蒸汽轮机的双层缸体结构及优化方案

（一）汽缸

1.概述

汽缸是蒸汽轮机的静止部分，它的作用是将蒸汽与大气隔绝，形成蒸汽完成能量转换的封闭空间。此外，它还要支承蒸汽轮机的其他静止部件，如隔板、隔板套、喷嘴汽室等。按蒸汽在蒸汽轮机内流动的特点，汽缸的高中压部分承受蒸汽的内压力，低压部分有一部分缸体承受外部的大气压。由于汽缸的重量大，结构复杂，在运行过程中，由于蒸汽的温度和比体积变化较大，汽缸各部分承受的应力沿汽缸的分布有较大的差别，因此汽缸在设计和制造过程中，仍需考虑较多的问题。其中主要有：汽缸及其结合面的严密性，蒸汽轮机启动过程中汽缸的热膨胀、热变形和热应力以及汽缸的刚度、强度和蒸汽流动特性等。

为了便于加工、装配和检修，汽缸做成水平中分形式，其主要特点是：把汽缸分为上下两个部分，转子从其径向中心穿过，为了使汽缸承受较大的蒸汽压力而不泄漏，汽缸上下两个部分用紧固件（螺栓、螺帽）连接，它们沿上下缸中分面外径的法兰将上下缸紧密联在一起。为了保证法兰结合面的严密性，汽缸中分面在制造过程中必须光洁、平整。法兰螺栓的连接一般采用热紧方式，也就是在安装螺栓时给螺栓一定的预紧力，在经过一段时间的应力松施后仍能保证法兰的严密性。另外，汽缸的进汽部分尽可能分散布置，以免造成局部热应力过大，引起汽缸变形。

随着机组容量的增大，蒸汽参数的提高，设计密封性能好而且可靠的法兰非常困难。为了解决这个问题，大型的蒸汽轮机往往做成双层缸体结构，内外缸之间充满着一定压力和温度的蒸汽，从而使内外缸承受的压差和温差较小，另外，采用双层缸结构时缸体和法兰都可以做得较薄，减小了热应力，有利于改善机组的启动和负荷适应能力。一般情况下，双层缸的定位方法为：外缸用猫爪支承在轴承座上，内缸与外缸采用螺栓连接，并用定位销和导向销进行定位和导向。

汽缸在运行中要承受内压力和内外壁温差引起的热应力，为了保证动静部分在正常运行时的正确位置，缸体材料必须具有足够的强度性能、良好的组织稳定性和抗疲劳性，并具有一定的抗氧化能力。对于汽缸的中分面法兰紧固件，因为其在应力松弛的条件下工作且承受拉伸应力，因而这些部件材料要具有较高的抗松弛性能、足够的强度、较低的缺口敏感性，以及较小的蠕变脆化倾向和抗氧化性。通常螺母的强度比螺栓低一级，这样两者硬度不同，减小螺栓的磨损，并能防止长期工作后不咬死。

为了保证汽缸受热时自由膨胀又不影响机组中心线的一致，在汽缸和机座之间设置了一系列的导向滑键。这些滑键构成了蒸汽轮机的滑销系统，对汽缸进行支承、导向和定位，保证蒸汽轮机良好对中，各汽缸、转子、轴承的膨胀不受阻碍。高中压缸一般都采用支承面和中分面重叠的上猫爪支承结构。汽缸本身的热膨胀和转子的热膨胀也是蒸汽轮机设计过程中要考虑的问题，要合理选定汽缸的死点、转子与汽缸相对死点的位置，留有足够的相对膨胀间隙，保证动静部分的间隙在合理的范围内，提高蒸汽轮机的整体工作效率。

蒸汽轮机在运行中，在汽缸内不允许有任何积水，因此，汽缸要设计有足够的去湿装置，疏水留有足够的通流面积，尽可能避免无法疏水的洼窝结构。

2.高、中压缸

高、中压汽缸采用的合缸结构，通流部分为反向布置。它由高、中压外缸、高压内缸和中压内缸组成，形成双层汽缸结构，如图4-3所示。高、中压外缸和内缸缸体都是合金钢铸件，各沿水平中分面分为上汽缸和下汽缸，上、下蒸汽缸之间用法兰螺栓紧固，以便于机组的安装及检修。

汽缸的结构形式和支承方式在设计时给予充分考虑，当受热状况改变时，可以保持汽缸自由且对称的收缩和膨胀，并且把可能发生的变形降到最低限度。由合金钢铸造的高、中压外缸通过水平中分面形成了上、下两半（见图4-4）。内缸同样为合金钢铸件并通过水平中分面形成了上、下两半。内缸支承在外缸水平中分面处，并由上部和下部的定位销导向，使汽缸保持与蒸汽轮机轴线的正确位置，同时使汽缸可根据温度的变化自由收缩和膨胀。连接到蒸汽轮机的蒸汽进口管道具有若干回路以便使热应力降到最低。

高压内缸装有高压1～8级隔板，内缸材料为ZG15Cr2Mo1，允许工作温度不大于566℃。支承结构为悬挂销；定位采用径向销结构。内缸轴向定位死点位于高压进汽口之前，内缸此处有一定位环，其外缘与外缸上相应位置的凸缘配合，确定内外缸轴向位置，构成内缸相对于外缸的轴向膨胀死点。内缸外壁高压第4级处设置有隔热环将内外缸夹层空间分成2个区域，如此可以降低内缸内外壁温差，提高外缸温度。内缸通过左右悬挂销搭在外缸上，配准悬挂销下面垫片可以调整内缸中心高度，上面垫片的配准是为了配准内外缸的热膨胀间隙。螺栓安装时需要热紧。内、外缸之间靠径向销保持内外缸中心一致和内外缸间的自由膨胀。

