内转换为汽流动能，动叶片又将动能转换为机械能，反动式叶片，蒸汽在动叶膨胀部分，直接由热能转换成机械能。

2．汽轮机喷嘴、隔板、静叶的定义是什么？

喷嘴是由两个相邻静叶片构成的不动汽道，是一个把蒸汽的热能转变为动能的结构元件。

装在汽轮机第一级前的喷嘴成假设干组，每组由一个调节汽门控制。

隔板是汽轮机各级的间壁，用以固定静叶片。

静叶是指固定在隔板上静止不动的叶片。

3．隔板的结构有哪几种形式？

隔板的具体结构是根据隔板的工作温度和作用在两侧的蒸汽压差来决定的，主要有以下三种形式：

⑴焊接隔板：

焊接隔板具有较高的强度和刚度，较好的汽密性，加工较方便，被广泛用于中、高参数汽轮机的高、中压部分。

⑵窄喷嘴焊接隔板：

高参数大功率汽轮机的高压部分，每一级的蒸汽压差较大，其隔板做得很厚，而静叶高度很短，采用宽度较小的窄喷嘴焊接隔板。

优点是喷嘴损失小，但有相当数量的导流筋存在，将增加汽流的阻力。

国产125MW、300MW汽轮机都是有用的窄喷嘴焊接隔板。

⑶铸造隔板：

铸造隔板加工制造比较容易，成本低，但是静叶片的外表光洁度较差，使用温度也不能太高，一般应小于300℃，因此都用在汽轮机的低压部分。

4.汽缸的作用是什么？

汽缸是汽轮机的外壳。

汽缸的作用主要是将汽轮机的通流部分〔喷嘴、隔板、转子等〕与大气隔开，保证蒸汽在汽轮机内完成做功过程。

此外，它还支承汽轮机的某些静止部件〔隔板、喷嘴室、汽封套等〕，承受它们的重量，还要承受由于沿汽缸轴向、径向温度分布不均而产生的热应力。

5．排汽缸的作用是什么？

排汽缸的作用是将汽轮机末级动叶排出的蒸汽导入凝汽器。

6．什么叫汽轮机的级？

由一列喷嘴和一列动叶栅组成的汽轮机最基本的工作单元叫做汽轮机的级。

7.隔板套的作用是用来安装固定隔板。

采用隔板套可使级间距离不受或少受汽缸上抽汽口的影响，从而使汽轮机轴向尺寸相对减小。

此外，还可简化汽缸形状，又便于拆装，并允许隔板受热后能在径向自由膨胀，还为汽缸的通用化创造方便条件。

8．什么是汽轮机的转子？

转子的作用是什么？

汽轮机中所有转动部件的组合叫做转子。

转子的作用是承受蒸汽对所有工作叶片的回转力，并带动发电机转子、主油泵和调速器转动

9．叶轮的作用的什么？

叶轮的作用是用来装置叶片，并将汽流力在叶栅上产生的扭矩传递给主轴。

10．叶轮上开平衡孔的作用是什么？

叶轮上开平衡孔是为了减小叶轮两侧蒸汽压差，减小转子产生过大的轴向力。

但在调节级和反动度较大、负载很重的低压部分最末一、二级，一般不开平衡孔，以使叶轮强度不致削弱，并可减少漏汽损失。

11．为什么叶轮上的平衡孔为单数？

每个叶轮上开设单数个平衡孔，可防止在同一径向截面上设两个平衡孔，从而使叶轮截面强度不致过分削弱。

通常开孔5个或7个。

12．汽封的作用是什么？

为了防止动、静部件之间的碰撞，必须留有适当的间隙，这些间隙的存在势必导致漏汽，为此必须加装密封装置——汽封。

根据汽封在汽轮机中所处位置可分为：

轴端汽封〔简称轴封〕、隔板汽封和围带汽封〔通流部分汽封〕三类。

13．汽轮机为什么要设滑销系统？

汽轮机在起动及带负荷过程中，汽缸的温度变化很大，因而热膨胀值较大。

为保证汽缸受热时能沿给定的方向自由膨胀，保持汽缸与转子中心一致，同样，汽轮机停机时，保证汽缸能按给定的方向自由收缩，汽轮机均设有滑销系统。

14．汽轮机联轴器起什么作用？

有哪些种类？

各有何优缺点？

联轴器又叫靠背轮。

汽轮机联轴器是用来连接汽轮发电机组的各个转子，并把汽轮机的功率传给发电机。

