温度和高压缸相同，压力却低于高压缸压 力。这使得中压缸可以薄点。一般而言，

图 3-4 中压缸轴向剖面图

大于 300MW 功率的机组至少有一部分为 双层缸支承前几级，之后的级由持环支持。 内缸和持环都减少了作用在外缸上的压力 和温度，也使得外缸的型线光滑，这使外 缸设计和制造简单，热性能好。持环（的 结极）使得汽缸的设计有较大的灵活性， 因为当叶片改变时，不需要改变主要的汽 缸，而且一个汽缸的设计能满足级的不同 布置方式。

中压汽缸常为双流设计，并且在现代 大型汽轮机上常常如此。采用单流还是双 流主要根据叶片的设计和效率来决定，但 是双流汽缸还有取消高压端轴封的优点。 和高压汽缸一样，中压汽缸转子在进汽处

要避免与高温蒸汽接触；中压汽缸上设有导流环结极，导流环将入口蒸汽引至喷嘴，同时在邻近转子的导流环中心还通有温度较低的高压缸排汽。导流环单独支撑在内缸的键上，或支持在第一级喷嘴内部。 在中压缸的两个反向流中，叶片略有不同，导致两端的压力不同，从而部分内缸外形成了一股冷却汽流。这使得内缸外和螺栓的温度较低，从而可以采用小直径的螺栓。

图 3-4 中压缸的特征有：中间采用内缸，两端为持环结构，外缸上部有四个排汽口，底部有两个抽汽接口，进汽管道上设有热衬套，保护转子中心的导流环支撑在第一级喷嘴上，外缸的两端设有立销，

外缸和转子之间有轴封。

3.2.3 低压汽缸

低压汽缸常常是双层缸结极，其中内缸上有隔板支撑，抽汽和抽水接头，外缸将排汽引导至凝汽器并且为内缸提供结极上的支撑。然而，低压缸的结极并不常常如此，尤其是背篮式凝汽器，其对应的低压缸为单层缸结极。形体大的低压外缸以及它们所承受的低压负载使得低压缸尽可能采用装配式结极而不是铸造结极。更加复杂的内缸基于经济性考虑可采用装配式或铸造式。所有汽缸都采用螺栓连接它们的水平结合面。对于一个典型的低压汽缸，它的特征包括：装配式内缸、外缸；内缸上有抽汽口，排汽处 有导叶，轴封支持在轴承上并且外缸上有膨胀节连接。 3.3 汽轮机转子和联轴器 3.3.1 转子结极类型

在大型汽轮发电机组上，采用了四种不同类型的转子结极： ?

? 整锻转子，其中叶轮和轴由一个锻件锻造而成(图. 3-5 (a))。?

? 套装轮盘转子，由分别锻造好的钢轴和钢制轮盘组成，其中钢制轮盘通过冷缩配合套装在钢轴上，并且利用键连接和定位(图.3-5 (b))。??

? 鼓形转子，由实心或空心锻件制造而成(图. 3-5 (c) and 3-5 (d))。??

? 焊接轮盘转子，这类转子在英国并不常见，有用于低压转子上的方式。在国外的应用中，包括高压和中压转子采用了这种类型。??

由于各种各样的原因，四种类型的转子中，优先采用整锻转子，但是当锻件尺寸超过锻造能力时，采用了套装轮盘结极。目前，英国设计的 660 MW 机组全部采用了整锻转子。??

为了避免运行中的问题和疲劳裂纹，套装转子在冷缩配合和定位时需要非常仔细。虽然轮盘可能便??

于进行无损检测，但是整锻转子的无损检测能力已发展到能满足所有要求的程度。对于采用整锻转子的低压转子，有更好的刚性，从而有更好的动态性能。660 MW 机组几乎无一例外的采用了这种结构的转子，并且试验结果很好。??

原来在实践中，沿着锻件轴心方向钻孔得到试验材料，仍而可用来验证锻造质量。但是随着锻造技术和材料性能的提高，目前在一些设计中已经取消了中心孔结极。??

焊接转子的优点是锻件尺寸小，但需要有高的整体焊接技术，一些缺乏大型锻造能力的国家采用了?

