工业汽轮机的转子详细介绍

01 转子结构

汽轮机中所有转动部件的组合体称为转子，是汽轮机中最重要的部件之一，由转轴、叶轮或转鼓、工作动叶片、平衡活塞、危急保安器、盘车器和联轴器等部件所组成。它的作用是将蒸汽的动能转变为机械能，传递作用在工作动叶片上的蒸汽圆周分力所产生的扭矩，向外输出机械功，用以驱动压缩机、泵或发电机。按其结构型式转子可分为轮式转子和鼓式转子；按制造工艺可分为套装式、整锻式和焊接式。

02 叶轮

叶轮的功用是用于安装工作动叶片，并将动叶片所受到的气流作用力所产生的旋转力矩传递给主轴做功，以驱动泵、压缩机以及发电机。

叶轮处于高温工质内，并以高速旋转，受多种复杂、交变的作用力，这些力通常是很大的。叶轮工作时承受的力如下。

a.叶轮本身重量引起的离心力。

b.叶片、围带和拉金引起的离心力，这部分离心力一般称为叶轮外部径向载荷。

c.套装转子由于叶轮套在轴上的过盈产生的接触应力。

以上这三种载荷所引起的应力与叶轮的旋转速度有关，称为转动应力。

d.在较高温度区域内的叶轮，以及在汽轮机启动过程中，叶轮受到温度沿半径方向分布不均匀而引起的温度应力。

e.在带反动度的级中，由叶轮前后蒸汽压差造成的轴向力。

此外，由于叶轮轴向振动也会引起振动应力，所以叶轮是汽轮机中承受应力最大的零件之一。

汽轮机叶轮由轮缘、轮縠和轮体三部分所组成。轮缘即叶轮的外缘，是用来安装动叶片的部分，一般是等厚度的，其中开有周向的叶根槽或轴向的叶根槽，视叶片的装配方式而定。叶根槽缺口的形状由叶根结构型式而定。轮缘是叶轮与转轴的连接部分，套装式转子靠轮载将叶轮套装在转轴上，整锻转子的轮缘与转轴锻造在一起。轮缘的形状都是等厚度的，套装叶轮轮载内孔的应力很大，选用较厚的厚度以减少内孔处的应力。轮体是把轮缘和轮载连成一体的中间部分，轮面的型线取决于负荷的大小和加工要求，一般有四种。

a.等厚度叶轮

如图1（a）所示，这种叶轮截面为等厚度，其结构简单，制造方便，但叶轮强度较差，一般适用于小直径、短叶片叶轮，一般圆周速度u<120~130m/s。汽轮机高压部分整锻转子经常采用等厚度叶轮。

b.锥形叶轮

如图1（b）所示，这种叶轮截面为锥形，强度高，应力分布均匀，加工方便，是应用最为广泛的一种型式，一般圆周速度达u=300m/s。

c.双曲线型叶轮

如图1（c）所示，这种叶轮截面形状近似为双曲线，结构重量较轻，刚性稍差，制造加工复杂。

d.等强度叶轮

如图1（d）所示，这种叶轮的截面变化使其应力分布均匀，因而强度最佳，但因中心不能开孔，故只能与轴整体锻造，加工困难，一般只用于高速的单级汽轮机。

图1 叶轮

除第四种叶轮外，前三种叶轮上均钻有平衡孔。一般都在叶轮中部沿圆周均布，孔数为奇数（5个或7个），其目的是为了减少叶轮前后压力差所造成的轴向推力，而且可以避免或减少叶轮发生有节奏的振动。平衡孔边缘倒成大圆角，以减少应力集中。

转子两端的两个叶轮的外侧平面上设有放置平衡块的燕尾槽，便于动平衡时调整平衡块的位置。

03 工作动叶片

汽轮机工作动叶片是重要的零部件之一，气流流经动叶片后将动能转变为叶片和转子的机械功，它的技术状况对汽轮机的安全、经济运行有直接的影响。动叶片的数量很多，加工量大（占1/3），在运行中发生的事故较多，常达主机事故的30%~40%，往往由于某一个或几个叶片发生断裂而造成严重的事故。因此，要求动叶片应具有良好的空气动力特性，要满足强度上的要求，要有完善的转动特性，结构要合理并具有良好的工艺性能，对叶片的加工和装置都有严格的要求。

工作动叶片由叶根、工作部分（型线）和叶顶三个部分所组成。

a. 叶根

用来将叶片固定在叶轮或转鼓上，叶根的结构型式很多，取决于强度、制造和安装的工艺要求、转子的结构型式以及制造厂的生产传统。对叶根的要求是将叶片牢固地固定在轮缘中，在任何运行条件下保证叶片在转子中的位置不变。此外，在满足强度的条件下，应做到结构简单，制造维修方便，并使轮缘的轴向尺寸最小。常用的叶根有T形、叉形、Ⅰ形、双T形和纵树形。

b. 叶型（也叫叶片工作部分或型线部分）

叶片叶型部分是叶片中最主要的部分，气流流经叶片叶型部分时，蒸汽的动能转换为机械功。叶型的型线对空气动力性能和流动损失有直接的影响，按照叶型沿叶片高度的变化情况，叶片可分为等截面叶片和变截面叶片。

c.叶顶

叶顶部分是指叶片顶端的围带和拉金，汽轮机高压段的动叶片一般都设有围带，低压段多设有拉金。围带在叶片顶部形成一个盖板，可以防止叶片顶部的漏汽，提高级效率，并减少汽流力所引起的弯曲应力，同时也可以改变叶片的刚性以达到改变叶片频率的目的，即所谓调频。

04 平衡活塞

在冲动式汽轮中，因为蒸汽在工作动叶片中没有（或很少有）膨胀，叶片前后没有压力差（或很小），在理论上不会产生轴向推力（或有很小），故一般不设置平衡活塞而采用在叶轮上开钻平衡孔的方法来平衡。有时由于蒸汽流量的变化而产生偶然的轴向推力，则由止推轴承来承受。但是，在反动式汽轮机中由于蒸汽在工作动叶片中膨胀做功，工作动叶片前后存在压力差，这样转子上就始终有着从高压端推向低压端的轴向推力，平衡活塞就是为了基本上抵消这种推力而设置的装置。平衡活塞正面承受高压蒸汽的推力，背面承受某级引出的蒸汽压力的作用，其作用与离心式压缩机平衡盘相同。

05 联轴器

联轴器又叫靠背轮，用来联结汽轮机各个转子以及驱动工作机械（泵、风机、压缩机和发电机）的转子，并将汽轮机的扭矩传送给工作机械。在多缸汽轮机中，如果几个转子合用一个推力轴承，则联轴器还将传递轴向力；如果每个转子都有自己的推力轴承，则联轴器应保证各转子的轴向位移互不干扰，即不允许传递轴向推力。

现代工业汽轮机的联轴器通常有三种型式：刚性联轴器、半挠性联轴器、挠性联轴器。