核電汽輪機結構與特點

第二章核電站汽輪機結構與特點

汽輪機由轉動部分和靜止部分所組成。

汽輪機轉動部件的組合體成為轉子，它包括主軸、葉輪(或轉鼓)、動葉柵、聯(lián)軸器及裝在軸上的其它部件。蒸汽作用在動葉柵上的力矩，通過葉輪、主軸和聯(lián)軸器傳遞給發(fā)電機或其它設備，并使它們旋轉而作功。汽輪機的靜止部分包括基礎部分、臺板(機座)、汽缸、噴嘴、隔板、汽封、軸承等部件，但主要是汽缸和隔板。2/5/202312.1汽輪機的靜止部分1.汽缸的作用

汽缸是汽輪機的外殼。汽缸的作用是將進入汽輪機內的工質與外界隔絕，使工質在一個封閉的空間內流動；汽缸內安裝著隔板、噴嘴和軸封等部件，它們與轉子上的相應的運動部件相配合，完成膨脹作功的能量轉換過程；汽缸外連接著進汽、排汽和抽汽等管道，因此汽缸還起著對缸內外部件定位支承作用。

汽輪機運行時，汽缸除了承受內外壓差以及本身和裝在其中的各零部件的重量等靜載荷外，還要承受汽流對噴嘴等的作用力及溫度分布不均而引起的熱應力。因此，對汽缸的結構要求主要有以下幾點：

(1)有足夠的強度和剛度及很好的蒸汽嚴密性；

(2)保證各部分受熱時能自由膨脹，并能始終保持中心不變；

(3)通流部分有良好的氣動性能；

(4)汽缸形狀要簡單、對稱，壁厚變化要均勻。在滿足強度和剛度的要求下，盡量減薄汽缸壁和連接法蘭的寬度；

(5)高溫部分盡量集中在較小的范圍內，以減小熱應力；

(6)工藝性好，便于加工制造、運輸、安裝和檢修。2.1.1汽缸2/5/202322.高中、壓缸2/5/20233回流式高壓缸2/5/20234大亞灣高壓缸立剖2/5/20235大亞灣高壓缸剖面2/5/20236田灣高壓缸模型2/5/20237汽缸法蘭形狀改進設計思想先進的機組(如引進型300MW汽輪機)不再設置法蘭螺栓加熱裝置，而是將法蘭設計的窄而高，使汽缸接近圓筒形；同時將法蘭螺栓布置得靠近汽缸壁中心線，從而改善了螺栓的受力條件，設計中還將螺栓的節(jié)距取得較小，因而法蘭螺栓的直徑較小，容易被加熱。這種設計思想還使法蘭中分面的蒸汽嚴密性得以提高。2/5/202383.低壓缸結構2/5/20239大亞灣低壓缸立剖2/5/202310大亞灣低壓缸縱剖2/5/202311排汽缸噴水降溫裝置2/5/202312大亞灣排汽缸噴水冷卻母管2/5/2023132.1.2大亞灣高壓缸隔板套及隔板體2/5/2023142.1.3汽缸的支承與熱膨脹(1)汽缸的支承2/5/202315下貓爪中分面支承2/5/202316大亞灣高壓缸的上貓爪支承2/5/202317(2)滑銷系統(tǒng)2/5/202318大亞灣的滑銷系統(tǒng)2/5/2023192.1.4去濕裝置與防沖蝕濕蒸汽級中的水珠運動軌跡2/5/202320大亞灣高壓缸中的去濕裝置2/5/202321防沖蝕措施2/5/2023222.1.5軸承滑動軸承的工作原理2/5/202323軸承內的油楔2/5/202324橢圓形軸承2/5/202325三油楔軸承2/5/202326可傾瓦軸承2/5/202327大亞灣的徑向軸承2/5/202328推力軸承工作原理2/5/202329國產(chǎn)引進型300MW汽輪機推力軸承2/5/2023302.2汽輪機的轉動部分