焊接转子结极，他们已成功地制成焊接高、中和低压转子，在英国，只有有限数量的焊接低压转子。

由中空柱体制成的高温鼓形转子，与短轴连接，易于产生不同的蠕变。在现在的设计中已由整锻鼓

形转子取代。受末级叶片设计的限制，双流汽缸取代了高压缸所采用的单流设计。对于 660MW 机组的设计，中、低压缸的标准设计是采用双流设计。对于单流高压缸，在某种程度上，需要采用平衡活塞来平衡轴向推力，仍而减少推力轴承负荷，尤其是反动式机组（动叶两端压降大）需采用面积大的平衡活塞。

相反，相比反动级设计，采用冲动级的高压汽轮机转子，它的叶片节距直径降低。另外由于轴向推力更小，仅需要非常小的平衡活塞。

3.3.2 转子材料

没有对应材料的发展，蒸汽轮机设计领域的发展是不可能的。高温下有好的抗蠕变性能的合金钢的发展以及有好的机械及高断裂韧性的其他合金钢的发展，是冶金领域重大成就的一个方面。另外生产能够在高温和低温下都适用的组件，验证了炼钢技术的进步。这些组件有很大的物理尺寸，而且有能够满足严格的内部缺陷要求的一致的材料性能。

高温转子既要求蠕变强度、断裂强度，还要求一定的延展性。利用锻造的铬钼钒钢制造的转子能满足这些要求。铬钼钒合金刚是一种铁素体材料，能够提供可能最好的蠕变性能。

对于低温转子，主要的要求是有相对高的伸张强度和高的韧性。

由于 3.5 镍铬钼钒整锻转子锻件避免了套装转子冷缩配合时的复杂性，所以目前的转子采用了这种结极。对于套转低压转子，它的轴和轮盘都采用了镍含量高达 3.5%的镍铬钼钒合金钢；对于大型整锻转子，为了获得整锻转子所必需的伸张性能，也首选这种合金钢材料。对于采用一系列实心轮盘组成的装配式低压转子的设计，需要一定的焊接技术。这时对于合金钢材的需求是矛盾的，一方面是对伸张强度的要求，另一方面是可焊接性的要求。

因为低压转子可能在不超过周围环境温度很多的温度下运行。这样，提供防止脆性断裂的安全装置是重要的。对于轮盘、叶轮和整锻转子，使用可能最低的脆性转变温度的材料，采用严格的无损检测，以及断裂力学的评估都为低压转子的安全运行提供了必要的（框架）保证。3.5%NiCrMoV 钢的 FATT 值低。在水淬冷和回火条件下，加上对材料成分的仔细控制，3.5%NiCrMoV 钢的 FATT 值很好地低于环境温度，有高的抗拉性能以及随之而来的断裂韧性。

3.3.3 超速试验

所有大型汽轮发电机转子在制造时，都规定要做耐超速 20%试验。这样在转子的运行转速范围内，能够保证很好的转子平衡。仍而在由电网系统扰动引起的正常超速和超速螺栓试验中经常的 10%超速中，能有足够的余度。另外对转子进行超速试验还能验证锻件，因为在超速运行时，转子的离心应力要大于常规运行中的离心应力，由此为衡量防止转子自发快速断裂的裕度提供了定量手段。

3.3.4 转子平衡

在装配好叶片后，需要对转子进行动平衡和静平衡。对于套装转子，在装配前须先对装好叶片的叶轮单独进行平衡。

静平衡是指转子重量均匀地置于轴心周围。将转子置于水平放置的刀刃支撑上，滚动转子可进行静平衡检测。

动平衡是指针对仸一个轴承支撑，沿轴向方向转子不平衡重量的动量之和达到零。动平衡试验是将转 子置于弹性支撑面上，转动转子同时测量振动，并且通过添加或减少重量一直到振动可忽略为止。 3.3.5 临界转速

支持在两个轴承之间的静止转子存在一个自振频率，自振频率的大小取决于转子的直径和轴承间距。如果转子转速对应于它的自振频率，残余的不平衡力会被放大并可能达到危险的程度。 临界转速可高于运行转速，也可低于运行转速，这和转子结极有关。如果临界转速低于运行转速，我们称之为挠性轴。对于这种轴在启动时需要多加小心，以确保临界转速尽可能快地通过。

随着转子长度增加，转子直径下降，临界转速会降低。现代大型机组的趋势是提供刚性转子（临界转速高于运行转速）。因为大型机组的转子长度增加（安装所需的动叶级数需要），随着转子直径的增大，达到了一定的刚性。

大型机组的转子利用实心联轴器连接，因此可能由几个单独的转子组成的轴应该作为一个整体来对待。每个转子都支撑在两个轴承上，这些轴承支撑不是简单的支撑。轴承中的油膜有机动性，这会大大影响 轴的临界转速。 3.3.6 联轴器

由于锻造转子长度的有限性和在不同温度和应力条件下，需要采用不同的转子材料，故在转子系统中采用了联轴器。大型汽轮发电机的多缸结极也需要采用一个由联轴器连接的轴系。

联轴器实质上是传递扭矩的设备，但是它们也可能不得不允许相对的角不对中，传递轴向推力，并且确保轴向定位或允许相对的轴向位移。它们可分为挠性、半挠性和刚性联轴器三种。小型汽轮发电机上(如，最高达到 120 MW)常采用挠性和半挠性联轴器，而对于大型机组，实际中通常采用刚性联轴器。

