透平机的关键零部件解析

（一）主轴承

1.主轴承的种类

主轴承根据其结构不同，又分为圆筒形轴承、椭圆形轴承、多油楔轴承和可倾轴承等。在中小型透平机中，多数应用圆筒形轴承和椭圆形轴承。

透平机是高速旋转的机械，随着功率的增大，转子的重力也在增大，为了保证轴承工作正常并且尽量减少摩擦功耗，透平机主轴承采用液压油润滑的滑动轴承。

2.主轴承的润滑原理

主轴承是采用压力供油方式进行润滑的，对润滑油质及供油温度都有一定的要求。润滑油除了能在轴颈和轴瓦间形成油膜，建立液体摩擦外，还能对轴颈进行冷却，带走因摩擦而产生的热量。同时，对轴承也是一种清洗，能把轴承在半干摩擦中产生的乌金^[1]粉末等带走。

轴承在运行中，按其润滑情况可分为干摩擦、半干摩擦、半液体摩擦、液体摩擦等四种情况。

转子在静止状态时，轴颈和轴承间不存在油膜，因而透平机转子刚转动时，轴承与轴颈属于干摩擦状态。

转子转动后，随着转速的增高，附着在轴颈上的油被带到轴颈和轴承之间，这时轴承与轴颈属于半干摩擦状态。

转子的转速进一步升高，轴颈和轴承表面大部分面积被润滑油层分开，这时轴承表面与轴颈间的摩擦属于半液体摩擦状态。

转子达到一定的转速后，轴颈和轴承间出现了稳定的、具有一定厚度的润滑油膜，这时在轴颈与轴承表面的摩擦是润滑油层之间的摩擦，属于液体摩擦状态。

研究轴承润滑的目的，就是要避免发生干摩擦和半干摩擦，减少半液体摩擦，使轴承处于良好的液体摩擦状态。

透平机的轴颈总是比轴承内径小，轴颈静止时落在轴承的最下方，如图2-1a所示。这时轴颈和轴承间形成一个楔形间隙，进入轴承中的润滑油充满了楔形空间，并渗透到轴颈下方，但在这里不形成油压。

图2-1 油膜形成示意图

a）轴颈静止时与轴承的位置 b）轴颈转动时轴颈中心变化轨迹

当透平机转起来之后，由于润滑油有黏性，贴在轴颈上的一层润滑油便和轴一起同速转动，这层油又带动下一层油一起旋转，轴承内的润滑油就这样层层带动旋转起来。但由于润滑油内层与层间内摩擦阻力的存在，从轴表面算起，由内到外，圆周速度越来越小，贴在轴承内表面上的油，其圆周速度为零。

轴转动的过程中，润滑油不断地被从楔形间隙的宽口部分带向楔形的底部，聚积在狭窄的楔形间隙中，形成一定的压力。随着透平机转速的升高，带入楔形间隙中的油也增多，形成的油压也增高。当油压对轴的浮力大于该轴颈的荷重时，轴颈被抬起。这时轴颈和轴承便不直接接触，而是被一层很薄的油膜隔开，轴颈悬浮在油膜上，实现了轴颈和轴承间的液体摩擦。轴的转速越高，油膜的内压力也越大，轴颈也就被抬起得越高，轴心在轴承内便处在较高的偏心位置，当透平机转速无穷大时，理论上讲，轴颈中心便与轴承中心重合，如果将轴颈中心位置随转速变化的情况绘制成曲线，其轨迹近似一个半圆曲线，如图2-1b所示。油膜的最小厚度h_x是随轴承负荷的减少，润滑油温度的降低，润滑油黏度的增加和透平机转速的提高而增大的。

实践证明，圆筒形轴承的承载能力与轴颈的圆周速度及润滑油的黏度系数成正比，且随着油膜厚度h_x的减少而增加。在一定的h_x下，其承载能力随着轴承相对间隙的增加而下降，随着轴承宽径比L/d的增大而增大，在一定的L/d时，随着轴承直径的增加而增大。

轴承相对间隙为&：

&=（R-r）/r

式中 R——轴承的半径（mm）；

r——轴颈的半径（mm）。

轴承的宽颈比L/d中，L为轴承的长度，d为轴承的直径。

L/d增大，虽然能增大轴承的承载能力，但L的增大意味着透平机轴向尺寸的增加，同时L增加太大，不利于轴承的冷却，反而会降低轴承的承载能力。

3.主轴承的结构

在中小型透平机中，主轴承最常用的是圆筒形轴承和椭圆形轴承。两者在外观上没什么大的区别，唯一的区别是轴承的顶部间隙和两侧间隙不同。如果轴的直径为D，则

对于圆筒形轴承

顶部间隙为 a=0.002D

每侧间隙为 b=0.001D

对于椭圆形轴承

顶部间隙为 a=0.001D

每侧间隙为 b=0.002D

椭圆形轴承比圆筒形轴承加工难度大，但是它比圆筒形轴承合理，容易形成油膜，而且在其上部和下部形成两个对称的油楔，压力油膜相互作用，油膜稳定性好，使垂直方向抗振性能增加。

