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超超临界1000MW汽轮机设计特点说明

发布时间：2010/12/11 阅读次数：1160 字体大小: 【小】【中】【大】

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超超临界1000MW汽轮机
设计特点说明
上海汽轮机有限公司
设计研究所
二00六年五月 1
目次
本体部分......................................................................................................................3
1.总体介绍..................................................................................................................3
2.高压缸的特点：.......................................................................................................4
3.中压缸的特点：.......................................................................................................5
4. 低压缸的特点：.....................................................................................................5
5.阀门的特点...............................................................................................................7
6.独特的膨胀系统设计...............................................................................................7
7.主要部件材质...........................................................................................................7
西门子通流部分特点：............................................................................................10
1高压缸第一级叶片级的独特技术风格.................................................................10
2中压缸第一级的独特技术风格..............................................................................11
3西门子的叶片结构：...........................................................................................12
4西门子的静叶装配特点.........................................................................................13
5具有预扭力的叶片装配.........................................................................................14
6西门子的叶片系列.................................................................................................15
7 3DSTM 叶片（马刀）.............................................................................................16
8 3DVTM 叶片（变反动度）....................................................................................17
9末级空心静叶.........................................................................................................18
10末级长叶片...........................................................................................................20
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本体部分
1.总体介绍
本机组总体型式为单轴四缸四排汽；所采用的积木块是西门子公司近期开发的最大功率可达到1100MW等级的HMN型积木块组合：一个单流圆筒型H30高压缸，一个双流M30中压缸，两个N30双流低压缸。
机组采用全周进汽，不仅解决了调节级叶片的强度问题还避开了一大汽流激振源。本机组具有超群的热力性能；优越的产品运行业绩及可靠性；高效、高可用率、容易维护、检修所花时间少、运行灵活、快速启动及调频调峰能力。
