设备丨冲动式还是反动式？8个方面区分两类汽轮机特点
这一期，我们专门针对两种常见的汽轮机种类，做一个专项对比，从而帮助大家更好的掌握和区分两种汽轮机的相关知识。
1.冲动式与反动式汽轮机简介
国内冲动式汽轮机源于上世纪五六十年苏联援助我国的发电用汽轮机技术，其产品在定功率、定转速、定参数的电力领域应用相对成熟，在变转速、变工况条件下冲动式汽轮机的调速范围比较窄。冲动式汽轮机主要适用于发电。
国内反动式汽轮机采用引进的西门子汽轮机技术，产品广泛应用于炼油、煤化工、冶金等流程工程领域。适用于驱动离心压缩机、轴流风机、给水泵等设备。机组对各种变转速、变功率的工况适应能力较强。反动式汽轮机可以根据用户的非标参数量身定制，能满足被驱动设备各种工况下的运行需要。
2.两种叶片特点及工作原理
冲动式汽轮机
冲动式叶片特点：
动叶片出、入口侧的横截面相对比较匀称，气流通道从入口到出口的面积基本不变。
冲动式叶片工作原理：
在冲动式汽轮机中，蒸汽在汽轮机的喷嘴中（静叶栅）内膨胀加速，压力变低，并从喷嘴喷出，在流动动叶片时压力和速度保持不变，只是改变了汽流方向，因此，对动叶片产生了一个冲动力，叶轮在这个冲动力的作用下旋转做功。
反动式汽轮机
反动式叶片特点：
动叶片出入口的横截面积不对称，叶型入口较宽阔，出口较窄，气流通道从入口到出口呈渐缩型。气流在动叶片中不但改变方向，而且做功加速。
反动式叶片工作原理：
蒸汽在汽轮机的喷嘴（静叶栅）内被降压、膨胀和加速，在动叶栅内被进一步降压、膨胀、加速。因此动叶栅不单受出口高速汽流的冲动力作用做功，自身也将蒸汽的内能转化为动能做功，叶轮在蒸汽的冲动力和反动力的联合作用下旋转做功。
3. 两种汽轮机效率对比
冲动式汽轮机的效率曲线呈抛物线形，反动式汽轮机效率曲线呈指数型分布。
在功率、转速都有变化的变工况条件下，冲动式汽轮机的效率曲线下降幅度较大，反动式汽轮机的效率曲线趋于平缓变化不大。
因此，在石油、化工等流程工业领域反动式汽轮机长期运行效率要明显高于冲动式汽轮机。在定功率、定转速条件下两者效率相差不大。
4.冲动式转子与反动式转子
冲动式汽轮机转子一般为细直轴，转子为轮盘结构，有固定的震动频率。其力学性能适用于定转速、定功率的发电用汽轮机。
反动式汽轮机转子为整锻式，联轴器对轮也与转子一体锻造。转子上镶有不调频动叶片，在宽广的变速范围内均能保持极小的震动和优良运行稳定性。
5.冲动与反动叶片镶嵌方式对比
冲动式动叶片通过铆钉镶嵌在轮盘上，轮盘通过红套（热装法）套装在汽轮机转子上。整体通过轮盘平衡孔和极间间距的调整调节汽轮机的共振频率。
反动式不调频动叶片通过叶根直接镶嵌在汽轮机转子上，省略轮盘结构避免了共振频率的发生，使得转子的动平衡性能得以极大地提高。同时使转子动叶片的整体强度得到增强。
6.两种叶片围带镶嵌方式对比
冲动式汽轮机围带通过铆钉和动叶片连接，易产生共振断裂等情况。反动式汽轮机为动叶片自带围带，通过离心力加紧自带围带间的衔接，使得叶片在高速旋转下的紧固性得以保证。
随着汽轮机技术的发展，少数冲动式汽轮机厂家也开始采用整体式围带加强其性能。围带的作用主要是增加叶片的刚性，减少蒸汽从叶顶处损失，改变叶片的自振频率从而避开共振。
7.冲动与反动末级扭叶片拉金方式对比
冲动式汽轮机末级扭叶片一般无拉金或采取整条拉金结构，末级叶片受力较大，易造成叶片变形或断裂。
反动式汽轮机末级扭叶片采取分段式锥形拉金结构，该结构下的拉金在高速旋转的离心力作用下分段支撑末级扭叶片，使其具有足够的强度支撑叶片造型，从而保障扭叶片长期稳定地运行。
8.冲动与反动做功级数对比
在相同工况条件下，反动式汽轮机级数明显多于冲动式汽轮机级数。这使得反动式汽轮机整体结构紧凑，转鼓级级间间距减小，通流能力高，转子出力大。而且较多的级数也使汽轮机的焓降分配更加均匀，热能的转化将更加充分，所以能量的利用率也比较高。
文章来源：晋丰煤化
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《 汽轮机原理》
汽轮机零件强度与振动 § 6-1
叶片强度与振动 一，叶片强度
汽轮机的动叶片在工作时，作用在其上的力主要有两种： 一是叶片随叶轮高速旋转，要承受叶片自身和围带、拉金的质量所产生的离心力，从而产生拉伸应力； 二是蒸汽通过叶片通道时产生的汽流作用力，以产生弯曲应力。 离心力除了产生拉伸应力之外，当离心力不通过计算截面形心时，由于偏心，还会产生弯曲应力。 从喷嘴流出的汽流是不均匀的，对叶片形成的激振力，引起叶片振动，产生弯曲应力和扭转应力。离心力和汽流力作用点与弯曲中心不重合将引起扭转应力。 另外，在机组启动、停机和负荷变动时，由于受热不均匀而存在温差，叶片还产生热应力。
