核電汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)課件

第二章核電站汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

汽輪機(jī)由轉(zhuǎn)動(dòng)部分和靜止部分所組成。

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部件的組合體成為轉(zhuǎn)子，它包括主軸、葉輪(或轉(zhuǎn)鼓)、動(dòng)葉柵、聯(lián)軸器及裝在軸上的其它部件。蒸汽作用在動(dòng)葉柵上的力矩，通過(guò)葉輪、主軸和聯(lián)軸器傳遞給發(fā)電機(jī)或其它設(shè)備，并使它們旋轉(zhuǎn)而作功。汽輪機(jī)的靜止部分包括基礎(chǔ)部分、臺(tái)板(機(jī)座)、汽缸、噴嘴、隔板、汽封、軸承等部件，但主要是汽缸和隔板。9/13/202312.1汽輪機(jī)的靜止部分1.汽缸的作用

汽缸是汽輪機(jī)的外殼。汽缸的作用是將進(jìn)入汽輪機(jī)內(nèi)的工質(zhì)與外界隔絕，使工質(zhì)在一個(gè)封閉的空間內(nèi)流動(dòng)；汽缸內(nèi)安裝著隔板、噴嘴和軸封等部件，它們與轉(zhuǎn)子上的相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)部件相配合，完成膨脹作功的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程；汽缸外連接著進(jìn)汽、排汽和抽汽等管道，因此汽缸還起著對(duì)缸內(nèi)外部件定位支承作用。

汽輪機(jī)運(yùn)行時(shí)，汽缸除了承受內(nèi)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(duì)噴嘴等的作用力及溫度分布不均而引起的熱應(yīng)力。因此，對(duì)汽缸的結(jié)構(gòu)要求主要有以下幾點(diǎn)：

(1)有足夠的強(qiáng)度和剛度及很好的蒸汽嚴(yán)密性；

(2)保證各部分受熱時(shí)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(dòng)性能；

(4)汽缸形狀要簡(jiǎn)單、對(duì)稱，壁厚變化要均勻。在滿足強(qiáng)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(nèi)，以減小熱應(yīng)力；

(6)工藝性好，便于加工制造、運(yùn)輸、安裝和檢修。2.1.1汽缸9/13/202322.高中、壓缸9/13/20233回流式高壓缸9/13/20234大亞灣高壓缸立剖9/13/20235大亞灣高壓缸剖面9/13/20236田灣高壓缸模型9/13/20237汽缸法蘭形狀改進(jìn)設(shè)計(jì)思想先進(jìn)的機(jī)組(如引進(jìn)型300MW汽輪機(jī))不再設(shè)置法蘭螺栓加熱裝置，而是將法蘭設(shè)計(jì)的窄而高，使汽缸接近圓筒形；同時(shí)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)思想還使法蘭中分面的蒸汽嚴(yán)密性得以提高。9/13/202383.低壓缸結(jié)構(gòu)9/13/20239大亞灣低壓缸立剖9/13/202310大亞灣低壓缸縱剖9/13/202311排汽缸噴水降溫裝置9/13/202312大亞灣排汽缸噴水冷卻母管9/13/2023132.1.2大亞灣高壓缸隔板套及隔板體9/13/2023142.1.3汽缸的支承與熱膨脹(1)汽缸的支承9/13/202315下貓爪中分面支承9/13/202316大亞灣高壓缸的上貓爪支承9/13/202317(2)滑銷系統(tǒng)9/13/202318大亞灣的滑銷系統(tǒng)9/13/2023192.1.4去濕裝置與防沖蝕濕蒸汽級(jí)中的水珠運(yùn)動(dòng)軌跡9/13/202320大亞灣高壓缸中的去濕裝置9/13/202321防沖蝕措施9/13/2023222.1.5軸承滑動(dòng)軸承的工作原理9/13/202323軸承內(nèi)的油楔9/13/202324橢圓形軸承9/13/202325三油楔軸承9/13/202326可傾瓦軸承9/13/202327大亞灣的徑向軸承9/13/202328推力軸承工作原理9/13/202329國(guó)產(chǎn)引進(jìn)型300MW汽輪機(jī)推力軸承9/13/2023302.2汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分

汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分包括轉(zhuǎn)子和盤車裝置。盤車裝置在第三章中介紹，本節(jié)只介紹轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子主要由主軸、葉輪(或轉(zhuǎn)鼓)、動(dòng)葉柵、聯(lián)軸器及其他轉(zhuǎn)動(dòng)零件組成轉(zhuǎn)子的作用是匯集各級(jí)動(dòng)葉柵所得到的機(jī)械能并把它傳遞給其他機(jī)械1.轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子可分為輪式和鼓式兩種基本類型輪式轉(zhuǎn)子有整鍛式、套裝式、組合式和焊接式四種結(jié)構(gòu)形式9/13/202331套裝轉(zhuǎn)子9/13/202332組合轉(zhuǎn)子9/13/202333焊接轉(zhuǎn)子9/13/202334鼓式轉(zhuǎn)子9/13/2023352.葉輪葉輪是用來(lái)裝置葉片并傳遞汽流對(duì)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(zhuǎn)所產(chǎn)生的巨大離心力、葉輪兩側(cè)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(yīng)力、自身及葉片振動(dòng)引起的交變應(yīng)力等。對(duì)于套裝葉輪，其內(nèi)孔上還承受著因過(guò)盈配合而產(chǎn)生的接觸應(yīng)力。9/13/2023363.動(dòng)葉片與動(dòng)葉柵9/13/202337T型葉根9/13/202338叉型、樅樹型葉根9/13/202339圍帶9/13/202340拉金9/13/2023414.聯(lián)軸器剛性聯(lián)軸器9/13/202342半撓性聯(lián)軸器9/13/202343大亞灣的高壓轉(zhuǎn)子9/13/202344大亞灣的低壓轉(zhuǎn)子9/13/2023455、盤車裝置在汽輪機(jī)停機(jī)后及沖轉(zhuǎn)前，使轉(zhuǎn)子以一定速度轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)的裝置，稱為盤車裝置盤車裝置的分類按盤車轉(zhuǎn)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(jìn)行，它能使轉(zhuǎn)子定期進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，以代替人工操作，消除轉(zhuǎn)子的熱彎曲。按其動(dòng)力來(lái)源可將盤車裝置分為電動(dòng)盤車和液動(dòng)盤車；對(duì)電動(dòng)盤車按其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)又可分為具有蝸輪蝸桿的盤車裝置和具有擺動(dòng)齒輪的盤車裝置等盤車裝置的投運(yùn)場(chǎng)合及作用在停機(jī)期間應(yīng)利用盤車裝置，連續(xù)盤車至轉(zhuǎn)子溫度低于規(guī)定值。因?yàn)槠啓C(jī)在停機(jī)狀態(tài)時(shí)，汽缸和轉(zhuǎn)子均處于冷卻過(guò)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(shí)如果轉(zhuǎn)子靜止不動(dòng)，其上下也會(huì)出現(xiàn)溫差，這將導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的熱彎曲，這種彎曲可能會(huì)達(dá)到很大的數(shù)值，不利于汽輪機(jī)重新投運(yùn)。若強(qiáng)行沖轉(zhuǎn)，勢(shì)必造成機(jī)組振動(dòng)，甚至引起機(jī)組動(dòng)靜部分的碰摩導(dǎo)致大軸出現(xiàn)永久彎曲。在汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)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(shí)會(huì)有少量蒸汽進(jìn)入汽缸，為了避免轉(zhuǎn)子和汽缸上下受熱不均勻而引起轉(zhuǎn)子的熱彎曲，也需要對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行盤車。對(duì)中間再熱機(jī)組，鍋爐點(diǎn)火后通常要投入旁路系統(tǒng)，此時(shí)凝汽器內(nèi)的蒸汽將通過(guò)排汽缸進(jìn)入汽輪機(jī)，使汽缸及轉(zhuǎn)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(jī)組沖轉(zhuǎn)之前，通過(guò)盤車，還可檢查機(jī)組是否已具備了正常的沖轉(zhuǎn)條件。如動(dòng)靜部分是否有碰摩，主軸彎曲度是否超過(guò)規(guī)定值，潤(rùn)滑油系統(tǒng)是否正常等。在冬季，還可利用盤車裝置提高潤(rùn)滑油溫使其達(dá)到?jīng)_轉(zhuǎn)要求的溫度。9/13/2023462.3汽輪機(jī)總體結(jié)構(gòu)2.3.1汽輪機(jī)的總體布置形式

汽輪機(jī)總體布置形式包括汽缸、排汽口、轉(zhuǎn)軸數(shù)量和布置方式。影響汽輪機(jī)總體布置形式的因素很多，主要有汽輪機(jī)的用途、型式、參數(shù)、容量等。另外，從強(qiáng)度角度出發(fā)，還需考慮影響機(jī)組安全運(yùn)行的諸因素。設(shè)計(jì)蒸汽流動(dòng)方向時(shí)應(yīng)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(zhǎng)度和汽缸之間的相對(duì)位移；方便汽輪機(jī)進(jìn)排汽管道的布置等；9/13/202347分缸情況及蒸汽流程實(shí)例核汽輪機(jī)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9/13/2023482.3.2核電站濕蒸汽汽輪機(jī)的總體配置