图4-3 蒸汽轮机高中压缸

图4-4 高中压蒸汽轮机水平中分面

高中压外缸内装有高压内缸、隔板套、隔板、汽封等高中压部分静子部件，与转子一起构成了蒸汽轮机的高中压通流部分。外缸材料为高温性能较好的ZG15Cr2Mo1铸件。外缸重量约为40t（不包括螺栓等附件），允许工作温度不大于566℃。外缸由下缸中分面伸出的前后左右4个猫爪搭在前轴承箱和中低压轴承箱的水平中分面下方，称为下猫爪非中分面支承结构。高中压缸与轴承箱之间的推拉靠汽缸下半缸与轴承座间的推拉梁来传递。外缸中下部的高压进汽管通过弹性法兰固定在外缸上。高压进汽管内套管通过活塞环与内缸相连接，可以降低内套管内外温差，减小对弹性法兰的热辐射。由于中压进汽温度非常高，为保护高中压外缸，专门设计了中压进汽遮热罩。

1号平衡环、2号平衡环、隔板和静叶持环支承在水平中分面的缸体内，并在缸体的顶部和底部设有导销。高中压缸体用四个同下缸上部整体浇铸的四个猫爪支承，其支承点位于水平中心线上。高压缸的支承点落在销上，置于高压缸的支座之间，使猫爪能够滑动自如。中压缸这一端缸体的猫爪同样落在中压缸与支座之间的销上，同样能够自由滑动。缸体的各端与支座用销子相连接，销子通过螺栓和销槽分别连到缸体和支座上。这些销使缸体相对于支座保持正确的轴向和横向位置。

中压侧的轴承座可在其底座上自由地作轴向移动，但可通过放置在汽缸与其底座之间的纵向中心线上的轴向键阻止其横向移动。这些轴承座的任何倾斜或上升倾向可用侧面的销子来限制，这些销子对轴向的滑动保留了足够的空间。

高、中压汽缸通流部分的压力级为反向布置，即高压汽缸中的压力级与中压汽缸中的压力级的蒸汽流动方向相反。这种反向布置的优点是：主蒸汽及再热蒸汽的进汽部分均集中在高、中压汽缸的中部，可减小蒸汽轮机转子和汽缸的轴向温差及热应力；高、中压汽缸中温度最高的部分布置在远离蒸汽轮机轴承的地方，使轴承受汽封温度的影响较小，轴承的工作温度较低，改善了轴承的工作条件，还可平衡一部分高、中压汽缸内的轴向推力。同时，因为前后轴端汽封均处于高中压缸排汽部位，使轴封长度显著减少。此外，高、中压合缸形式还减少了一至二个径向轴承，缩短了高、中压转子的长度。

3.隔板

蒸汽轮机的级是由喷嘴静叶和与之相配合的动叶组成的，是蒸汽轮机做功的基本单元。当具有一定温度和压力的蒸汽通过蒸汽轮机的级时，首先将通过喷嘴静叶的蒸汽的热能转换为动能，然后在动叶中将动能转换成机械能，从而完成蒸汽轮机做功的任务。

隔板是将蒸汽轮机的通流部分分割成若干级，用以固定汽缸内各级静叶片和阻止级间的漏汽。蒸汽在级内进行能量转换时压力逐渐降低。若仅隔板两侧存在压力差，而动叶前后的蒸汽压力相等，这种级叫纯冲动级；若蒸汽内的压力降主要集中在隔板的静叶内，在动叶内只有较小的压力降则这种级叫冲动级；若蒸汽在在动叶栅和静叶栅内的压力降近似相等，则叫反动级。隔板的主要部件由外环、外围带、静叶栅、内围带、隔板体等部件组成。隔板一般做成沿水平中分的两块，便于安装拆卸，为了使隔板工作时具有良好的经济性和可靠性，隔板的结构应能满足以下要求：足够的强度和刚度，良好的汽密性，合理的支承和定位与转子同心，隔板上的喷嘴具有良好的空气动力性能、足够的表面光洁度和正确的出汽角。

本机高压部分共8级，装在内缸中，中压部分共8级，中压第1～3级隔板装在1号隔板套内，第4～5级隔板装在2号隔板套内，第6～8级隔板装在3号隔板套内。高、中隔板都采用焊接结构。

高中压采用自带冠静叶焊接方式。第1～10级为等截面叶片，第11～16级为弯扭叶片。用隔板套代替中压内缸，可以大大节约制造成本，也可以分段选择不同的材料从而降低制造成本。隔板套采用上下半联接，非中分面支承。

4.低压缸

低压缸处于蒸汽从正压到负压的过渡工作区域，排汽压力很低，蒸汽比体积增加很大，故低压缸多采用双缸反向对称布置的双分流结构，采用这种结构的主要优点是能很好地平衡轴向推力。另外，由于蒸汽比体积变化较大，为避免叶片过长，低压缸分成两个独立的缸体。

低压缸内每一级压力降不大，但其做功能力超过高中压缸的任何一个压力级（压缩比较大）。所以，低压缸的结构应能保证机组安全的前提下，多做功，低压缸排汽的压力低，排汽容积大，因此缸体庞大，并与凝汽器直接连接。

低压缸用地脚套来支承，该地脚套与机组底座连成一个整体并延伸到每个底座端，如图4-5所示。地脚套落在各自的座板上，座板用水泥砂浆浇注在基础上。低压缸由位于地脚套和基础之间的四个锚块来定位，位置如下：一个位于高压侧端；一个位于发电机端，置于横向中心线上，这样使蒸汽轮机缸体定位于横向位置，但是能够轴向膨胀；另两个锚块，每端各一个，置于靠近低压蒸汽轮机纵向中心线上，使蒸汽轮机定位于轴向，但还是允许横向膨胀。于是低压缸缸体可以在水平低座板上，向任何方向自由膨胀。