在进行叶片强度校核时，应分析各种不同的级有不同的最危险工况，选择其最危险工况进行分析计算。例如： 调节级的危险工况是第一调节阀接近全开而第二调节阀尚未开启时； 低压级的最危险则在最大蒸汽流量及真空最好之时； 中间级是在最大蒸汽流量时最危险。 高压级处于高温下，须考虑材料的热稳定及蠕变问题； 低压级处于湿蒸汽区，应考虑湿汽的冲蚀问题。
总之，在进行叶片强度校核时，必须根据其危险工况及工作条件，选定适当的许用应力，以保证叶片的安全。 （一）叶片的拉伸应力
叶片的拉伸应力是叶片作高速旋转时质量离心力而产生的。 1，等截面叶片
对于等截面叶片，沿高度各截面所承受离心力是逐渐增大，其应力也是逐渐增加的。现在在任意半径R处(图5—30)取一微段dR叶片进行分析，则该微段的离心力为：
F ——叶片截面积(
——叶片材料的密度(
———角速度(rad/s)，
n —— 转速(r／min)。
对于半径为R的截面，作用在该截面上的离心力用积分可求得：
由上式可知，最大离心力发生在根部截面。则等截面叶片叶根截面处的离心力和拉应力可表达式为
（5——1）
（5——2）
——级的平均半径(m)；
——叶片高度(m)。
若用径高比
代入上二式，且平均轮径处叶片的圆周速度
，则以上二式可以改写为
（5——3）
（5——4） 由以上公式可知，等截面叶片根部的拉应力只与
有关，而与叶片截面积无关。也就是说，增加等截面叶片截面积并不能降低叶片的根部拉应力。在圆周速度和径高比不能改变的情况下，采用密度较小的材料可以减小叶片的质量（拉应力）。
2．变截面叶片
对于径高比
＜10的级为长叶片级。对于长叶片，如果采用等截面叶片，则叶片叶根拉应力会很大，无法满足强度要求。为了减少离心力，把叶片做成变截面形式。变截面叶片在任意半径R处的截面所承受的离心力为
（5——5）
离心拉应力为
（5——6）
上式表明，变截面叶片离心力不仅与
有关，还与叶片截面沿半径变化的规律F(R)有关。
在变截面叶片中，离心力引起的拉伸应力不一定在根部截面是最大。一般来说，应通过计算才能确定最大拉伸应力所在截面。
变截面叶片截面积沿半径R的变化规律，一般难以用解析式表示。根据面积沿叶高的
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汽轮机本体结构特点
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汽轮机本体结构特点
官方公共微信[发明专利]具有围带和凸台拉金结构汽轮机叶片的测试装置有效
申请/专利权人：
公开/公告号：CNA
发明/设计人：;;
公开/公告日：
主分类号：
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【说明书】：
参见图3（a）和（b），试验台架由底板1和焊接在其上面的两个侧板2组成，两个侧板2对称焊接在底板1，侧板2上焊接有第一组加强筋3，同时两个侧板2上面焊接有横梁4，用以提高侧板2的刚度。底板1放置于基础平台上，叶根固定装置和装位移传感器的传感器支架竖杆36通过螺栓固定在底板1上。侧板2上开有槽孔5，用来固定两个加载装置和激振装置。槽孔5的边缘上刻有刻度，以方便调整加载装置和激振装置。参见图4，叶根固定装置由底座10、对称焊接在底座10上的两个轮槽11、基座夹块12、两个吊耳13和第二组加强筋14组成。底座10通过螺栓固定于台架底板1上，两个轮槽11之间具有与汽轮机叶片的叶根9外形轮廓相对应的轮缘齿面，汽轮机叶片的叶根9放置在轮缘齿面内，若干基座夹块12和第二组加强筋14均是用来减小叶根固定装置变形的。对汽轮机叶片进行测试中，用千斤顶17将叶根9顶起来模拟叶根9实际受到的径向载荷，所施加力的大小可以通过应变测量块16读取到，施力垫块15放置于应变测量块16上，直接和叶根9底部接触，两个吊耳13可以方便对叶根固定装置进行起吊。参见图5（a）至（c），加载装置包括盘面19、加载顶块21、加力螺栓22、静态力传感器23和两个对称设置的加载盘支撑24组成，加载盘支撑24的底部设置有有用于加强其强度的第三加强筋45，此处需要说明的是，围带加载装置和凸台拉金加载装置结构完全相同。