大亞灣核電廠的汽輪機(jī)為英國(guó)通用電器公司設(shè)計(jì)制造的飽和蒸汽、中間再熱、單軸沖動(dòng)式汽輪機(jī)。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(jìn)：0.74MPa,265.1℃(過(guò)熱度95℃)；排汽壓力7.5kPa,濕度9.3%,2986t/h(54.11%D0)。

1個(gè)高壓缸和3個(gè)低壓缸皆為對(duì)稱分流式，共2×5+3×2×5=40級(jí)。高壓缸為鉻鉬材料鑄造的單層缸結(jié)構(gòu)，水平對(duì)分形式。隔板界采用隔板套結(jié)構(gòu)。各級(jí)葉根皆為多叉型，葉片長(zhǎng)度91~264mm,葉片頂部有預(yù)加工的鉚釘頭，用來(lái)裝置圍帶。低壓缸為雙層缸，水平對(duì)分形式。內(nèi)、外缸均由碳鋼制造，內(nèi)缸為焊接結(jié)構(gòu)，外缸為焊接組裝結(jié)構(gòu)。內(nèi)缸包含環(huán)形進(jìn)汽室和所有隔板，隔板由鐵素體不銹鋼制造，其結(jié)構(gòu)為標(biāo)準(zhǔn)的焊接靜葉和內(nèi)外圍帶結(jié)構(gòu)，嵌在隔板套的槽內(nèi)。動(dòng)葉由鐵素體不銹鋼制造，葉片長(zhǎng)度151~945mm,1~4級(jí)有圍帶，葉根為多叉型，末級(jí)樅樹型高、低壓轉(zhuǎn)子均由鎳鉻鉬釩鋼整鍛而成，有150mm的中心孔。9/13/2023492.4核電站濕蒸汽汽輪機(jī)的特點(diǎn)

絕大多數(shù)核電站汽輪機(jī)是利用濕蒸汽工作的，這對(duì)汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)和構(gòu)造有著重要的影響。與常規(guī)電站汽輪機(jī)相比，核電站汽輪機(jī)的主要特點(diǎn)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(yīng)堆的安全穩(wěn)定運(yùn)行，不允許一回路冷卻劑沸騰(過(guò)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(yīng)按照反應(yīng)堆壓力容器的計(jì)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(guò)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℃。9/13/202350蒸汽參數(shù)低的結(jié)果蒸汽參數(shù)低使得:

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

(2)理想焓降小多級(jí)濕蒸汽汽輪機(jī)的理想焓降比高參數(shù)汽輪機(jī)的約小30%~40%，因此：①大多數(shù)濕蒸汽汽輪機(jī)中沒(méi)有中壓缸；②低壓缸發(fā)出的功率約占整個(gè)機(jī)組的50%~60%[而在火電廠高參數(shù)機(jī)組中低壓缸約占30%~40%左右]，因此低壓缸對(duì)機(jī)組的相對(duì)內(nèi)效率具有更大的影響;③蒸汽在進(jìn)汽機(jī)構(gòu)、外置式分離再熱器中的壓力損失，對(duì)機(jī)組的熱效率有很大影響，應(yīng)盡可能改善這些部件的氣動(dòng)力學(xué)性能。9/13/202351

2.容積流量大

由于濕蒸汽汽輪機(jī)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(jī)約大60%~100%(如300MW核汽輪機(jī)的蒸汽流量約為2000t/h，相當(dāng)于600MW的火電機(jī)組)。由此導(dǎo)致核汽輪機(jī)的下列特點(diǎn)：

(1)進(jìn)汽機(jī)構(gòu)的尺寸增大；

(2)功率大于600~800MW汽輪機(jī)的高壓缸已做成雙分流結(jié)構(gòu)；

(3)第一級(jí)葉片的高度大，彎曲應(yīng)力較大，因此采用部分進(jìn)汽困難，不宜采用噴嘴調(diào)節(jié)；

(4)低壓缸通流量大，因而排汽的余速損失對(duì)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(shí)須提高排汽管中的速度動(dòng)能利用系數(shù)。9/13/202352

3.核汽輪機(jī)大多數(shù)級(jí)處于濕蒸汽區(qū)