汽轮机联轴器可分为刚性联轴器、半挠性联轴器和挠性联轴器。

以下介绍这几种联轴器的优缺点。

刚性联轴器：

优点是构造简单、尺寸小、造价低、不需要润滑油。

缺点是转子的振动、热膨胀都能相互传递，校中心要求高。

半挠性联轴器：

优点是能适当弥补刚性靠背轮的缺点，校中心要求稍低。

缺点是制造复杂、造价较大。

挠性联轴器：

优点是转子振动和热膨胀不互相传递，允许两个转子中心线稍有偏差。

缺点是要多装一道推力轴承，并且一定要有润滑油，直径大，成本高，检修工艺要求高。

大机组一般高低压转子之间采用刚性联轴器，低压转子与压缩机转子之间采用半挠性联轴器。

15．主轴承的作用是什么？

轴承是汽轮机的一个重要组成部件，主轴承也叫径向轴承。

它的作用是承受转子的全部重量以及由于转子质量不平衡引起的离心力，确定转子在汽缸中的正确径向位置。

由于每个轴承都要承受较高的载荷，而且轴颈转速很高，所以汽轮机的轴承都采用液体摩擦为理论基础的轴瓦式滑动轴承，借助于有一定压力的润滑油在轴颈与轴瓦之间形成油膜，建立液体摩擦，使汽轮机安全稳定地运行。

16．轴承的润滑油膜是怎样形成的？

轴瓦的孔径较轴颈稍大些，静止时，轴颈位于轴瓦下部直接与轴瓦内外表接触，在轴瓦与轴颈之间形成了楔形间隙。

当转子开始转动时，轴颈与轴瓦之间会出现直接摩擦。

但是，随着轴颈的转动，润滑油由于粘性而附着在轴的外表上，被带入轴颈与轴瓦之间的楔形间隙中。

随着转速的升高，被带入的油量增多，由于楔形间隙中油流的出口面积不断减小，所以油压不断升高，当这个压力增大到足以平衡转子对轴瓦的全部作用力时，轴颈被油膜托起，悬浮在油膜上转动，从而防止了金属直接摩擦，建立了液体摩擦。

17．什么是可倾瓦支持轴承？

可倾瓦支持轴承通常由3～5个或更多个能在支点上自由倾斜的弧形瓦块组成，所以又叫活支多瓦形支持轴承，也叫摆动轴瓦式轴承。

由于其瓦块能随着转速、载荷及轴承温度的不同而自由摆动，在轴颈周围形成多油楔。

且各个油膜压力总是指向中心，具有较高的稳定性。

另外，可倾瓦支持轴承还具有支承柔性大、吸收振动能量好、承载能力大、耗功小和适应正反方向转动等特点。

但可倾瓦结构复杂、安装、检修较为困难，成本较高。

18．推力轴承的作用是什么？

推力轴承的作用是承受转子在运行中的轴向推力，确定和保持汽轮机转子和汽缸之间的轴向相互位置。

19．推力轴承有哪些种类？

主要构造是怎样的？

推力轴承可以设置为单独式，也可以和支持轴承合并为一体，称为联合式〔推力支持联合轴承〕。

按结构形状分多颚式和扇形瓦片式，现在普遍采用的为扇形瓦片式。

主要构造由工作瓦片、非工作瓦片、调整垫片、安装环等组成。

推力盘的两侧分别安装十至十二片工作瓦片和非工作瓦片。

各瓦片都安装在安装环上，工作瓦片承受转子正向轴向推力，非工作瓦片承受转子的反向轴向推力。

四、汽轮机的调节与保护

1．汽轮机油系统的作用是什么？

汽轮机油系统的作用如下：

1向机组各轴承供油，以便润滑和冷却轴承。

2供给调节系统和保护装置稳定充足的压力油，使它们正常工作。

3供给各传动机构润滑用油。

根据汽轮机油系统的作用，一般将油系统分为润滑油系统和调节〔保护〕油系统两个部分。

2．汽轮机的润滑油压是根据什么来确定

汽轮机润滑油压根据转子的重量、转速、轴瓦的构造及润滑油的粘度等，在设计时计算出来，以保证轴颈与轴瓦之间能形成良好的油膜，并有足够的油量来冷却，因此汽轮机润滑油压一般取0.12～0.15MPa。

