汽轮机部件：关键部件、制造要求以及具体说明

汽轮机是工业服务中热力学要求最高的机器之一。它们的部件在高温、高转速和巨大机械应力下同时运行，并且预计在大修期间能够可靠地运行数万小时。对单个涡轮机部件，特别是热气路径中的旋转和静态部件的工程要求远高于大多数其他工业机械，制造精度和材料质量要求反映了这一点。

主要组件及其作用

涡轮转子和轴

转子是涡轮机的中心旋转组件，是安装涡轮盘和叶片的轴，将从蒸汽中提取的旋转能传输到发电机或驱动设备。大型蒸汽涡轮机转子要么是由大型钢坯加工而成的整体锻件，要么是由单个圆盘组成的组合件，经过收缩并用键固定在公共轴上。转子轴跨越涡轮机的整个轴向长度，并由两端的轴颈轴承支撑。

转子是涡轮机中结构要求最高的部件。它必须承受所附叶片的离心力（在运行速度下产生的叶片根部应力与叶片材料的抗拉强度相当）、启动和停机过程中不同加热产生的热应力以及传输全输出扭矩所需的扭转载荷。转子材料通常为抗蠕变合金钢——CrMoV（铬钼钒）或 NiCrMoV 钢——因其高温强度和抗蠕变性能的结合而被选择。转子锻件毛坯的超声波检测和磁粉检测是加工开始前确认不存在内部缺陷的标准要求。

涡轮叶片（桶）

涡轮叶片将蒸汽射流的动能转化为轴旋转。它们在整个机器中对热量和机械要求最高的环境中运行：工业汽轮机中的高压高温叶片可能在 500-600°C 的蒸汽温度下运行，同时以 3,000 或 3,600 rpm 的速度旋转，在叶片根部产生 100-200 MPa 及以上的离心应力。凝汽式涡轮机的后级处理较低温度的蒸汽，但比容明显更高 - 大型凝汽式涡轮机的最后级叶片可能超过 1 米长，产生离心应力，需要仔细选择材料和叶片根部几何形状优化。

叶片材料的选择遵循温度曲线：高压第一级叶片采用奥氏体不锈钢或镍高温合金，具有抗蠕变和抗氧化性能；中压叶片采用马氏体不锈钢；低压末级叶片采用 12% 铬马氏体不锈钢或 17-4PH 沉淀硬化不锈钢，兼具强度和在湿蒸汽膨胀中抵抗水分侵蚀的能力。叶片轮廓通常经过机加工或精密铸造成特定的翼型形状，公差为十分之一毫米——形状精度直接影响叶片的空气动力效率，从而影响涡轮机的热效率。

汽轮机外壳（外壳）

机壳是涡轮机的承压外壳。它固定固定喷嘴隔膜，密封蒸汽路径，防止泄漏到大气中，并在整个热循环过程中保持固定部件和旋转部件之间的尺寸关系。外壳通常沿水平中心线水平剖分，以便进行组装和维护，在剖分线处具有螺栓法兰接头，在许多设计中必须密封高压蒸汽而无需垫圈。

用于高温蒸汽的高压套管在高蠕变应力下运行——如果材料蠕变强度不足，蒸汽压力和高温的结合会导致逐渐塑性变形。高压涡轮机壳采用工作温度下具有良好蠕变强度的CrMoV或CrMoV-Nb合金钢；中压套管常采用低合金铸钢；低压套管在接近大气压力的情况下工作，使用灰口铸铁或碳钢。套管壁厚和螺栓法兰尺寸是根据设计压力和温度计算的，并在涡轮机 25-30 年设计寿命内的蠕变和疲劳载荷方面具有重要的安全系数。

喷嘴隔膜

喷嘴隔膜将固定喷嘴叶片固定在每个旋转叶片排之间。喷嘴以正确的角度和速度将蒸汽射流引导到旋转叶片上，以最大限度地提取能量——它们是静态组件，但会受到每个阶段的显着压差和蒸汽温度梯度产生的热应力。隔膜通常由焊接不锈钢或铸造合金钢制成，喷嘴通道经过精密加工或熔模铸造，以满足所需的空气动力学轮廓。

隔膜内孔与转轴迷宫式密封之间的间隙至关重要——太小，热膨胀会导致接触损坏；太大，蒸汽通过密封泄漏会降低效率。隔膜制造精度在关键间隙尺寸上以十分之一毫米为单位进行测量，需要仔细的热增长计算，并根据考虑差异热膨胀的设计图纸在室温下通过尺寸检查进行验证。

轴承系统

汽轮机转子的两端由轴颈轴承（流体动力滑动轴承）支撑。这些轴承承受转子的全部静态重量以及不平衡力产生的动态载荷，并且必须在所有操作条件下保持稳定的流体动力油膜。轴承座通常是壳体结构的一部分；轴承本身是一个在轴承表面衬有巴氏合金（白色金属）或锡铝合金的剖分式套筒。

止推轴承（控制转子的轴向位置）采用可倾瓦设计，可适应轴向蒸汽力并防止旋转叶片接触固定隔膜。止推轴承间隙的维护至关重要：止推轴承能力的丧失会导致轴向运动，从而导致灾难性的叶片与隔膜接触，并在发生后几秒钟内导致涡轮机损坏。正是由于这个原因，振动监测和轴向位置监测成为所有发电和大型工业汽轮机的标准仪表。