汽輪機的轉動部分包括轉子和盤車裝置。盤車裝置在第三章中介紹，本節(jié)只介紹轉子。轉子主要由主軸、葉輪(或轉鼓)、動葉柵、聯(lián)軸器及其他轉動零件組成轉子的作用是匯集各級動葉柵所得到的機械能并把它傳遞給其他機械1.轉子的結構汽輪機轉子可分為輪式和鼓式兩種基本類型輪式轉子有整鍛式、套裝式、組合式和焊接式四種結構形式2/5/202331套裝轉子2/5/202332組合轉子2/5/202333焊接轉子2/5/202334鼓式轉子2/5/2023352.葉輪葉輪是用來裝置葉片并傳遞汽流對葉柵產(chǎn)生的扭矩的絕大多數(shù)葉輪都由輪緣、輪面和輪轂三部分組成葉輪承受的載荷有：自身及葉片等高速旋轉所產(chǎn)生的巨大離心力、葉輪兩側壓差的作用力、傳遞扭矩的切向作用力、溫度不均引起的熱應力、自身及葉片振動引起的交變應力等。對于套裝葉輪，其內孔上還承受著因過盈配合而產(chǎn)生的接觸應力。2/5/2023363.動葉片與動葉柵2/5/202337T型葉根2/5/202338叉型、樅樹型葉根2/5/202339圍帶2/5/202340拉金2/5/2023414.聯(lián)軸器剛性聯(lián)軸器2/5/202342半撓性聯(lián)軸器2/5/202343大亞灣的高壓轉子2/5/202344大亞灣的低壓轉子2/5/2023455、盤車裝置在汽輪機停機后及沖轉前，使轉子以一定速度轉動起來的裝置，稱為盤車裝置盤車裝置的分類按盤車轉速分：盤車裝置一般有2~4r/min的低速盤車和40~70r/min的高速盤車兩種。有些盤車還具有間歇盤車功能，間歇盤車通常是在連續(xù)盤車后進行，它能使轉子定期進行翻轉，以代替人工操作，消除轉子的熱彎曲。按其動力來源可將盤車裝置分為電動盤車和液動盤車；對電動盤車按其結構特點又可分為具有蝸輪蝸桿的盤車裝置和具有擺動齒輪的盤車裝置等盤車裝置的投運場合及作用在停機期間應利用盤車裝置，連續(xù)盤車至轉子溫度低于規(guī)定值。因為汽輪機在停機狀態(tài)時，汽缸和轉子均處于冷卻過程，由于汽缸下部較上部冷卻得快，使上下缸之間出現(xiàn)了溫差。此時如果轉子靜止不動，其上下也會出現(xiàn)溫差，這將導致轉子的熱彎曲，這種彎曲可能會達到很大的數(shù)值，不利于汽輪機重新投運。若強行沖轉，勢必造成機組振動，甚至引起機組動靜部分的碰摩導致大軸出現(xiàn)永久彎曲。在汽輪機沖轉前，通常需要向軸封供汽以封隔空氣，使凝汽器能建立起一定的真空。此時會有少量蒸汽進入汽缸，為了避免轉子和汽缸上下受熱不均勻而引起轉子的熱彎曲，也需要對轉子進行盤車。對中間再熱機組，鍋爐點火后通常要投入旁路系統(tǒng)，此時凝汽器內的蒸汽將通過排汽缸進入汽輪機，使汽缸及轉子上下受熱不均，為此，也要求在投入旁路系統(tǒng)之前先投入盤車裝置。在機組沖轉之前，通過盤車，還可檢查機組是否已具備了正常的沖轉條件。如動靜部分是否有碰摩，主軸彎曲度是否超過規(guī)定值，潤滑油系統(tǒng)是否正常等。在冬季，還可利用盤車裝置提高潤滑油溫使其達到?jīng)_轉要求的溫度。2/5/2023462.3汽輪機總體結構2.3.1汽輪機的總體布置形式

汽輪機總體布置形式包括汽缸、排汽口、轉軸數(shù)量和布置方式。影響汽輪機總體布置形式的因素很多，主要有汽輪機的用途、型式、參數(shù)、容量等。另外，從強度角度出發(fā)，還需考慮影響機組安全運行的諸因素。設計蒸汽流動方向時應考慮的因素：減小作用在推力軸承上的軸向力；減小軸向間隙；減小軸系長度和汽缸之間的相對位移；方便汽輪機進排汽管道的布置等；2/5/202347分缸情況及蒸汽流程實例核汽輪機組的布置形式1一高壓缸；2一中壓缸；3一汽水分離再熱器；4一低壓缸(a)單軸三缸四排汽口；(b)單軸四缸六排汽口；(c)單軸五缸六排汽口；(d)單軸五缸八排汽口2/5/2023482.3.2核電站濕蒸汽汽輪機的總體配置