图4-5 蒸汽轮机低压缸

低压缸采用焊接双层缸结构，轴承座为非落地式结构。内缸通过其下半水平中分面（见图4-6）法兰支承在外缸上。水平法兰中部及内缸下半底部对应进汽中心处有定位键，作为内外缸的轴向相对死点，使内缸轴向定位而允许横向自由膨胀；内缸下半两端底部有纵向键，沿纵向中心线轴向设置，使内缸相对外缸横向定位而允许轴向自由膨胀。低压外缸沿轴向分为两段，用垂直法兰螺栓联接，现场组装后再密封焊接。低压外缸上半顶部进汽部位有膨胀节与内缸进汽口和连通管联接，以补偿内外缸胀差和保证密封。低压外缸下半四周的支承台板放在成矩形排列的基架上，承受整个低压部分的重量。

图4-6 低压蒸汽轮机水平中分面

排汽口与凝汽器采用刚性连接，凝汽器由弹簧支承在基础上，正常运行时凝汽器水重由低压外缸承受。

低压外缸两端的上半缸上均装有大气薄膜阀，其作用是当低压缸的内压超过其最大设计安全压力时，自动进行危急排汽。大气阀的动作压力为0.034～0.048MPa（表压力）。它包括一块薄铅板，抵挡外部大气压的一个支持盘，薄铅板被夹在低压缸外盖与防爆膜盖子之间。若蒸汽轮机排汽压力超过设定值，支持盘便向外用力，使铅板沿防爆膜盖子和支持盘一起剪断。支持盘和铅板盖子都成了碎片，汽缸内的蒸汽排出外面。膜片同低真空自动跳闸机构结合使用。在正常停机过程中，当排汽压力升至设定值时，应保持真空破坏阀为开启状态，确保缸体内不会超压。

低压第1～4级静叶片为自带冠弯曲叶片，低压第5～7级静叶片为直焊式弯扭叶片。

低压缸冷却：由于机组为单轴机组，发电机、燃气轮机、蒸汽轮机布置在一根轴上，当燃气轮机开始启动到并网以及直到蒸汽轮机进汽前，余热锅炉尚未启动或蒸汽参数未达到能进入到蒸汽轮机的要求，蒸汽轮机叶片空转产生鼓风损失，同时使叶片温度上升。由于低压缸叶片最长，叶片温度上升最快，因此，在机组启动期间，需要有低参数的辅助蒸汽进入低压缸，对低压缸叶片进行冷却。当机组转速超过2000r/min时，来自辅汽系统的低参数蒸汽向机组提供低压缸冷却用蒸汽。中低压缸正常进汽后退出冷却蒸汽。

在低负荷或空载情况下（特别是在甩负荷之后），由于没有足够的蒸汽量将低压汽缸内摩擦鼓风产生的热量带走，会导致排汽温度升高。排汽温度太高，排汽缸的温度也随之过高，则会影响与排汽缸连在一起的轴承座的标高，使低压转子的中心线改变，造成机组振动增大或发生事故。因此，在低压缸排汽区设有喷水装置，当排汽温度升高时按要求自动投入，以降低低压缸排汽温度。

低压缸喷水系统设计成在转子的转速超过600r/min，同时中压缸进汽压力小于0.23MPa或者排汽缸温度超过70℃自动投入，排汽温度低于60℃时停止喷水。气动控制阀控制由凝结水泵提供的冷却水，可自动控制也可手动喷水。

另外，还设定了低压缸排汽温度的报警值和跳闸值分别为80℃和120℃，当超过此数值时，分别发出报警和跳闸信号。

（二）转子

转子是蒸汽轮机转动部分的总称，它担负着把喷嘴叶栅排出来的蒸汽的动能转变为推动轴旋转的机械能及功率传递的重任，是蒸汽轮机重要的部件之一。蒸汽轮机转子的结构可分为转轮式和转鼓式两种类型。转轮式转子具有安装动叶的叶轮，一般由主轴、叶轮、动叶片和联轴器构成；转鼓式转子则没有叶轮，动叶片直接安装在转鼓上。通常冲动式蒸汽轮机的转子采用转轮式转子；反动式蒸汽轮机的转子为避免轴向推力过大而采用转鼓式转子。

转子上的动叶栅与对应隔板上的喷嘴叶栅构成蒸汽轮机通流部分的能量转换单元，将蒸汽的热能转变成推动转子旋转的机械能，通过主轴带动发电机做功。转子工作时，因高速旋转，它除了要转换能量、传递转矩外，还要承受旋转时质量所产生的离心力，因此要用高强度的金属材料制成。在高温区工作的转子，要采用耐高温的高强度材料。为了提高通流部分的效率，转子、静子部件间保持较小的间隙，要求转子部件加工精密，调整、安装精细准确。因此，转子的任何缺陷都会影响机组的安全经济运行。

本机高中压转子采用整锻无中心孔结构，能承受发电机出线端短路时所产生的最大转矩瞬时作用于转子上，如图4-7所示。转子材料为30Cr1Mo1V（10325AB），重量为19.8t，长度为8480mm，轴承间距为5200mm，最大直径1430mm。

图4-7 高中压转子

高压部分共8级叶轮，高压各级为等厚截面叶轮，倒T型叶根槽。中压共8级叶轮，第1级为变截面叶轮，其余各级为等厚截面叶轮，纵树型叶根槽。

转子前轴颈为φ430mm，转子后轴颈也为φ430mm，与燃气轮机转子和低压转子用刚性联轴器联接，联轴器用16个特制螺栓连接，螺栓的装配和预紧力（伸长量）要求按联轴器有关规定。

启动升速率或负荷变动率较大时，蒸汽温度变化较快，将导致转子热应力过大，损耗转子使用寿命。因此启动升速和变负荷时，要按照规定的升速率和变负荷率进行操作。

转子材料的脆性转变温度为121℃，因此，冷态启动时要充分暖机，在升速到额定转速之前，转子中心部位必须加热到121℃以上。

能在低于110%额定转速下的任何转速下运行，并能承受120%额定转速瞬时超速条件下产生的应力。

由于转子的不平衡量产生的激振力是引发转子振动的激振力。要消除振动，首先必需保证转子的不平衡量在要求的范围内。在加工过程中转子要进行很好的静平衡，装上叶片后要进行低速动平衡（450r/min）和高速动平衡（3000r/min）。