主轴承按其瓦胎在轴承座内的支持方式，可分为固定式和自位式轴承两种。前者瓦胎的外表面为柱形，后者瓦胎的外表面为球面。球面自位式轴承，可以随转子挠度的变化而自动调整中心，保证轴颈与轴瓦接触良好，从而保证沿轴承全长度的负荷分配均匀。

轴颈与轴承的接触角度一般为60°左右。轴颈与轴承的接触面配合状况如图2-2所示。它是在电厂中由安装或检修人员精心研配的。一般要求接触面积不小于75%，且成点状均匀接触。

图2-2 轴颈和轴承的配合

a）圆筒形轴瓦 b）椭圆轴瓦 c）轴颈与轴承的接触面

主轴承的瓦胎，其外表承力面落座在轴承座上的轴承洼窝之中。对于球面轴承，在轴承与轴承座之间，还有一个球面瓦枕，球面轴承调整中心用的垫铁设置在瓦枕上。

主轴承的结构大同小异，如图2-3所示，它由上下两部分组成。

图2-3 主轴承的结构

1—上轴瓦 2—下轴瓦 3—乌金 4—前油挡 5—后油挡 6—油挡紧固螺栓 7—上瓦垫铁 8—垫铁螺钉 9—垫铁定位销 10—温度计插孔 11—下瓦右侧垫铁 12—下瓦左侧垫铁 13—左侧进油孔 14—右侧进油孔 15—轴瓦定位螺栓 16—轴瓦定位销 17—油楔 18—排油槽

两部分之间通过轴瓦定位螺栓15及轴瓦定位销16加以固定。上下轴承的瓦胎用碳钢铸造后加工而成，在与轴接触的内侧挂上一层乌金^[1]。乌金牌号为ChSnSb11-6。为了使乌金和瓦胎之间结合牢固，在瓦胎内壁上，加工出一些纵横交错的燕尾槽，并在瓦胎表面上挂一层焊锡。

为了便于校正透平机转子的中心，在轴承上设有调整垫铁，有的在轴承上成90°对称布置，左右侧水平接合面处各设一块，上下部垂直方向也各设一块，也有的轴承左右两侧垫铁设置在与水平面成一定角度（20°～30°）位置。

除上下垂直方向设有垫铁外，为保证润滑油进入轴承，在轴承上开有进油孔13、14，在下瓦进油侧和排油侧的乌金表面上都开有油楔。为防止润滑油从轴端漏出，在轴承的前后端面处均设有油挡4、5。在下轴承、油挡和轴承端部构成排油槽18，在其下部设有排油孔，将轴承的排油导入轴承箱内。

轴承在轴承座内安装要有一定的紧力，也就是说，在扣上轴承盖后，轴承盖在水平接合面处要有一个很小的间隙，当拧紧轴承盖上的螺栓后，这一间隙因轴承盖的弹性变形而消除，以此使轴承盖紧紧地压在轴承上。该紧力一般用压铅丝方法进行测量。对于圆筒形轴承，间隙一般为0.07～0.15mm；对于球面轴承，间隙一般为0.03～0.05mm（最大可到0.08mm）。(www.xing528.com)

（二）推力轴承

1.推力轴承的结构

在单缸透平机中，推力轴承和支持轴承多制成一体的，称为推力-支持联合轴承，如图2-4所示。这是在透平机中最常见的结构形式。在球面支持轴承1的前半部分为推力轴承。

图2-4 推力轴承的结构

1—支承轴承 2—瓦枕 3—推力盘 4—主推力瓦块 5—副推力瓦块 6，7—调整垫片 8，9—前后油挡 10—弹簧支板 11—进油口 12—温度计插口 13—油封环

透平机在工作时，轴向推力是通过推力盘3传至推力轴承的主推力瓦块4上，另一侧的副推力瓦块5承担偶然发生的反向推力。推力瓦块的瓦胎，有的用ZQSn13-0.5或ZQA19-2牌号的铜制成，也有的用45号钢制作。在与推力盘接触的推力瓦块接触面处浇有乌金，其厚度一般在1.5mm左右。推力瓦块的块数一般在8～16块。主推力瓦块和副推力瓦块的数量不相等。主推力瓦块工作面积较大，数量少，在每块瓦块的背面有一条摆动筋，以销柱在瓦块的支持环上定位，推力瓦块的结构如图2-5所示。