大亞灣核電廠的汽輪機為英國通用電器公司設計制造的飽和蒸汽、中間再熱、單軸沖動式汽輪機。額定功率983.8MW，新蒸汽參數(shù)：6.63MPa,283℃,5517t/h；高排：0.783MPa(11.8%p0),169.5℃,濕度14.2%；低進：0.74MPa,265.1℃(過熱度95℃)；排汽壓力7.5kPa,濕度9.3%,2986t/h(54.11%D0)。

1個高壓缸和3個低壓缸皆為對稱分流式，共2×5+3×2×5=40級。高壓缸為鉻鉬材料鑄造的單層缸結構，水平對分形式。隔板界采用隔板套結構。各級葉根皆為多叉型，葉片長度91~264mm,葉片頂部有預加工的鉚釘頭，用來裝置圍帶。低壓缸為雙層缸，水平對分形式。內、外缸均由碳鋼制造，內缸為焊接結構，外缸為焊接組裝結構。內缸包含環(huán)形進汽室和所有隔板，隔板由鐵素體不銹鋼制造，其結構為標準的焊接靜葉和內外圍帶結構，嵌在隔板套的槽內。動葉由鐵素體不銹鋼制造，葉片長度151~945mm,1~4級有圍帶，葉根為多叉型，末級樅樹型高、低壓轉子均由鎳鉻鉬釩鋼整鍛而成，有150mm的中心孔。2/5/2023492.4核電站濕蒸汽汽輪機的特點

絕大多數(shù)核電站汽輪機是利用濕蒸汽工作的，這對汽輪機的設計和構造有著重要的影響。與常規(guī)電站汽輪機相比，核電站汽輪機的主要特點有：

1.蒸汽參數(shù)低

蒸汽參數(shù)低的原因：壓水堆核電廠二回路新蒸汽參數(shù)取決于一回路冷卻劑溫度。為了保證反應堆的安全穩(wěn)定運行，不允許一回路冷卻劑沸騰(過冷水)。即一回路冷卻劑溫度取決于一回路壓力，而一回路壓力應按照反應堆壓力容器的計算極限壓力選取。另外，核燃料芯塊的鋯合金Zr-4包殼與水的相容溫度不超過350℃。況且，水的臨界溫度為374.15℃，因而一回路冷卻劑溫度提高有限。因此壓水堆核電廠二回路的蒸汽參數(shù)不可能取高。通常，蒸汽壓力為5.0~7.0MPa，溫度為260~285℃。2/5/202350蒸汽參數(shù)低的結果蒸汽參數(shù)低使得:

(1)循環(huán)熱效率低最先進的壓水堆核電站的循環(huán)熱效率僅有36%,約為先進火電機組的70%左右。

(2)理想焓降小多級濕蒸汽汽輪機的理想焓降比高參數(shù)汽輪機的約小30%~40%，因此：①大多數(shù)濕蒸汽汽輪機中沒有中壓缸；②低壓缸發(fā)出的功率約占整個機組的50%~60%[而在火電廠高參數(shù)機組中低壓缸約占30%~40%左右]，因此低壓缸對機組的相對內效率具有更大的影響;③蒸汽在進汽機構、外置式分離再熱器中的壓力損失，對機組的熱效率有很大影響，應盡可能改善這些部件的氣動力學性能。2/5/202351

2.容積流量大

由于濕蒸汽汽輪機的參數(shù)低、理想焓降小以及效率較低，因而蒸汽容積流量比同功率的高參數(shù)汽輪機約大60%~100%(如300MW核汽輪機的蒸汽流量約為2000t/h，相當于600MW的火電機組)。由此導致核汽輪機的下列特點：

(1)進汽機構的尺寸增大；

(2)功率大于600~800MW汽輪機的高壓缸已做成雙分流結構；

(3)第一級葉片的高度大，彎曲應力較大，因此采用部分進汽困難，不宜采用噴嘴調節(jié)；

(4)低壓缸通流量大，因而排汽的余速損失對熱效率有更大的影響，這就要求增大排汽面積以降低余速損失，同時須提高排汽管中的速度動能利用系數(shù)。2/5/202352