转子动平衡的一般步骤如下：

1）转子应在驱动机构的带动下低速盘动，使整个转子加热到大于125℃。

2）转子转速应以小于每分钟300r/min的升速率升到额定转速。

3）转子转速应保持在约400r/min以便检查辅助设备和高速动平衡试验台的仪表。

4）在1000r/min至额定转速之间每隔100r/min测量记录振动幅度。

5）转子在额定转速时应保持10min。

6）如果振动幅度在允许范围内，升速到额定转速的115%并保持2min。

7）转速应该很快从115%的额定转速降低到额定转速并保持10min。

8）在完成试验后，转子转速应降低到盘动转速。

低压转子同样采用整锻转子，材料为30Cr2Ni4MoV，总长度为6840mm，总重量（包括叶片重量）约为41.9t；低压正反向共14级叶轮，全部采用纵树型叶根，如图4-8所示。

图4-8 低压转子

转子后轴颈为φ455mm，转子前轴颈为φ430mm，与高中压转子和电机转子采用刚性联轴器联接。

正反向末级叶轮外侧和正反向第1级叶轮之间均有平衡槽，供制造厂商进行动平衡时使用。正反向末级叶轮外侧有平衡螺塞孔，供电厂进行不开缸作轴系动平衡时使用。

低压转子设计特点如下：

1）采用整锻无中心孔；

2）能承受发电机出线端短路时所产生的最大转矩瞬时作用于转子上；

3）能在低于110%额定转速下的任何转速下运行，并能承受120%额定转速瞬时超速条件下产生的应力。

（三）叶片

叶片按用途可分为动叶片和静叶片两种。

动叶片安装在转子叶轮或转鼓上，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。

静叶安装在隔板或持环上。在静叶栅中，蒸汽的压力和温度降低，流速增加，将热力势能转换为动能。

转子的临界转速见表4-1。

表4-1 转子的临界转速

叶片的工作条件很复杂，除因高速旋转和汽流作用而承受较高的静应力和动应力外，还因其处在过热蒸汽区、两相过渡区（指从过热蒸汽区过渡到湿蒸汽区）和湿蒸汽区段内工作而承受高温、高压、腐蚀和冲蚀作用。因此，在设计、制造叶片时，应充分考虑叶片的强度和刚度，又有良好的型线，以提高蒸汽轮机的效率。

本机高中压缸具有冲动型叶片而低压缸具有双流反动式叶片。为了减少蒸汽泄漏，在所有动静叶片的顶端动静部分的间隙处都装有汽封，动叶顶部的汽封叫叶顶汽封，静叶顶部的汽封叫级间汽封。

高压缸8级冲动式叶片采用“T”型叶根，中压缸8级冲动式叶片采用“纵树型-侧装型”叶根，低压缸2×7级反动式叶片采用“纵树型-侧装型”叶根。

本机叶片设计要求如下：

1）必须设计为能量转换高效率；

2）必须确保在超速试验、48.5～51.0Hz工作条件及其他负荷下叶片不会由于振动而受到损坏；

3）末级叶片必须进行防水蚀保护；

4）叶片在7倍转速下不会产生共振。

（四）平衡活塞

平衡活塞就是将轴封套直径加大，在转子上形成带齿形轴封的较大凸肩，蒸汽由凸肩齿形间隙的一端流向另一端时，因节流而产生压力降，由于凸肩两侧所承受的压力不同，于是产生与转子通流部分固有推力相反的轴向附加力并与之平衡。高压进汽区域内转子上加工有高、中压平衡活塞，高压通流部分的轴向推力由这两级平衡活塞加以平衡，再加上高压排汽平衡活塞的作用，轴向推力最后只剩下一个较小的正向推力指向发电机端，保证额定负荷下转子不漂移，运行稳定。

本机低压缸由于采用了对称布置结构，几乎不会产生额外的轴向推力。而高中压缸虽然采用了对流布置，但由于两边的工况不同，各自产生的轴向推力也不同，因此会有额外的轴向推力产生。为了尽可能减小轴向推力，使推力轴承的负荷减至最小，在高中压进汽端和高压缸排汽端有两个平衡环，即平衡活塞。

叶片前后蒸汽压差会产生相当大的推力，作用于转子的推力向着排汽端。在平衡环与轴封之间的一个断面加工成一个平衡活塞，它的设计是为了平衡一部分轴向推力，减少作用在推力轴承上的负载，从而在机组各种运行工况下，限制转子的轴向推力。

从平衡活塞的密封泄漏出来的蒸汽流经外部管道进入中压缸排汽。其压力值根据蒸汽轮机工况而定。通过平稳活塞产生的压差使大轴向蒸汽入口方向移动，从而减小推力轴承的负载。

平衡环是上下半分式，由键支承在汽缸内，水平对接，通过径向键来上下对中。这样的布置方式，使它与蒸汽轮机大轴保持适宜位置，并在温度改变时，能够自由移动。

各迷宫式密封环制成一段段的，带有T形根装配入平衡环的相应沟槽内。在上部水平接口处每段密封环设有两个防滚动销钉。当上半平衡环被吊开时，该销钉还起到防止上半密封环段滚脱出来的作用。

每个密封环段背面装有叶形弹簧，由螺钉固定在环段上，螺钉的端头下留出足够的空隙，使弹簧片留有自由活动的余地。组装密封环时，在靠近螺钉的端头处点冲一下，以防运行中螺钉松出来。