还有一些推力轴承的推力瓦块是以摆动棱线或摆动支点支撑在支持环上。如果以摆动筋为界，其进口部分的面积总是要大于出口部分的面积。只有这样，才能在推力的作用下，使推力瓦块与推力盘间形成油膜所需要的油楔。另外还有一种推力轴承的瓦块不是分体的，而是制成半圆环形的。在推力环上制成8～10块下方相连的瓦块，如图2-6所示。

图2-5 推力瓦块示意图

1—推力瓦摆动筋 2—销孔

图2-6 推力瓦块

推力环上的瓦块，底部的2/3上开有沟槽，只有1/3和环体连在一起，这样的构造可保证瓦块有一定的弹性。瓦块悬空部分在推力作用下，可略为倾斜，形成一定的角度。这种瓦块乌金面的入口油坡，要比有摆线的活动瓦块做得大些，以保证推力瓦块工作时所需要的油楔。当推力盘紧贴在工作瓦块上时，推力盘和非工作瓦块之间应有一定的间隙。通常将此间隙称为推力间隙。该间隙在中小型透平机中为0.25～0.35mm，在大型透平机组中一般为0.4～0.6mm。推力间隙过小，会造成推力瓦块温度升高、润滑不良、乌金面出现磨损；推力间隙过大，在透平机负荷突然发生变化时，特别是骤然甩负荷时，会造成推力盘反弹，瞬间冲击副推力瓦块。间隙越大，冲击的动能越大，这对副推力瓦块的工作不利，严重时会造成转子动静摩擦。为保证推力盘有一个合适的窜动间隙，可调整副推力瓦块支持环后面垫片的厚度。改变调整垫片6和7（图2-4），可以改变推力轴承轴向位置，即改变整个透平机转子的动静间隙。在一些小型透平机中，径向止推联合轴承只有主推力瓦块，而没有副推力瓦块，反向推力是靠主轴承后端面上的副推力面来承担的。

2.推力轴承的润滑

推力-支持联合轴承的供油是从下方油孔进入径向轴承的，并通过进油口11进入推力轴承中，如图2-4所示。冷却推力瓦块的油从内径方向流入，沿径向流出，润滑油充满推力瓦块的周围。

为减少润滑油的损失，用半圆形的油封环13将推力瓦块罩上，该油封环与推力盘间有一定的轴向间隙，间隙过小则排油不畅，推力轴承温度升高。

当推力盘转动时，附在推力盘表面及附近的润滑油便被推力盘沿圆周方向带入推力瓦块中，由于推力瓦块摆动棱角不在重心上，瓦块在轴向力的作用下，便形成一个倾向瓦块出口侧的油楔。如同支持轴承一样，由于油楔的存在而形成油膜，油膜的总压力和转子的推力相平衡，使推力盘不和推力瓦块直接接触，而形成液体摩擦。

（三）透平机转子

1.透平机转子的结构形式

透平机转子是透平机转动部件的组合体，是透平机的重要部件。它主要由主轴、叶轮、叶片、推力盘、联轴器、气封套筒、主油泵等组成。

透平机转子按其外形分为转鼓型转子和转轮型转子。转鼓型转子只适用于反动式透平机；而转轮型转子只适用于冲动式透平机。转轮型转子按其结构又可以分为套装转子、整锻转子、套装与整锻组合式转子、焊接转子等几种类型。

2.转子的临界转速

任何物体都存在一个固有的自振频率，透平机转子也不例外，只要几何形状一定了，固有振动的频率就一定了。

由于制造透平机的转子材料不均匀，加工精度误差等原因，转子的重心不在几何中心上，而是存在偏心距，因此在转子旋转时产生一定的离心力。在离心力的作用下，转子会产生周期性振动，这种振动形式通常称为强迫振动。强迫振动的频率即为透平机的转速，这个振动频率通常称为激振频率。

当转子的激振频率与自振频率重合时，转子的振动会明显加剧，这种现象称为转子的共振，发生共振的转速就是转子的临界转速。

为了安全起见，设计时通常将透平机转子的临界转速与工作转速错开。一般地临界转速要比工作转速高或低30%左右。工作转速低于临界转速的转子叫刚性转子；工作转速高于临界转速的转子叫挠性转子。刚性转子在启动升速过程中不会发生共振现象；而挠性转子在启动升速的过程中会发生共振现象，因此在挠性转子的启动过程中，应平稳而快速地越过临界转速，以免发生共振，对透平机造成损坏。