3.核汽輪機大多數(shù)級處于濕蒸汽區(qū)

由于新蒸汽是飽和汽，膨脹后即進入濕汽區(qū)。因而核汽輪機大多數(shù)級處于濕蒸汽區(qū)?？梢越频卣J為，排汽平均濕度每增大1%，汽輪機的相對內效率約降低1%。且濕蒸汽膨脹所形成的水分對汽輪機通流部分元件及其他過流設備會產(chǎn)生沖蝕破壞作用。為此，濕蒸汽汽輪機高、低壓缸中都必須采用有效的去濕結構和防腐措施，而且飽和蒸汽汽輪機毫無例外地設有外部汽水分離器。外部汽水分離器通常設置在高、低壓缸之間，并且同時使用中間再熱。再熱器通常分為兩段，首先用高壓缸抽汽對汽水分離器分離出來的蒸汽進行再熱，然后再用高溫主蒸汽再行加熱。采用再熱的核電站汽輪機的分缸壓力通常為新蒸汽壓力的12%~15%。2/5/202353

4.單排汽口極限功率較小由于濕蒸汽汽輪機的參數(shù)低、理想焓降小，所以在同樣凝汽器壓力和相同排汽缸數(shù)目下，所發(fā)出的功率較高參數(shù)汽輪機低很多。通常可以用以下途徑提高核電站汽輪機的單機功率。(1)增大排汽口通流能力

可采用更長的末級葉片、增多分流數(shù)目(排汽口≯8).(2)提高排汽壓力或增大余速損失

可顯著提高汽輪機功率，但卻會使汽輪機經(jīng)濟性下降。對核電站濕蒸汽透平而言，在同樣末級尺寸下，排汽壓力從3.5kPa提高到5.0kPa，功率可增大40%以上，效率降低0.9%。排汽余速損失增大50%時可提高功率22%，經(jīng)濟性降低1.3%。(3)采用半速汽輪機由上式可知，在給定初終參數(shù)及u和θ條件下，機組的電功率與轉速的平方成反比。所以，在不增加動葉應力的情況下，汽輪機轉速減半，理論上可以使極限功率提高三倍之多。但由于半速汽輪機的轉子、凝汽器、排汽管等的構造尺寸太大,制造工藝上難以實現(xiàn)，所以，實際半速汽輪機的葉片高度和級的平均直徑約可增大50%，相應功率可提高一倍多一些。2/5/202354采用半速對汽輪機工作的影響采用半速機不僅使功率增加1倍,對汽機工作還將產(chǎn)生以下影響：①汽輪機的可靠性轉速越低，離心應力就越小。因此，在相同材料時，其末級葉片的工作更為可靠。許多研究認為，葉片在濕蒸汽中侵蝕程度與輪周速度的2次方、3次方甚至4次方成正比。采用半轉速，可使葉片的抗侵蝕能力和可靠性大大提高。葉片振動特性分析表明，低速汽輪機的動態(tài)可靠性更高。②汽輪機的經(jīng)濟性有關不同額定轉速對汽輪機組效率影響的研究表明，雖然半速機組在高壓部分帶來一些附加損失，但低壓部分的效率將得到更多的提高。例如，對于400~600MW汽輪機組，采用半轉速可使汽輪機的經(jīng)濟性提高0.8~1.1%。(余速損失減小)據(jù)對世界410臺核電機組統(tǒng)計，900MW以上機組多數(shù)為半速機組③重量、尺寸和造價在保持最佳速比的條件下，若轉子直徑不變，降低轉速會使級的焓降減小，使汽輪機級數(shù)增多；若每級焓降不變，則需增大級的直徑。這些都將使汽輪機的尺寸和材料消耗量增大(功率增加一倍重量約為原來的2.8倍)

。因而汽輪機的造價也相應增加。2/5/202355(4)給水回熱加熱核電站中采用給水回熱加熱，除具有常規(guī)電站可提高單機功率等優(yōu)點外，還有以下特點：①在飽和蒸汽區(qū)內采用抽汽進行給水回熱，在熱力學上比過熱區(qū)有利；②抽取濕蒸汽能夠幾乎無損失地將集中在葉片外圍的水引出通流部分，從而提高汽輪機效率和后面各級工作的