【文章內容簡介】 鼓式等。 轉子的軸向推力及其平衡 蒸汽在汽輪機的通流部分膨脹做功時，轉子上受兩部分力，一部分叫做輪周力，是產生轉矩對外做功的有益力；另一部分沿葉輪軸向從高壓端指向低壓端，企圖推動轉子向汽流方向運動，所有葉輪軸向力之代數(shù)和，就是整個轉子的軸向推力。轉子的軸向推力一般要采取措施平衡掉大部分，剩余的部分由推力軸承承擔。如果推力過大，就會影響軸承壽命，嚴重時會燒壞軸瓦，引起轉子上動靜部分碰撞 ，以致?lián)p壞機器，因此，在運行中必須嚴密監(jiān)視轉子軸向推力變化，確保 ˙ 21 ˙ 機組安全運行。 一般來說，作用于汽輪機轉子的軸向推力來源于以下幾種因素： a 葉輪兩側的壓力差 . b 動葉片上的軸向力 . c 軸上各處直徑不同引起的受力 . 汽輪機轉子所受軸向推力很大，高壓汽輪機（反動式）可達到幾百噸，為確保機組的安全運行，一般采取下列措施平衡軸向力 . a 使用推力軸承。目的是固定轉子在氣缸中的位置，承受轉子上的少部分軸向推力 . b 使用平衡活塞或平衡盤。如圖 11 所示，在轉子通流部分對側，將轉子做成階梯形，以產生相反的軸 向推力，此階梯凸臺就叫平衡活塞。其右側為高壓蒸汽，左側與汽室相通，受低壓蒸汽作用，因而產生向左的軸向力，以平衡部分軸向力。對沖動式汽輪機因其總的軸向推力不大，一般將高壓汽封套直徑做大些，也可以起到類似的作用 . c 開平衡孔。由于汽輪機葉片兩側存在壓力差，在輪盤上開有貫通兩側的小孔，即平衡孔，可減少輪盤上的軸向推力。平衡孔一般開 57 個奇數(shù)孔，以免在葉輪同一直徑上形成對稱孔，影響葉輪強度。另外開奇數(shù)孔對減輕葉輪震動也有好處。但此法會使汽輪機效率有所降低。 ˙ 22 ˙ 圖 11 平衡活塞 d 采用相反流量布置。如圖 12 所示，使蒸汽在高低壓缸或各區(qū)域內流向相反，而產生反方向的軸向推力，以相互抵消而達平衡。 (2) 靜子部分 即汽輪機的靜止部分，包括汽缸、前后支承軸承、推力軸承、噴嘴組、隔板、支撐與滑銷系統(tǒng)、汽封系統(tǒng)和機座等。 圖 12 相反流動的布置方案 A 汽缸（機殼） 其缸的作用是支撐轉子、容納并通過蒸汽，將汽輪機通流部分（噴嘴、轉子、隔板等）與大氣隔開，保 證蒸汽在機內完成其做功過程。 在運行中，汽缸會承受蒸汽與大氣壓力差、軸向拉應力、部件重量、振動及熱應力等多種作用，一般作為薄殼雙層，既要可靠的固定在機座上，又要有一定的自由膨脹裕度。 ˙ 23 ˙ B 支撐與滑銷系統(tǒng)： 目的是承受汽缸重力，并使汽缸在受熱狀況下的熱膨脹有一定方向。 C 噴嘴組和隔板： 噴嘴作用如前所述，它是將蒸汽熱能轉化為動能的重要部件；隔板則使各組葉輪在單獨的蒸汽室中運行，達到熱能的充分利用。 D 汽封裝置： 在汽缸兩端、葉輪和隔板處，為避免動靜部件碰撞而留有間隙。由于這些間隙前后壓力差存在，主軸通過間隙 處必然有漏氣，從而降低機組運行的經濟性并造成損失。汽封裝置作用就是減少漏氣，確保機組安全運行。 軸端漏氣不但造成部分蒸汽熱能的浪費，影響汽輪機經濟性，還會破壞潤滑、造成油中帶水、軸承潤滑不良等后果。另外，汽缸后側漏入空氣，對排氣溫度和凝汽設備的真空建立也有一定危害。 汽輪機的汽封裝置有多種形式，最常用的是迷宮式汽封，通過蒸汽的節(jié)流降低密封齒前后的流動壓差和流速，從而減少漏氣量，達到密封的目的。 E 軸承： 按其所起的作用可分為支持軸承（又叫徑向軸承）和推力軸承。支持軸承的作用是承受徑向力，保持主軸與汽缸中心 線一致，確保轉子的正常運轉。推力軸承則用來承受轉子軸向力，限制轉子軸向串動，保持轉子軸向位置。目前汽輪機和離心式壓縮機絕大多數(shù)采用的是油 ˙ 24 ˙ 潤滑動壓軸承，通過建立油膜壓力承受載荷。 3 汽輪機的功率和效率 (1) 汽輪機的功率 我們知道，汽輪機的功是熱能轉換來的，而功率則表示單位時間的功。