由于新蒸汽是飽和汽，膨脹后即進(jìn)入濕汽區(qū)。因而核汽輪機(jī)大多數(shù)級(jí)處于濕蒸汽區(qū)?？梢越频卣J(rèn)為，排汽平均濕度每增大1%，汽輪機(jī)的相對(duì)內(nèi)效率約降低1%。且濕蒸汽膨脹所形成的水分對(duì)汽輪機(jī)通流部分元件及其他過(guò)流設(shè)備會(huì)產(chǎn)生沖蝕破壞作用。為此，濕蒸汽汽輪機(jī)高、低壓缸中都必須采用有效的去濕結(jié)構(gòu)和防腐措施，而且飽和蒸汽汽輪機(jī)毫無(wú)例外地設(shè)有外部汽水分離器。外部汽水分離器通常設(shè)置在高、低壓缸之間，并且同時(shí)使用中間再熱。再熱器通常分為兩段，首先用高壓缸抽汽對(duì)汽水分離器分離出來(lái)的蒸汽進(jìn)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(jī)的分缸壓力通常為新蒸汽壓力的12%~15%。9/13/202353

4.單排汽口極限功率較小由于濕蒸汽汽輪機(jī)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(jī)低很多。通?？梢杂靡韵峦緩教岣吆穗娬酒啓C(jī)的單機(jī)功率。(1)增大排汽口通流能力

可采用更長(zhǎng)的末級(jí)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(jī)功率，但卻會(huì)使汽輪機(jī)經(jīng)濟(jì)性下降。對(duì)核電站濕蒸汽透平而言，在同樣末級(jí)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(shí)可提高功率22%，經(jīng)濟(jì)性降低1.3%。(3)采用半速汽輪機(jī)由上式可知，在給定初終參數(shù)及u和θ條件下，機(jī)組的電功率與轉(zhuǎn)速的平方成反比。所以，在不增加動(dòng)葉應(yīng)力的情況下，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)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(jī)的轉(zhuǎn)子、凝汽器、排汽管等的構(gòu)造尺寸太大,制造工藝上難以實(shí)現(xiàn)，所以，實(shí)際半速汽輪機(jī)的葉片高度和級(jí)的平均直徑約可增大50%，相應(yīng)功率可提高一倍多一些。9/13/202354采用半速對(duì)汽輪機(jī)工作的影響采用半速機(jī)不僅使功率增加1倍,對(duì)汽機(jī)工作還將產(chǎn)生以下影響：①汽輪機(jī)的可靠性轉(zhuǎn)速越低，離心應(yīng)力就越小。因此，在相同材料時(shí)，其末級(jí)葉片的工作更為可靠。許多研究認(rèn)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(zhuǎn)速，可使葉片的抗侵蝕能力和可靠性大大提高。葉片振動(dòng)特性分析表明，低速汽輪機(jī)的動(dòng)態(tài)可靠性更高。②汽輪機(jī)的經(jīng)濟(jì)性有關(guān)不同額定轉(zhuǎn)速對(duì)汽輪機(jī)組效率影響的研究表明，雖然半速機(jī)組在高壓部分帶來(lái)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(duì)于400~600MW汽輪機(jī)組，采用半轉(zhuǎn)速可使汽輪機(jī)的經(jīng)濟(jì)性提高0.8~1.1%。(余速損失減小)據(jù)對(duì)世界410臺(tái)核電機(jī)組統(tǒng)計(jì)，900MW以上機(jī)組多數(shù)為半速機(jī)組③重量、尺寸和造價(jià)在保持最佳速比的條件下，若轉(zhuǎn)子直徑不變，降低轉(zhuǎn)速會(huì)使級(jí)的焓降減小，使汽輪機(jī)級(jí)數(shù)增多；若每級(jí)焓降不變，則需增大級(jí)的直徑。這些都將使汽輪機(jī)的尺寸和材料消耗量增大(功率增加一倍重量約為原來(lái)的2.8倍)

。因而汽輪機(jī)的造價(jià)也相應(yīng)增加。9/13/202355(4)給水回?zé)峒訜岷穗娬局胁捎媒o水回?zé)峒訜?，除具有常?guī)電站可提高單機(jī)功率等優(yōu)點(diǎn)外，還有以下特點(diǎn)：①在飽和蒸汽區(qū)內(nèi)采用抽汽進(jìn)行給水回?zé)?，在熱力學(xué)上比過(guò)熱區(qū)有利；②抽取濕蒸汽能夠幾乎無(wú)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(jī)效率和后面各級(jí)