[提示]机组不能在蒸汽轮机高中压缸其中一个缸退出的情况下连续运行。

（五）转子联轴器

联轴器是将蒸汽轮机各个转子及燃气轮机、发电机转子联成一体，用以传递转矩及轴向推力的重要部件，主要有刚性、半挠性、挠性联轴器三类。大型发电机组一般采用刚性联轴器，这种联轴器结构简单，连接刚度大，传递力矩大。另外，刚性联轴器连接的轴系只需要一个推力轴承平衡推力，简化了轴系的支承定位，缩短了轴系长度。但此种联轴器连接的轴系需要高精度的轴系对中，否则，各个转子相互影响较大，容易引起轴系振动。

本蒸汽轮发电机组轴系的燃气轮机转子、高中压蒸汽轮机转子、低压蒸汽轮机转子、发电机转子全部采用刚性连接，每根转子分别有两个轴承支承。轴系的四根转子的联轴器基本上都是相同的，联轴器的两个法兰面分别与各自的转子锻成一个整体，联轴器的两个法兰面有配合螺栓紧固并保证两转子同心。环形垫片放在两个联轴器之间，法兰两侧均设有套筒配合，用以保证两根大轴能够相互对中。因此若要取下环形垫片，必须使两个大轴的法兰尽量沿轴向分开来。其上设计的螺旋千斤顶孔，即为此用。

低压缸与发电机之间的联轴器被加工成四周带齿的齿轮，该齿轮与盘车齿轮相啮合。盘车齿轮用于机组停机时使大轴缓慢转动，以防止转子发生热弯曲。

（六）汽封

作为高速旋转的蒸汽轮机，其动静部分必须留有一定的间隙，为了减小泄漏，必须安装防止泄漏的装置来提高蒸汽轮机的工作效率，这种装置通常称为汽封。广泛使用在大功率蒸汽轮机发电机组上的是非接触式的迷宫式汽封。

迷宫式汽封又称曲径汽封，几种迷宫式汽封的示意图如图4-9所示。其工作原理是：在合金钢环体上车制出一连串较薄的薄片，每一个扼流圈后是一个膨胀室，当蒸汽通过时，速度加快，在膨胀室蒸汽的动能变化为热能，压力降低，比体积增大。依此类推，在蒸汽通过多个扼流圈时，其每个扼流圈的前后压差就很小，泄漏量就降低很多。

根据汽封装设的位置不同，汽封又分为下列几种，如图4-10所示。

（1）叶栅汽封

主要密封的位置包括动叶片围带处和静叶片或隔板之间的径向、轴向以及动叶片根部和静叶片或隔板之间的径向、轴向汽封。

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图4-9 几种迷宫式汽封的示意图

a）整体平齿 b）、c）整体高低齿 e）、f）整体纵树形 d）、g）、h）、i）镶片式

（2）隔板汽封

隔板内圆面之间用来限制级与级之间漏汽的汽封。

（3）轴端汽封

在转子两端穿过汽缸的部位设置合适的不同压力降的成组汽封，就是常说的轴封。

由于装设部位不同，密封方式不同，采用的汽封形式也不尽相同，通常叶栅汽封和隔板汽封又称为通流部分汽封。

1.通流部分汽封

蒸汽轮机的通流部分汽封主要作用是减少蒸汽从高压区段通过非做功区段漏向低压区段，保证尽可能多的蒸汽在通道内做功。

1）叶栅汽封 前后压差较小，装设部位狭小，因而结构简单，一般情况叶顶径向汽封梳齿嵌压在静止件上，它与围带维持着较小的间隙，构成简单的叶顶轴向汽封。

2）隔板汽封 相对与叶栅汽封而言，其前后的压差大，汽封梳齿较多，结构较为复杂。由装在隔板内孔的汽封圈和转子上的凸台形成。汽封圈沿圆周分成几段，在隔板水平结合面处装入隔板T型槽内，并用弹簧板将其压住。在T型槽的侧面开有小孔，运行时，蒸汽进入槽内，对汽封圈产生附加力，使汽封圈始终向心。

图4-10 通流和轴端汽封

2.轴端密封

蒸汽轮机轴端密封装置有两个方面的功能：一是在蒸汽轮机压力区段防止蒸汽外泄，确保进入蒸汽轮机的全部蒸汽都沿蒸汽轮机的叶栅通道通流做功，提高蒸汽轮机的效率；二是在真空区段，防止蒸汽轮机外侧的空气向蒸汽轮机内泄漏，保证蒸汽轮机组有良好的真空，降低蒸汽轮机的背压，提高蒸汽轮机的做功能力。

装在蒸汽轮机转子上的轴封用来防止蒸汽从壳体沿转轴逸出。轴封为迷宫型，包括一定数量的轴封片，以减少蒸汽泄漏。用蒸汽向轴封供轴封用汽。漏出来的蒸汽从外腔室经下半轴封体的两连接管，进入轴封冷却器。轴封冷却器使外轴封小室保持局部真空，以防止蒸汽经该小室漏出到主厂房。

轴封蒸汽通过下半轴封体的两连接管，进入内轴封与外轴封之间的小室。在各种运行工况下，轴封蒸汽调节门都能使轴封汽室的汽压保持在0.3bar^[2]（表压力）。

轴封环的形式都是相同的，每个环分成8段，带有T型的根部，嵌入轴封体的沟槽内。为防止轴封环转动，设有防转动销钉，装在上半轴封环段水平接口的槽口处。每个轴封环背面装有4个叶形弹簧片，用螺钉将弹簧片固定在段块上，在螺钉的头部下留有足够的空隙，使弹簧能够自由活动。组装轴封环时，在靠近螺钉端头处的环段上点冲一下，使螺钉在运行中不会松出来。