在汽輪機運行管理工作中，將接觸到以下幾種功率： A 理想功率 表示不考慮任何損失，蒸汽在汽輪機中作理想膨脹，單位時間內將全部熱能都轉換為功。 1 公斤蒸汽具有的能量可用熱量表示為： g=ioi 排 =Ht G 公斤蒸汽具有的能量表示為 熱量： Q=G（ ioi 排） =GHt 式中： io在入口狀態(tài)參數(shù)下的新蒸汽的焓 i 排 排氣壓力、溫度下的蒸汽的焓 Ht理想焓降 在理想的情況下，蒸汽能量都轉化為機械功應為： L=427Q=427 GHt 在實際工作中，知道每小時的重量流量，就可相應算出相應的理想功率。 B 內功率 從理想功率中扣除內部損失后得到的功率叫做內功率。它表示汽輪機通流部分可以發(fā)出的功率。（所謂通流部分就是流經汽輪機的蒸 ˙ 25 ˙ 汽，經過各級噴嘴和動葉柵的流道完成二次能量轉換，這條汽道叫做通流部分）。 C 軸功率 從內功率中扣除外部損失消耗后的功率，叫做軸功率，它表示汽輪機軸端輸出功率，是可以被利用的功率，所以也叫有效功率。 D 汽輪機的效率 效率是衡量經濟性的重要指標，由于汽輪機實際工作有各種損失，所以熱能并不能全部轉變?yōu)楣?。實際發(fā)出的功率與理論上應發(fā)出的功率之比，就是汽輪機的效率，叫做相對效率。 相對內效率：內效率與理想功率之比叫做相對內效率，它說明內部損失的大小。 相對有效效率：汽輪機的軸功與理想功之比叫做相對有效效率。 有效效率明汽輪機內部及外部損失的大小，表示汽輪機的綜合經濟指標，汽輪機的功率越大，有效功率就越大，有效效率就越大。實際工作中還用實際有效汽耗率表示汽輪機的經濟性．汽耗率，它表示單位軸功率所消耗的蒸汽量。 實際上用的汽輪機汽耗率是用實驗或計算的方法求得。 汽輪機的機械效率反映了汽輪機在機械方面的工作效能，它是軸功率和內功率之比，一般為 ~。 第三節(jié) 離心式壓縮機、汽輪機運行有關概念 一 臨界轉速 ˙ 26 ˙ 我們知道，任何一個振動系統(tǒng)都有自己固有的自振頻率，在一個初始干擾力作用以后就會以一種固有的振動頻率產生振動。如果一個周期性的干擾力是自始至終作用在系 統(tǒng)上，就會迫使其作強迫振動，振動的頻率等于干擾力的頻率。如果干擾力的頻率恰好等于系統(tǒng)的自振頻率，那么振動將隨時間的增加而迅速增加，在無阻尼的情況下，振幅會無限的增加下去，這種現(xiàn)象就是共振。壓縮機轉子就是一個共振系統(tǒng)，本身有自己的固有自振頻率。在運轉的過程中總會受到一些干擾力的作用，如氣流力、增速器傳動齒輪的作用力、相鄰氣缸轉子不對中時聯(lián)軸節(jié)傳來的作用力以及轉子本身殘余偏心產生的旋轉離心力等，這些力都是周期性的，并會以一定的頻率作用在轉子上。在這些干擾力中轉子殘余偏心產生的離心力對橫向振動影響最大。這個離心力 與轉速的平方成正比，使轉子做橫向強迫運動。其振動頻率恰好等于ω。當轉子達到某個轉速，這種強迫振動頻率恰好等于轉子自振頻率或是其整倍數(shù)時，就發(fā)生共振，振幅就隨時間的增加而迅速增加，這個轉速就是轉子的臨界轉速。 圖 13 轉速在第一臨界和第二臨界轉速之間的轉子稱為柔性軸，工作轉速低于低于第一臨界轉速的轉子為剛性軸。美國 API 標準對臨界轉速以及運行轉速和臨界轉速之間的隔離裕度有嚴格的規(guī)定說明。 ˙ 27 ˙ 由于在臨界轉速下 運轉時轉子振動振幅很大，工作不穩(wěn)定，所以如果運行時間較長，會引起軸和密封損壞及動、靜部件相碰等嚴重事故。因此不允許轉子在臨界轉速附近的轉速范圍內運行。對柔性軸來講，開車時必須迅速越過臨界轉速，這樣才不會發(fā)生危險。 二 旋轉脫離、喘振 離心壓縮機的運行有一定的穩(wěn)定工作區(qū)。由于實際上常在變工況下運行，有時就會偏離工作區(qū)運行而出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，從而對機器設備造成危害。