润滑油压过高可能造成油挡漏油，轴承振动。

油压过低使油膜建立不良，甚至发生断油损坏轴瓦。

3．汽轮机油箱为什么要装排油烟风机？

油箱装设排油烟风机的作用是排除油箱中的气体和水蒸气。

这样一方面使水蒸气不在油箱中凝结；另一方面使油箱中压力不高于大气压力，使轴承回油顺利地流入油箱。

反之，如果油箱密闭，那么大量气体和水蒸气积在油箱中产生正压，会影响轴承的回油，同时易使油箱油中积水。

排油烟风机还有排除有害气体使油质不易劣化的作用。

6.油箱底部为什么要安装放水管？

汽轮机运行中，由于轴封漏汽大、水冷发电机转子进水法兰漏水过多等原因，使汽轮机油中带水。

这些带有水分的油回到油箱后，因为水的比重大，水与油别离后沉积在油箱底部。

及时排除这些水可防止已经别离出来的水再与油混合使油质劣化。

所以油箱底部都装有放水管。

7．汽轮机调节系统的任务是什么？

汽轮机调节系统的基本任务是：

在外界负荷变化时，及时地调节汽轮机的功率以满足用户用电量变化的需要，同时保证汽轮机发电机组的工作转速在正常允许范围之内。

8．汽轮机调节系统一般由哪几个机构组成？

汽轮机的调节系统根据其动作过程，一般由转速感受机构、传动放大机构、执行机构、反馈装置等组成。

9．汽轮机为什么必须有保护装置？

为了保证汽轮机设备的安全，防止设备损坏事故的发生，除了要求调节系统动作可靠以外，还应该具有必要的保护装置，以便汽轮机遇到调节系统失灵或其他事故时，能及时动作，迅速停机，防止造成设备损坏等事故。

保护装置本身应特别可靠，并且汽轮机容量越大，造成事故的危害越严重，因此对保护装置的可靠性要求就越高。

10．自动主汽门的作用是什么？

自动主汽门的作用是在汽轮机保护装置动作后，迅速切断汽轮机的进汽并使汽轮机停止运行。

因此，它是保护装置的执行元件。

11．对自动主汽门有什么要求？

为了保证安全，要求自动主汽门动作迅速，并关闭严密，对于高压汽轮机来说，在正常进汽参数和排汽压力的情况下，自动主汽门关闭后〔调节汽门全开〕，汽轮机转速应能够降低到1000r／min以下。

自汽轮机保护系统动作到主汽门完全关闭的时间，通常要求不大于0.5～0.8s。

12．汽轮机轴向位移保护装置起什么作用？

汽轮机转子与静子之间的轴向间隙很小，当转子的轴向推力过大，致使推力轴承乌金熔化时，转子将产生不允许的轴向位移，造成动静部分摩擦，导致设备严重损坏事故，因此汽轮机都装有轴向位移保护装置。