所有轴封都是金属迷宫型、弹簧分段式汽封圈。汽封圈为高低齿或平齿，小间隙配合凸台直接在蒸汽轮机转子上加工而成。这一连串的高低齿结构形成的小间隙，使泄露的蒸汽流量达到最小。两段汽封之间的腔室里有泄漏的空气及泄漏的蒸汽。若是因为某些变工况条件造成转子变形，分段弹簧式汽封所具有的“退让”功能可以降低汽封齿和转子摩擦时产生的热量对转子的损坏。轴封环段块在接口处都有标记，解体轴封环后重新组装时，应使这些段块回装在原来的位置上。在每个密封环段设有供压槽口，并使密封环径向就位，这是因汽压的作用。安装时各密封环段的槽口应面向汽流。装在轴封环段上的轴封条在转子表面上形成很小的转动间隙。轴封条是错开排列的，防止蒸汽形成直线通路，穿过轴封。组装轴封体时，由销钉和螺栓将其定位在汽缸上。

3.注意事项

蒸汽轮机正常运行时须供给轴封蒸汽，防止空气通过轴封流入蒸汽轮机。若有空气进入蒸汽轮机，将降低凝汽器真空程度，造成机组出力和效率的降低。机组运行中，若关闭轴封蒸汽，低温空气经轴封进入蒸汽轮机内，会使汽缸冷却下来，将造成转动与静止部件发生摩擦而损坏蒸汽轮机。

在停机时，在机组转速高于额定10%（转速约300r/min）前，不要破坏凝汽器的真空。过早地打开真空破坏阀，将使轴封蒸汽流量减少，有害于末级叶片，甚至造成损坏。即使凝汽器真空破坏阀已打开，保持轴封供汽，直到凝汽器内的压力与环境压力相同。这样将没有可能使转子和轴封区域很快冷却下来。

除非在下列紧急情况下，凝汽器真空破坏阀不要打开，直到蒸汽轮机转速达到额定转速的10%以下：

1）机组因推力轴承故障而跳闸；

2）机组因轴承油压低而跳闸。

（七）轴承

为保证蒸汽轮机转子在汽缸内的正常工作，蒸汽轮机毫无例外地采用了径向支持轴承和推力轴承，径向支持轴承承担转子的重量和因部分进汽或振动引起的其他作用力，并确定转子的位置，保证转子与汽缸的中心线的一致；推力轴承承担汽流引起的轴向推力，并确定转子的轴向位置，确保蒸汽轮机的动静部分的间隙。由于蒸汽轮机发电机组属重载高速设备，轴承全部采用以油膜润滑理论为基础的滑动轴承。

在选用蒸汽轮机发电机组轴承时，主要考虑下列问题：主轴承的型式要确保不出现油膜振荡，充分考虑汽流激振力的影响；具有良好的抗干扰能力；检修时不需要揭开汽缸和转子，就能够把各轴承方便地取出和更换；轴承最好采用水平中分面轴承，不需吊转子就能够在水平，垂直方向进行调整。推力轴承能持续承受在任何工况下所产生的双向最大推力。各支持轴承均设轴承金属温度测量点，测量点位置和数量要满足蒸汽轮机运行监视的要求。

1.#3、#4支持轴承（可倾瓦式）

3号、4号支持轴承结构如图4-11所示，它由4个键支承的具有自位功能的可倾瓦轴承。该轴承由4块巴氏合金钢制轴瓦组成，具有径向调整和自动润滑功能。轴承壳体制成两半，与轴承座的水平中分面齐平，用定位销定位。各瓦块均支承于轴承壳体内，且用支持销定位。位于瓦块中心的调整垫块与支持销的球面相接触，作为可倾瓦块的摆动支点，因此轴承可以随转子摆动并自对中心。

图4-11 3号、4号支持轴承结构图

1—油封挡环 2—支持销 3—调整垫块 4—临时螺栓 5—螺塞 6—弹簧 7—瓦块 8—垫块 9—垫片 10—止动销 11—油封环 12—限位销

轴承壳体由4块钢制键支承在轴承座内，其外圆直径加工的比轴承座内孔直径稍小。这些键分别安装在壳体的上半、下半与轴承水平、垂直中心线成45°的位置上。在每个键和轴承壳体之间设有垫片，以便在垂直和水平方向调整轴承确定转子在蒸汽缸内的准确位置。安装于轴承壳体的止动销，伸入轴承座水平中分面下一凹槽内，用以防止轴承在轴承座内转动。

轴承瓦块和调整垫块、支持销均编号1至4、打印，并在轴承壳体上相应的位置编号，以便在检修后瓦块和垫块仍能装在原来的相对位置。每块瓦块两端的临时螺栓在组装和运送时联接在轴承壳体上将瓦块固定就位，但在总装时拆去，并用螺塞替代，螺塞旋入后必须略低于轴承体垫块的表面。

润滑油通过带孔垫片和节流孔板进入轴承壳体，轴承壳体两端面上开有环槽，润滑油经过环槽通过在水平和垂直方向上开的8个孔进入轴承各瓦块，沿着各瓦块间的轴颈表面分布，并从两端排出。

油封环及油封挡环防止从轴承两端大量漏油，油封环做成两半，固定在轴承体上用限位销防止挡油环转动，油通过两侧的挡油环的排油孔排出，返回轴承座。

2.#5、#6支持轴承（套筒型）

低压缸两个支持轴承为三键套筒型轴承，如图4-12所示。它包括衬以巴氏合金的铸钢外壳、供油润滑和轴承中心位置的调整。外壳水平中分，设有两个销钉使组装成上下两半时，保证两半完全吻合。