比如當氣流小于一定值時，會發(fā)生旋轉脫離，此時工況將是不穩(wěn)定的；如進一步減少流量，則會發(fā)生喘振，這時會產生強烈的氣流脈動和周期性震蕩；當流量增大到一定值時 ，又會出現(xiàn)堵塞或滯止工況，這時流量不可能再增加。由于喘振在以后大機組運行時最重要的，我們將較多地介紹其有關內容。下面就對旋轉脫離、喘振分別予以介紹。 1 旋轉脫離 離心壓縮機在設計工況運行時，氣流的流動方向與葉片的安裝角基本一致，無論是葉輪還是葉片擴壓器，氣流均能順利地進入流道，不出現(xiàn)（或略微產生）邊界層分離現(xiàn)象，如圖 614 所示。當流量增大時，進氣角增大，如圖所示，氣流射向吸力面，在工作面上將產生氣流邊界層分離現(xiàn)象。由于工作面出口處速度增加，壓力降低，使邊界層分離現(xiàn)象有些收縮，而不擴大，在這種情況下，工況 仍然是穩(wěn)定的。 但當流量減小時，進氣角隨之減小，這時氣流射向壓力面，在吸 ˙ 28 ˙ 力面上將產生邊界層分離現(xiàn)象；同時由于吸力面出口處，速度降低，壓力增加，存在逆向壓力差，從而使分離區(qū)進一步擴大，如圖所示。當流量小于一定值時，分離區(qū)會很快擴大，甚至充滿某幾個葉道，這時局部流通面積堵塞，氣流不能順利流過葉道，甚至局部出現(xiàn)倒流，工況將出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱作失速。 圖 14 變工況時流道中的分離現(xiàn)象 由于氣流的不均勻性以及葉片幾何參數(shù)不可能 完全相同（由于葉片型線加工情況和安裝情況不可能完全相同），當流量小到一定值時，葉道中氣流邊界層的分離不可能在所有葉片表面上一下子同時發(fā)生，而總是在一個或幾個葉片上首先發(fā)生，形成了一個或幾個脫離團。如圖15 所示，假定葉道Ⅱ最先產生脫離團，因而流入該葉道的氣流受到阻礙，而向相鄰葉道偏轉，使流入葉道Ⅰ的氣流角增大，流向葉道Ⅲ的氣流角減少，于是解除了葉道Ⅰ內的氣流脫離，而使葉道Ⅲ內出現(xiàn)脫離團。流入葉道Ⅲ的氣流中又將發(fā)生偏轉；偏轉的氣流不斷使它前面的葉道解除脫離，而使后面的葉道形成脫離，出現(xiàn)脫離團的傳播。脫離團相對葉 輪來說，是和葉輪旋轉方向相反的方向旋轉移動，但由于旋轉移動速度小于葉輪旋轉速度，所以在絕對運動中，分離團移動方向與葉輪旋轉方向相同，這種現(xiàn)象稱作“旋轉脫離”。 ˙ 29 ˙ 圖 15 旋轉脫離的形成 擴壓器中也同樣存在旋轉脫離。帶葉片擴壓器的壓縮機，一般是在葉片擴壓器中最先發(fā)生旋轉脫離，如果是無葉擴壓器，則在工作葉輪中先出現(xiàn)旋轉脫離。 旋轉脫離現(xiàn)象的出現(xiàn)，使級進出口壓力、流量等參數(shù)產生強烈脈動，且對葉片產生了周期性的交變作 用力，導致葉片振動。 2 喘振 (1) 喘振的概念 喘振是離心式壓縮機本身固有的特性，而造成喘振的唯一直接原因是進氣量減小到一定值。 從前面我們已經知道，當氣量減小到一定程度時，就會出現(xiàn)旋轉脫離，如這時 進一步減小流量，在葉片背面將形成很得的渦流區(qū)域，氣流分離層擴及整個通道，以至充滿整個葉道，而把流道阻塞，氣流不能順利的流過，這時流動嚴重惡化，壓縮機的出口壓力會突然大大下降，由于壓縮機總是和管網系統(tǒng)聯(lián)合工作的，這時管網中的壓力不是馬上減低，于是管網中的氣體壓力就反大于壓縮機的出口處的壓 ˙ 30 ˙ 力，因而管網中的氣體就 倒流向壓縮機，一直到管網中的壓力下降到低于壓縮機出口壓力為止，這時倒流停止，壓縮機又開始向管網供氣，經過壓縮機的流量又增大，壓縮機又恢復到正常工作。但當管網中的壓力恢復到原來壓力時，壓縮機的流量又減少，系統(tǒng)中的氣流又產生倒流，如此周而復始，就在整個系統(tǒng)中產生了周期性的氣流振蕩現(xiàn)象，這種現(xiàn)象就稱作“喘