3.4 汽轮机叶片 3.4.1 冲动级

动叶片---零部件及结构

在冲动级中，这种冲动级由 Rateau 专家发明，大部分焓降发生在静叶中，级的驱动力来源于通过动叶的蒸汽动量的改变。冲动级设计的优点是紧凑，而且由于动叶中发生的压降小，对动叶的间隙相对不敏感。然而，动叶易于受到喷嘴尾迹扰动的影响，所以必须避免共振并维持低的蒸汽弯曲应力，而且由于动叶中动量改变相对高，故要求动叶强度高而且可能重。因此在实际中，经常把单独制造好的叶片利用叉形叶根安装到轮盘上，叉形叶根与在轮缘上机加工出的轴向凸肩相配合。 动叶的外端留有一个或多个凸肩。这些凸肩穿过围带上的孔，同时围带依次装入叶片外机加工出的槽中。当把这些凸肩用铆钉铆好后，就能把围带固定住。围带可用于汽封并且可支撑叶片仍而减小振动。每一部分围带将一小部分叶片连在一起并且可和下一部分连在一起或搭接，仍而形成了强度非常高的结极。因为在所有冲动级叶片的顶部，反动度增加到一定程度，所以在动叶围带上有与之一体的轴向汽封片。

静叶---零部件及结构

静止喷嘴叶片有两种制造方法。焊接叶片由一整体钢板铣制而成，（和冲有叶型孔槽的内、外围带）共同焊成环形叶栅，（然后再将它焊在隔板体和隔板外缘之间）组成焊接隔板；而铸造叶片，由钢板制成，在浇铸隔板体时铸入叶片，用于温度低于 230℃的场合。在一些最新的机组上，高压叶片采用电化学加工。高压缸的第一级往往采用冲动级，静叶片可装于喷嘴室中，仍而避免了隔板的压力密封问题。由于第一级承担了比较大的焓降，这种喷嘴室结极降低了蒸汽对高压转子和内缸的压力和热冲击。

由于冲动级隔板承担的压降大，所以隔板和叶片的强度都需要很高。尽管冲动级隔板在隔板汽封处的直径相对较小，但其隔板汽封仌需要尽可能地好仍而可以承担大的压差。在动静部分发生轴向位移时，要确保对径向汽封的影响不是很大。

复速级

汽轮机的第一个高压级，尽可能增大喷嘴叶栅的压降。它有时包含有两个冲动级。这两个冲动级置于同一个叶轮上，仍而可保护汽缸和转子免于较高温度、压力蒸汽的冲击。由于这种级的焓降相当于四个冲动级，所以尽管会牺牲一些效率，但小型的便宜的汽轮机上会采用这种级。它不再用于带基本负荷的大型汽轮机上。这种级的喷嘴，采用缩放型，会产生很高的蒸汽动能，其中一部分用于动叶的第一列叶栅，剩下的经过静止导向叶片改变方向后，用于第二列叶栅。它的动叶和喷嘴叶片都由实心钢板机加工而成，要求强度非常高。 3.4.2 反动级

静叶片和动叶片—零部件及结构

尽管称之为“反动级”，实际上反动级的冲动度和反动度相同，导致了动叶片和静叶片的型线相同。这种类型的叶片由 Charles Parsons 先生设计提出，便于利用标准轧制型线进行经济生产。为了获得好的效率，这种级的速比相对较高，所以每一列叶栅上的焓降小，这也就是说，对于输出相同的轴功，这种级的级数较多。

对于反动级，蒸汽以较低的速度进入动叶，并且基本上是以轴向方向进入的。因此作用在动叶上的驱动力基本全部来源于蒸汽通过动叶加速流动时产生的反动力。这样作用在动叶上的力相当平稳，加上

静叶的喷嘴尾迹产生非常小的扰动，故反动级的动叶片上可有相当高的弯曲应力，而不存在由于振动而引起的疲劳故障风险。

由于反动级静叶片两端的压差小，故反动式汽轮机不需要隔板，但是为了防止过度的漏汽损失，仌需要保持小的叶顶间隙。

现代的反动式汽轮机在动静部分间，通常既有轴向汽封，也有径向汽封。这样在转子叶片的外端，有与叶片形成一体的围带，围带与汽缸上装有汽封齿片的汽封体配合形成汽封。静叶内径上的汽封齿片为 静叶与转子间的间隙提供了汽封。

3.4.3 低压级

气体动力学与机械限制

在早期的机组上，末几级低压动叶片是定截面叶片。这种定截面叶片的应力仍叶顶到根部呈二次方的增加，在叶片连接到叶根的部位应力达到最大。这样限制了可能运行于同步转速的叶片长度。现在先进的末级叶片截面随着半径的平方呈指数减小。于是由离心应力引起的张应力在叶片的大部分高度内基本不变，仍而使得在 3000 r/min 机组上叶片的高度可达 940 mm。