图4-12 #5、#6支承轴承结构图

该轴承由三个钢块或称键销来支承，位于底座内的球形孔座，键销的弧形外表面半径稍小于底座的内孔。其中两个键销，装在轴承外壳的下半部分，与水平和垂直中心线呈45°角的位置上；另外一个键销置于外壳顶部的垂直中心线上。各键销与轴承外壳之间，装有内衬或垫片，它是用来调整垂直和水平位置，从而确定大轴在汽缸内的具体位置。在轴承外壳的水平结合面的下方，设有个销钉，装入轴承外壳内，销钉端头突出于轴承座，用于防止轴承与其底座之间发生转动。润滑油通过底座上的钻孔与相对应的键销中心孔，送入轴承内。润滑油经键销中心孔进入轴承上半外壳的油释放区。这样可保证在所有时间内，能可靠润滑轴承。轴承的油释放区，并不延伸到轴承的两端，而是止于两端的环状沟槽。于是环状沟槽中一些润滑油，流经下半轴承外壳上的几个小孔，进入底座。

三个轴承键销都有油孔通过其中心。该键销及轴承外壳上都有简单标记，组装时，应按标记装回原位。

（八）滑销系统

1.汽缸膨胀

蒸汽轮机发电机组从启动过程到正常运行状态，汽缸要膨胀，转子也要膨胀。对于双层缸结构的蒸汽轮机，内外缸之间也会产生相对膨胀。由于汽缸和转子使用材料不同、几何尺寸不一样、各部分承受的温度也不同，汽缸和转子、内外缸之间膨胀量不完全相同，必然产生膨胀差。为了保证蒸汽轮机在启动、停机过程中，汽缸、转子能按照设计要求定位和对中，保证其膨胀不受阻碍，蒸汽轮机配置了一套完善的滑销系统。该滑销系统主要有横销、纵销，立销、角销等部件组成，通过在不同部位的安装，控制蒸汽轮机的膨胀方向。一般情况下大型蒸汽轮机由于轴系长，缸体绝对膨胀值大，均采用多死点滑销系统，保证蒸汽轮机的沿不同方向上的自由膨胀。

横销的作用是保证蒸汽轮机汽缸沿横向自由膨胀，限制其轴向位移，使汽缸运行在允许间隙的范围内。纵销是保证汽缸沿轴向自由膨胀，限制横向膨胀。纵销中心线和横销中心线的交叉点形成汽缸的死点，当汽缸膨胀时该点始终保持不变，如图4-13所示。立销的作用是限制汽缸的纵向和横向移动，允许汽缸上下膨胀。

图4-13 蒸汽轮机的相对死点和绝对死点

2.转子膨胀

蒸汽轮机转子的膨胀死点的确定：转子是采用刚性连接的，轴向位移可以传递；轴向推力是由推力轴承承担，该轴承允许的位移是很小的，因而推力轴承工作面就是转子和汽缸的相对死点。当机组的动静部分相对位置调整完成后，转子的轴向推力就由推力轴承承担。转子膨胀时，以该死点为基准向前、向后膨胀，距离该点的位置越远，其相对位移越大。

高中压蒸汽轮机缸体由4个猫爪来支承。该猫爪落在销上，该销位于猫爪与3号和4号轴承的轴承座之间，这样猫爪可自由地作滑动。

高中压缸体的3号和4号轴承座通过对中梁连接到底座上。3号底座由一向锚块轴向固定，于是高中压缸体的热膨胀通过对中梁传到4号轴承座上。4号轴承座可在其底座上自由的轴向滑动，而该4号轴承座和底座间设有在纵向中心线上的轴向键，限制轴承座和底座之间产生横向移动。轴承座若发生倾斜或抬起倾向都有侧面的销予以限制，该侧面的销子装配留有足够的间隙，允许自由轴向移动。高中压蒸汽轮机缸体从轴承座上的抬起倾向则由每只猫爪的螺栓所限制。但该螺栓配装在螺母下留出足够的间隙，当温度变化时，可使缸体的猫爪在螺栓四周能够适当移动。

（九）盘车装置

蒸汽轮机启动前和停机后，为避免转子弯曲变形，须设置连续盘车装置。在蒸汽轮机启动进汽前，转子两端由于轴封供汽，蒸汽便从轴封两端漏入蒸汽轮机，并集中在汽缸上部，使转子和汽缸产生温差，若转子不转动则会使转子产生热弯曲。同样，蒸汽轮机停机后，转子仍具有较高的温度，蒸汽聚集在汽缸的上部，由于汽缸结构不同，蒸汽轮机上下缸温降速度不一样，也会使转子产生热弯曲。另外，在蒸汽轮机启动前，通过盘车可使蒸汽轮机上下缸以及转子温度均匀，自由膨胀，不发生动静部分摩擦，有助于消除温度较高的轴颈对轴瓦的损伤，还能消除转子由于重力产生的自然弯曲。

盘车一般分为低速盘车和高速盘车两类，高速盘车的转速一般为40～80 r/min，而低速盘车一般为2～10 r/min。高速盘车对油膜的建立较为有利，对转子的加热或冷却较为均匀，但盘车装置的功率较大。高速旋转如果温降速度控制不好，容易磨坏汽封齿。

本机组配置了由链条、蜗轮蜗杆、齿轮、复合减速摆轮、啮合齿轮等组成的低速盘车装置，如图4-14所示。

图4-14 盘车装置

盘车齿轮的电动机组件装在盘车齿轮箱上面。盘车电动机的轴带动链轮、链条、蜗轮、齿轮。齿轮与联轴器中间齿轮相啮合，盘车齿轮装置可带动大轴以约3r/min的转速旋转。

带有拉杆机构的拉杆组件使齿轮与联轴器中间齿轮相啮合或脱开。齿轮在轴上转动，轴由两个板片夹住。齿轮的轴作为转枢轴。板片的内端与拉杆相连接。于是挪动拉杆到“IN”的位置，便移动齿轮与联轴器中间齿轮相啮合，使大轴转动起来；若移动拉杆到“OUT”位置，齿轮便脱开，使大轴停止转动。

齿轮的转动方向和位置是相对于转枢轴而定的，因此只要齿轮的扭力传到联轴器中间齿轮上，齿轮将持续啮合。当蒸汽轮机大轴的转速增加到足以带动盘车齿轮时，因联轴器中间齿轮的扭力使齿轮自动脱扣。