密封系统

蒸汽涡轮机在多个位置使用迷宫式密封件，即一系列刀刃翅片，为蒸汽泄漏形成曲折的路径：转子和壳体端壁之间、隔膜内孔和轴之间以及轴离开壳体的涡轮轴端部。迷宫式密封件是非接触式的——它们保持很小的间隙，而不是物理接触轴，这使得它们能够承受热膨胀和振动而不会磨损，但代价是每个翅片周围会出现一些蒸汽泄漏。

密封翅片间隙是一个关键的效率参数：更紧密的间隙可减少泄漏损失，但会增加热瞬变期间接触损坏的风险。现代涡轮机设计使用可伸缩密封件或耐磨密封材料，使翅片在启动过程中接触轴而不会造成永久性损坏，然后在运行条件稳定后保持紧密的间隙。

区分涡轮机部件的制造要求

材料认证和可追溯性

承压或承重涡轮机部件中使用的每种材料都需要可追溯到钢或合金特定炉次的材料认证。认证内容包括化学成分、机械测试结果（拉伸强度、屈服强度、伸长率、冲击能）和热处理记录。对于转子锻件和高压外壳，需要额外的无损检测 (NDE) 记录——超声波检测 (UT)、射线检测 (RT) 和磁粉检测 (MPI)——以证明不存在超出适用验收标准的内部和表面缺陷。

对于所有主要市场的涡轮机零件来说，从原材料到成品部件的可追溯链都是强制性的。这不仅仅是一种质量偏好，也是大多数工业应用中压力容器和旋转机械的监管和保险要求。无法提供完整材料可追溯性文件的涡轮机部件供应商将被取消认真考虑的资格，无论价格如何。

尺寸公差和表面光洁度

汽轮机部件 加工公差比一般工业部件严格得多。转子轴颈直径通常加工为 IT5–IT6 公差等级（典型轴直径约为 ±0.005–0.015mm），流体动压轴承表面的表面光洁度为 Ra 0.4–0.8 μm。叶片根部形状尺寸保持在±0.05毫米或更紧，以确保叶片根部接触表面上的正确负载分布。组装转子级的平衡需要达到 ISO 1940 的 G1.0 或 G2.5 平衡质量等级 - 在 3,000 rpm 的转速下，即使很小的质量不平衡也会产生显着的振动力。

热处理

合金钢涡轮机部件的热处理有几个目的：应力消除（消除锻造和机加工中可能导致变形或开裂的残余应力）、硬化（在成品状态下形成所需的机械性能）和回火（优化强度和韧性的平衡）。热处理记录（时间、温度、气氛、淬火介质）是材料认证包的一部分。对于在高温下工作的部件，任何修补焊缝都必须进行焊后热处理 (PWHT)，以恢复焊缝区域的冶金性能。

采购团队在采购涡轮机部件时应验证哪些内容

常见问题解答

高压汽轮机转子采用什么材料？

用于工业和发电应用的高压蒸汽涡轮机转子通常使用 CrMoV 合金钢（Cr-Mo-V 名称反映了三种主要合金元素：铬用于提高淬透性和耐腐蚀性，钼用于提高蠕变强度，钒用于沉淀硬化）。具体牌号包括 1CrMoV、2CrMoV 以及适用于更高温度的更高合金变体。确切的合金选择取决于最高蒸汽温度——更高的蒸汽温度需要具有更好抗蠕变性的更高合金钢。对于 600°C 以上的超超临界蒸汽循环，转子材料正在发展为 9-12% Cr 马氏体钢，甚至最热部分的镍基高温合金。

更换前汽轮机部件可以使用多久？

发电服务中的主要蒸汽轮机设计为在大修或部件更换之前运行 100,000-200,000 小时（大约连续运行 12-25 年）。实际上，实际部件寿命随运行条件的不同而有很大差异：经历频繁启停循环的涡轮机比连续运行的基本负载机器更快地积累热疲劳损坏。由于蠕变伸长和腐蚀，高压叶片和喷嘴通常需要在 25,000-50,000 小时内进行检查和更换。转子的更换间隔较长，但需要对蒸汽环境中的应力腐蚀裂纹进行孔检查。基于状态的维护计划包括定期振动监测、孔检查和冶金取样，是在管理风险的同时最大限度地延长部件寿命的行业标准。

脉冲式和反动式涡轮叶片设计有什么区别？

在脉冲级中，整个级的压降完全发生在固定喷嘴中 - 旋转叶片基本上没有压降并在恒定压力下运行，仅从蒸汽射流的速度中提取能量。在反应阶段，固定喷嘴和旋转叶片都会产生显着的压降——叶片通道本身充当喷嘴，通过膨胀蒸汽的反作用力提取能量。大多数工业蒸汽轮机采用组合：第一高压级的脉冲设计（其中管理高压和温度有利于脉冲级）和中低压级的反应设计（其中反应级在较低压力比下的较高效率是有利的）。脉冲设计和反作用设计之间的叶片几何形状、长宽比和轮廓有所不同，这在指定替换叶片时是相关的——设计类型必须与原始叶片相匹配，以保持级速度三角形和空气动力学性能。

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