加载装置通过加载盘支撑24和紧固螺栓固定于台架侧板2上，侧板2上的槽孔5用来调整加载装置的高度，同时，槽孔5的边缘上刻有刻度，起到方便调整加载装置的作用。盘面19放置于两个对称设置的加载盘支撑24上，通过通过螺栓穿过其周向设置的若干盘面弧形螺栓槽20与两个加载盘支撑24松连接，以便加载时盘面19可以发生转动。与汽轮机叶片围带面和凸台拉金面直接接触的是一对加载顶块21，一对加载顶块21通过螺栓固定于盘面19上。顶杆27固定于加载顶块基座28内，通过配合调整调节螺栓25，可以实现顶杆27缩短与伸长，以适应不同的叶片和围带和凸台拉金。顶头26通过螺纹配合和顶杆27相连接。每一个加载顶块21均包括顶头26、顶杆27、加载顶块基座28和两个调节螺栓25，其中，加载顶块基座28具有一个水平通孔，顶杆27穿过该水平通孔，顶杆27的周向设置两个调节螺栓25，其位于加载顶块基座28的两侧，顶头26通过螺纹连接在顶杆27的顶端，顶头26前端面为半圆面，以适应不同角度的汽轮机叶片围带面和凸台拉金面。加载时，通过两边同步调节加力螺栓22，盘面19受到来自加力螺栓22的力而发生转动，加载顶块21在未加力之前与围带面和凸台拉金面是接触的。盘面19的周向设置有用于对盘面19提供周向扭矩的一对扭矩调节装置，每一个扭矩调节装置的一端与盘面19铰连接，其另一端与侧板2上的槽孔5相连接，每一个扭矩调节装置均包括一个用于显示周向扭矩的静态力传感器23和加力螺栓22，其中，静态力传感器23的一端与盘面19铰连接，其另一端与加力螺栓22相连接，加力螺栓22与侧板2上的槽孔5相连接，并通过旋转加力螺栓22实现对汽轮机叶片的围带或凸台拉金提供周向扭矩。当盘面19发生转动时就会对汽轮机叶片围带6或凸台拉金7施加扭矩，扭矩的大小可以通过静态力传感器23读取并计算得到。参见图6（a）和（b），激振装置包括激振器支架平板29、垂直于汽轮机叶片表面的直板33和激振器35，激振器支架平板29具有对称设置的激振器支架立板31和凹槽32，其中间设置有若干用于调节激振器35水平方向的角度的支架弧形槽30，且在激振器支架平板29底部设置有用于加强其强度的第四组加强筋46，直板33的一端设置有若干用于调整激振器35的伸出长度的直槽34，其另一端设置激振器35，直板33和激振器支架平板29通过若干直槽34和若干支架弧形槽30活动连接，激振器支架平板29的两个凹槽32分别卡在两个侧板2上，并通过两个激振器支架立板31固定在侧板2上的槽孔5。激振器35和汽轮机叶片之间通过激振杆相连接，激振杆穿过垂直叶片表面的激振杆孔，并通过两边的螺母和叶片固定。参见图7（a）至（c），传感器支架竖杆36下端固定在底板1上，上端通过铰接的方式固定于横梁4上，以增加其刚度。传感器支架水平杆37通过传感器调节机构38和传感器支架竖杆36相连接。传感器调节机构38既可以调节竖直方向的高度，又可以调节水平方向的角度，传感器支架竖杆36从内套筒41穿过，可以保证传感器支架水平杆37能够上下自由运动，调节到合适的高度之后，通过紧固螺钉44将内套筒41竖直位置固定。松开水平锁紧螺母42，外套筒43可以水平转动，实现对传感器支架水平杆37角度的粗调。微调铰接机构40可以实现对于传感器水平角度的微调，调节好后将调节螺钉锁死。长度调节机构39则可以调节传感器支架水平杆37的伸长程度。为了对本发明具有围带和凸台拉金结构汽轮机叶片的测试装置进一步了解，现对其操作步骤做一说明。首先，将汽轮机叶片的叶根9固定在叶根固定装置上，按照预紧力要求拧紧相应的螺栓之后，开始用千斤顶17对叶根9施加压力，来模拟叶根9受到的离心力；其次，将激振器35调节到合理的高度，将激振杆和汽轮机叶片连接好；再次，分别调整围带加载装置和凸台拉金加载装置，分别将其固定在合适的高度，然后开始施加扭矩来模拟汽轮机叶片在受到离心力时所发生的扭转；接下来，调节所有的位移传感器到所要测量的位置，位移传感器和汽轮机叶片表面之间保持在1mm左右；最后，开始激振汽轮机叶片，通过调整激振器的力和频率，模拟不同运行工况下汽轮机叶片的受理情况，采用位移传感器测量其振动响应，通过数据分析以后获得其阻尼振动特性，为开发和利用具有围带和凸台拉金的汽轮机叶片提供重要参考数据。
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