轴套和齿轮不需要润滑，蜗杆和蜗轮由轴承的供油润滑。蜗杆和蜗轮总是浸没在盘车齿轮箱的油池中。

（1）盘车装置自动啮合

机组停机时，按照下述程序使盘车齿轮自动啮合：

1）将盘车装置的控制开关打到“远方”位置，开始进入自动控制程序。

2）控制开关处于“远方”位置，当蒸汽轮机大轴转速降至约600r/min时，自动盘车程序启动，顶轴油泵自启动，盘车供油电磁阀打开，对盘车齿轮提供充足的润滑油。

3）当转子转速到0后，盘车电动机自启动，随后立即停止。此时，盘车啮合供气阀电磁阀打开，在电动机转速缓慢下降过程中，带动盘车齿轮拉杆，齿轮便与联轴器中间齿轮啮合起来。

（2）盘车自动脱扣

机组启动时，盘车齿轮的自动脱扣程序如下：

1）当机组大轴转速高于盘车转速时，齿轮便自动脱扣。

2）当动作拉杆移向脱扣位置时，使一个开关合上后，空气进入汽缸的另一端，齿轮便离开联轴器中间齿轮，并使轮齿完全脱开。当动作拉杆达到全脱扣位置时，限位开关使盘车齿轮马达和空气供给两者都停止下来。

3）大轴转速升到约600r/min后，自动脱扣程序解除，停止供给盘车齿轮润滑油。

在机组的任何状态下，“控制回路”能满足“远方”状态切换到“就地”状态。

在蒸汽轮机升速超过盘车转速并具有足以使盘车设备脱扣的转速时，啮合小齿轮将自动脱开。操纵杆在连杆机构移向脱开位置时，将拉动气动啮合缸的活塞，直到活塞不再移动为止。此时零转速指示器的压力开关将关闭，并提供气动啮合缸活塞下的压缩空气，把操纵杆推向完全脱离啮合的位置。此时，弹簧座上的位置开关被拨叉拨到切断盘车电动机电源的位置。而与操纵杆相连的挡块会拨动固定在护罩上的另一个位置开关的滚轮，从而停止提供压缩空气。

当蒸汽轮机发电机转子升速到600r/min时，自动程序将不起作用，使盘车设备停止运动，并切断润滑油，同时使顶轴装置停止运行，整个盘车运行结束。

控制电路能在任何运动方式中做到从“自动”到“手动”的切换。

（十）转子接地装置

转子接地装置连接到蒸汽轮机的转子上，防止静电在蒸汽轮机转子上积聚放电。

此装置由安装在支架上的电刷组成。支架由螺钉拧紧在蒸汽轮发电机端部的油密封环上。电刷保持与蒸汽轮机转子相接触。蒸汽轮机转子上的静电通过电刷、油密封环和轴承底座接入大地。

静电测量可用真空管电压表、示波器或高阻抗电压表。必须把一根引线置于发电机轴承靠近蒸汽轮机侧转子，另一根引线接在汽缸上。

为了了解老化情况，需要记录直流电压、转子对静止部件的极性和交流电压。

轴电压允许值：DC1V，AC1V（方均根值）。

[重要提示]测量静电电压时，需确保振动检测探头没有与转子相接触，否则会影响测量结果。

由于接地装置在高速滑动，擦过情况下传送相对微小的电流，电流会使接地铜条表面产生氧化膜。由于氧化膜高电阻会降低接地铜条的接地效果。因此，需要定期检查和维护以确保接地铜条有效。如果由于氧化膜的缘故而升高了轴电压，就必须轻轻打磨编织带的表面或者更换。当接地铜条厚度降到50%时必须更换。

（十一）蒸汽轮机各测点位置

位于轴承箱上的测量点，见表4-2。

表4-2 轴承箱上的测量点

（续）

相关说明如下。

（1）转子振动探头

振动探头用于测量和记录在运行中的蒸汽轮机-发电机转子的振动。它要靠近主轴承测量振动。过大振动会作为对蒸汽轮机-发电机异常和可能危险情况的警告。每一振动仪表配备有报警器和断路器，在测出过大振动时就启动。

（2）差胀探头

在蒸汽进入蒸汽轮机时，转动零件和外缸会膨胀。由于转动零件质量较小，加热较快，所以比外缸膨胀较快。设置转动零件和静止零件之间的轴向间隙，从而允许蒸汽轮机差胀。但如果超过可允许的差胀范围，转动和静止零件之间可能发生接触。差胀探头的用途是监测转动和静止零件的相对运动。差胀在靠近4号轴承或6号轴承的发电机侧测出。差胀仪表配备有报警继电器，如果接近轴向间隙的范围就启动。

（3）转子偏心探头

转子偏心探头安装在靠近3号轴承的燃气轮机侧。在燃气轮机停运时，如果转子外缸的上半部温度高于下半部时，由于不均匀冷却，转子会趋向弯曲。用盘车装置慢慢转动转子，转子会均匀的冷却，从而使弯曲降低到最小限度。偏心仪表配备有报警继电器，在到达偏心范围时就启动。

（4）转子相位探头

转子相位探头安装在转子靠近5号轴承的地方，并用于测量转子的相位角。转子相位仪表不配备报警继电器，然而转子振动仪表和转子偏心仪表采用转子相位传感器从而就能指示振动的相位角和/或偏心度。

（5）外缸膨胀传感器

外缸膨胀传感器安装在高中压缸的发电机侧，在高压外缸从轴向固定点测量外缸膨胀。依次记录外缸膨胀，从而检查外缸是否有异常膨胀现象，如不连续性和（或）黏结情况。

（6）速度传感器和零转速探头

安装速度传感器和零转速探头测量蒸汽轮机-发电机转子的转速。速度传感仪表的信号用于蒸汽轮机控制、保护和显示。