转子临界转速的高低，与转子的结构形式和材质有关。直径粗、支持轴承跨距小的转子，其临界转速高，反之临界转速低。临界转速的高低与转子的质量偏心距的大小无关，但是转子振动的振幅却与转子质量的偏心距成正比，因此要尽量减少转子的偏心质量。

（四）叶轮

叶轮由轮缘、轮面和轮毂三部分组成。轮缘上开有叶根槽，其形状和叶片的叶根形状相同。靠近轮孔的部分叫轮毂，轮毂与轮缘的连接部分叫轮面。轮缘和轮毂是等厚度的，由轮缘向轮面及轮面向轮毂过渡处均为圆弧或其他曲线连接。按照受力情况的不同，轮面有不同的断面形状，有锥形叶轮，有双曲线叶轮，还有等强度叶轮，为便于加工，通常采用等厚度叶轮。

（五）叶片

1.叶片的结构

叶片由叶根部分、叶顶部分和叶型部分组成。

2.叶片的振动

透平机的动叶片以很高的速度随转子一起转动，转子的振动不可避免地要传递给叶片，同时气流以很高的速度冲击着叶片，因此工作中的动叶片，时刻处于强迫振动中。当强迫振动的频率与叶片的固有频率重合时，叶片便产生了共振。叶片发生共振时的振幅增大，是造成叶片损坏的主要原因，同时叶片长期振动也会引起疲劳断裂。

（六）联轴器

联轴器又叫靠背轮，它是用来连接透平机转子和发电机转子的部件，通过它把透平机转子的转矩传递给发电机转子。联轴器的形式很多，对于中小型透平机，一般采用刚性联轴器、挠性联轴器和半挠性联轴器。

（七）盘车装置

透平机的盘车装置，其作用是在透平机启动前和停机后用来盘动转子，使其均匀加热或冷却，以免转子发生弯曲。透平机启动前，为提高凝气器的真空度，必须向气缸两端轴封供气，由于煤气的热流是向上的，从而造成气缸上部的温度高，下部的温度低，如果转子静止不动，就会产生热弯曲，启动时转子会发生振动，甚至发生动静摩擦。因此，向轴封送气前必须投入盘车装置盘动转子。同样，透平机停机后，如果转子静止不动，也会产生热弯曲，再次启动时转子会发生振动，甚至发生动静摩擦。透平机停机后转子静止不动，气缸上下存在温差造成的热弯曲，在自然状态下需几十小时才能逐渐消失，在热弯曲减小到规定值以前，透平机无法启动。如果停机后投入盘车装置，透平机转子便能均匀冷却，不会造成热弯曲，这样透平机在停机后随时都可以启动。

透平机的盘车装置按其盘动转子时的转速不同，可分为低速盘车和高速盘车两种。低速盘车用在中小型透平机中，盘动转子的转速为3～6r/min；高速盘车用在大型机组中，盘动转子的转速为40～70r/min。高速盘车虽然耗电较多，但盘车转速高，有利于改善轴承的润滑条件，会减轻低速盘车造成的“研瓦”现象，同时对消除转子热变形和停机时充分均匀地冷却轴承有好处。

盘车装置按其传动齿轮的种类，可分为蜗轮、蜗杆传动的盘车装置及齿轮传动的盘车装置。盘车装置按其脱扣装置的结构，可分为螺旋传动和摆动齿轮传动两种。

图2-7 盘车装置示意图

1—小齿轮 2—大齿轮 3—游动齿轮 4—盘车大齿轮 5—电动机 6—小轴 7—手柄 8—保险销 9—电动机行程开关 10—凸肩 11—透平机转子 12—螺旋轴 13—靠背轮 14—电力线 15—润滑油滑阀 16—活塞

尽管盘车装置构造多样，但不外乎由三大部分构成：①减速机构；②啮合机构；③辅助机构（如行程开关、润滑系统、联动装置等）。

中、小透平机使用的电动盘车装置多为螺旋轴游动齿轮式，如图2-7所示。其中电动机5通过小齿轮1、大齿轮2、游动齿轮3及盘车大齿轮4带动透平机主轴旋转。游动齿轮与螺旋轴之间用螺旋滑动键相连，转动手柄同时盘动电动机，可以使游动齿轮沿螺旋轴移动，并控制润滑油错油门和电动机行程开关。投入盘车装置时，首先拔出保险销8，然后将手柄7从原位向左推，同时手盘电动机转子，使游动齿轮3在手柄下部叉杆的作用下向右移，使之与盘车大齿轮4啮合，这时手柄也将润滑油错油门按下，润滑油接通，向各齿轮处供油。此时也可将控制电动机的行程开关闭合，接上电源，做好一切准备工作。