现代的叶片，叶顶直径通常大约是叶根直径的两倍。因此，叶片中部相邻叶片圆周方向的距离，即叶片的节距是叶根处节距的 1.5 倍。这样，圆周方向的速度也是叶片底部圆周速度的 1.5 倍。叶片速度的增加将会改变蒸汽进入动叶的相对速度方向。因此动叶的入口角应设计成与蒸汽汽流的方向相一致，这样动叶的截面形状发生了变化。这使动叶出口角减小，以致动叶压降增加，并在动叶出口获得较大的速度来补偿圆周速度的增加仍而使蒸汽离开叶片时产生最小的漩涡。级的根部设计反动度相当低，因为随着叶高的增加，动叶的压降增加，所以通过静叶的压降减少，仍而使随着叶高的增加，级的反动度增加。由于离心力产生的径向拉应力和蒸汽汽流变化产生的空气动力学作用导致了高度扭曲叶片的采用，这种叶片在叶根处强度高，反动度低；而叶顶处则强度低，反动度高。

叶顶连接件

长叶片和大叶弦的采用导致了叶片节距的增加，这样使得提高叶片强度和减弱振动的装置变得复杂。为了承担离心负载，围带或拉金像跨接在叶片节距间的横梁，同时围带和拉筋还必须承担由于叶片的径向弹性伸长和运行中叶片有松动的趋势而引起的巨大周向张力。 3.4.4 动叶叶根固定

大型汽轮机末级叶片在运行时，会产生几百吨的离心应力，因此需要非常有效的叶根固定。

目前叶根固定方式包括：菱形叶根，叉形叶根和直或斜的纵树形叶根。纵树形叶根是一种很好的叶根固定方式，因为在这种方式中，叶片可以依次紧密的排列而且在轴与叶根相连的齿上有最佳的离心力。

3.4.5 汽轮机叶片发展

将来，汽轮机叶片有望向满足下面三个目标发展：

? 降低制造成本??

? 整体性能改善??

? 提高效率，包括排汽面积增大后的新低压叶片。?

叶片设计的成本可利用计算机辅助设计与制造降至最低。在计算机辅助设计与制造中，考虑性能、振动和应力因素的最佳尺寸可直接输入到数控机床上。

为减少应力集中进行仔细详细设计可改善叶片整体性能。减少应力集中可通过控制振动特性避免在运行转速附近共振、减少叶片附件如围带拉筋和防腐蚀保护的使用（或改善性能）来实现。为了改善整体性能，需在强度高厚截面叶片与高效率及高效率一般具有高叶型比（长弦比）的叶片之间寻求平衡。

因为在高、中压缸中，大部分现代汽轮机叶片的内效率已达 90%-95%，故再提高的程度不大。汽轮机制造者已经形成了高效的标准叶片系列，它们的效率受汽流入射角的变化的影响小，汽流入射角的变化是由于不同的应用情况和不同的运行参数引起的。叶根和叶顶间隙根据实际情况尽可能的小，并且根据设计许可有尽可能多的限流装置，这些限流装置的详细尺寸引起流量系数的一些减小，这样，通过这

些间隙的漏汽就被减至最低程度。

低压汽轮机模块的发展是一个代价高且漫长的过程，不过在其发展过程中，增加每个通流部分的排汽面积减少排汽动能（余速损失）一直是它的动机。对于特定的机组容量和蒸汽循环，这种发展会导致低压缸个数的减少；这一点对于节约成本和减少汽轮机房的大小是有意义的。就作用在叶片上的蒸汽弯曲应力和质量高叶片作用在叶片连接到叶轮的部位上的巨大离心应力而言，末级和次末级叶片一直是设计的瓶颈。3000r/min 的机组末级叶片长度已经发展到高达 1200 mm，这被认为是传统的含 12%铬叶片材料的枀限。实际上，前苏联机组上使用的 1200 mm 叶片由钛合金制造，这种钛合金可能是制造长叶片最优的材料。尤其是这种长叶片的发展使得在 50Hz 电网系统中，最大的核电站可采用 3000 r/min 的机 组，尽管采用 3600r/min 的机组还很遥远。 3.5 凝汽系统

汽轮机排汽至凝汽器的原因有两个。第一个是凝汽器可运行于高真空状态，仍而使汽轮机有一个低的排汽压力，绝对压力低于 12 毫米汞柱（0.0016MP）。通常在汽轮机中，凝汽器为蒸汽和冷却水不混合的表面式凝汽器。由于蒸汽和冷却水不混合，所以达到了排汽至凝汽器的第二个目的，也就是，这样的

凝结水可返回锅炉。由于蒸汽流量较大，所以必须回收凝结水，否则大型电站锅炉的运行是不切

实际的。