其作用是：

当轴向位移到达一定数值时，发出报警信号；当轴向位移到达危险值时，保护装置动作，切断汽轮机进汽，停机。

13．低油压保护装置的作用是什么？

润滑油油压过低，将导致润滑油膜破坏，不但要损坏轴瓦，而且造成动静之间摩擦等恶性事故，因此，在汽轮机的油系统中都装有润滑油低油压保护装置。

低油压保护装置一般具有以下作用：

1润滑油压低于正常要求数值时，首先发出信号，提醒运行人员注意并及时采取措施。

⑵油压继续下降到某数值时，自动投入备用油泵〔备用交流润滑油泵和直流油泵〕，以提高油压。

〔3〕备用油泵投入后，仍继续跌到某一数值应掉闸停机。

14．低真空保护装置的作用是什么？

汽轮机运行中真空降低，不仅会影响汽轮机的出力和降低热经济性，而且真空降低过多还会因排汽温度过高和轴向推力增加影响汽轮机安全。

因此大功率的汽轮机均装有低真空保护装置。

当真空降低到一定数值时，发出报警信号，真空降至规定的极限时，能自动停机。

以保护汽轮机免受损坏。

五、汽轮机主要辅助设备

1．凝汽器由哪些设备组成？

汽轮机凝汽设备主要由凝汽器、循环水泵、抽气器、凝结水泵等组成。

2．凝汽设备的作用是什么？

凝汽设备的作用是：

1凝汽器用来冷却汽轮机排汽，使之凝结为水，再由凝结水泵送到除氧器，经给水泵送到锅炉。

凝结水在发电厂是非常珍贵的，尤其对高温、高压设备。

因此在汽轮机运行中，监视和保证凝结水是非常重要的。

⑵在汽轮机排汽口造成高度真空，使蒸汽中所含的热量尽可能被用来发电，因此，凝汽器工作的好坏，对发电厂经济性影响极大。

〔3〕在正常运行中凝汽器有除气作用，能除去凝结水中的含氧，从而提高给水质量防止设备腐蚀。

3．凝汽器的工作原理是怎样的？

凝汽器中真空的形成主要原因是由于汽轮机的排汽被冷却成凝结水，其比容急剧缩小。

如蒸汽在绝对压力4kPa时蒸汽的体积比水的体积大3万多倍。

当排汽凝结成水后，体积就大为缩小，使凝汽器内形成高度真空。

凝汽器的真空形成和维持必须具备三个条件：

1凝汽器铜管必须通过一定的冷却水量。

2凝结水泵必须不断地把凝结水抽走，防止水位升高，影响蒸汽的凝结。

〔3〕抽气器必须把漏入的空气和排汽不凝结的气体抽走。

4．什么是混合式凝汽器？

什么是外表式凝汽器？

汽轮机的排汽与冷却水直接混合换热的叫混合式凝汽器。

这种凝汽器的缺点是凝结水不能回收，一般应用于地热电站。

汽轮机排汽与冷却水通过铜管外表进行间接换热的凝汽器叫做外表式凝汽器。

现在一般电厂都是用外表式凝汽器。

5．凝汽器为什么要有热井？

热井的作用是集聚凝结水，有利于凝结水泵的正常运行。

热井贮存一定数量的水，保证甩负荷时不使凝结水泵马上断水。

热井的容积一般要求相当于满负荷时约0.5～10min内所聚集的凝结水流量。

6．射汽式抽气器的工作有原理是怎样的？

射汽式抽气器由工作喷嘴、混合室和扩压管三部分组成。

工作蒸汽经过喷嘴时热降很大，流速增高，喷嘴出口的高速蒸汽流，使混合室的压力低于凝汽器的压力，因此凝汽器里的空气就被吸进混合室里。

吸入的空气和蒸汽混合在一起进入扩压管，在扩压管中流速逐渐降低，而压力逐渐升高。

对于一个二级的主抽气器，蒸汽经过一级冷却室冷凝成水，空气再由第二级射汽抽气器抽出。

其工作过程与第一级完全一样，只是在第二级射汽抽气器的扩压管里，蒸汽和空气的混合气体压力升高到比大气压力略高一点，经过冷却器把蒸汽凝结成水，空气排到大气里。

7．射汽式抽气器主要有什么优缺点？

射汽式抽气器的优点是效率比较高，可以回收蒸汽的热量。

缺点是制造较复杂、造价大，喷嘴容易堵塞。

抽气器用的蒸汽，使用主蒸汽节流减压时损失比较大。

随着汽轮机蒸汽参数的提高，使得依靠新蒸汽节流来获得汽源的射汽式抽气器的系统显得复杂且不合理；大功率单元机组多采用滑参数起动，在机组起动之前亦不可能有足够汽源供给射汽式抽气器，所以射汽式抽气器现在在大机组上应用较少。