机组采用一只高压缸、一只中压缸和二只低压缸串联布置。高压缸在制造厂完成装配后，作为一个整体发运，到现场后不再解体，直接吊装就位。两个主汽门调门组件位于高压缸两侧，在水平位置与高压缸刚性连接。中压缸为双流设计，进汽口在水平中心两侧切向进汽。中压联合汽门是位于中压缸两侧，在水平中心位置与中压缸用法兰连接。中压缸和两个中压联合汽门也是在制造厂分别完成装配后，到现场直接吊装就位。这样，不仅减少了现场安装的工作量，也减少了二次装配所带来的误差。低压缸采用二层缸设计，低压外缸和低压内缸均采用钢板焊接结构。低压外缸分成六个部分现场焊接，而且低压外缸完全和基础脱离，直接和凝汽器刚性相连。低压内缸猫爪穿过外缸搭在两端轴承座上。
汽轮机四根转子分别由五只径向轴承来支承，除高压转子由两个径向轴承支承外，其余三根转子均只有一只径向轴承支承。这种支承方式不仅是结构比较紧凑，主要还在于减少基础变形对于轴承荷载和轴系对中的影响，使得汽机转子能平稳运行。这五个轴承分别位于五个轴承座内。
整个高压缸静子件和整个中压缸静子件由它们的猫爪支承在汽缸前后的二个轴承座上。而低压部份静子件中，外缸重量与其它静子件的支承方式是分离的，即外缸的重量完全由与它焊在一
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起的凝汽器颈部承担，其它低压部件的重量通过低压内缸的猫爪由其前后的轴承座来支承。所有轴承座与低压缸猫爪之间的滑动支承面均采用低摩擦合金。它的优点是具有良好的摩擦性能，不需要润滑，有利于机组膨胀畅顺。
2号轴承座位于高压缸和中压缸之间，是整台机组滑销系统的死点。在2号轴承座内装有径向推力联合轴承。因此，整个轴系是以此为死点向两头膨胀；而高压缸后猫爪和中压缸前猫爪在2号轴承座处也是固定的。这样的滑销系统在运行中通流部分动静之间的差胀比较小，有利于机组快速启动。
采用两种盘车装置，一为液压马达，其安装于高压转子调阀端，位于1号轴承座内。为机组起停时盘动转子。二为手动和安装盘车装置，位于3号轴承座上，以便于满足现场安装和现场动平衡要求。
2.高压缸的特点：
高压缸采用双层缸设计。外缸为桶形设计，内缸为垂直纵向平分面结构。由于缸体为旋转对称，避免了不理想的材料集中。使得机组在启动停机或快速变负荷时缸体的温度梯度很小，这也就是将热应力保持在一个很低的水平。
H型圆通单流高压缸
无中分面的圆筒型高压外缸有极高的承压能力。即使内缸有中分面，但是外缸承载大部分的压力，内缸只需承载内外缸的压差，这样大大减小内缸的承载压力，所以螺栓应力也小，安全可靠性好。目前用于玉环机型的高压缸积木块H30，其设计压力达到30MPa。
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高压缸采用单流程设计，单流程使超超临界参数下的叶片级通流面积比双流程要增加一倍，叶片端损大幅度下降，与其他机型的高压缸相比，其效率要高4.5%∼7%左右。高压第一级斜置叶片设计不仅效率高，而且非常成功地解决了大功率超超临界汽轮机调节级的强度及机组运行的可靠性问题。
􀀠 滑压运行方式；大幅度提高超临界机组部分负荷的经济性。
􀀠 滑压及全周进汽根本上消除了喷嘴调节造成的汽隙激振问题。
􀀠 滑压及全周进汽使第一级动静叶片的最大载荷大幅度下降，根本解决了
第一叶片级采用单流程的强度设计问题。
3.中压缸的特点：
中压缸采用双流双层缸设计。中压高温进汽仅局限于内缸的进汽部分。而中压外缸只承受中压排汽的较低压力和较低温度。这样汽缸的法兰部分就可以设计得较小。同时，外缸中的压力也降低了内缸法兰的负荷。
中压缸进汽第一级除了与高压缸一样采用了低反动度切向进汽的第一级斜置静叶结构外，为冷却中压转子还采取了一种切向涡流冷却技术，降低中压转子的温度，为此，可满足机组中压缸进口再热温度和主蒸汽温度相同的要求。
􀁺 中压缸涡流冷却技术.
􀁺 小直径、多级数，制造成本会增加，但效率高，转子应小。
􀁺 各叶片级与静叶对应的转子上也装有汽封，形成较大的漏汽阻尼。
􀁺 动叶基本采用‘T‘叶根，与侧装式叶根相比，可减少轴向漏汽损失。
4. 低压缸的特点：
低压缸采用二个双流双层缸设计。低压外缸由二个端板、二个侧板、一个下半钢架和一个上盖组
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成。外缸与基础分离，直接坐落于凝汽器上。它大大降低了运转层基础的负荷。低压内缸通过其前后各二个猫爪，搭在前后二个轴承座上，支撑整个内缸、持环及静叶的重量。并以推拉装置与中压外缸相连，以保证动静间隙。所有高中压汽缸和低压的内缸均通过轴承座直接支撑在基础上，汽缸不承受转子的重量，变形小，易保持动静间隙的稳定。
􀀠 轴承座直接落在基础上。
􀀠 低压内缸直接搭在轴承座支
撑在基础上，并以推拉装置与中压外缸相连，以保证动静间隙
低压末级动叶片长度为1145.8毫米，每圈52片，设计成钢制自由叶片，这是考虑消除围带离心力的作用。它也没有拉金等阻尼件，有益于减少流道损失，提高效率。这是目前应用在3000转/分汽轮机中最长的叶片。动叶片进汽边并没有堆焊硬质合金，而是采用新型的激光表面硬化技术, 激光硬化的最大优点在于，它与其他技术不同，在表面形成压应力不但不会降低,，反而有利于提高材料的抗疲劳强度和抗应力腐蚀能力。另外这与静叶片的结构有关。为了保护末级动叶不受水珠冲蚀，末级静叶采用空心结构，有抽吸槽将水份抽出，以这种方式来防止动叶冲蚀，是一
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种比较独特的方式。
5.阀门的特点
阀门坐落在高压缸和中压缸的两侧，采用切向进汽；主门和再热门直接和汽缸相连，没有导汽管；阀门直接座在基础上减小了对汽缸的附加作用力。高压缸采用补汽阀技术。
在原主汽门后、调门前引出一个管道，接入一个补汽阀，相当于在主汽门后连接的第三个调节阀。该补汽阀的结构与主调门相同，位于高压缸下部。补汽阀是与全周进汽、滑压运行相配套，提高效率的先进技术。已在山西阳城电厂6X350MW成功应用。补汽阀节流进入第五级后,温度低约30度,还可起到冷却高压汽缸作用,对大于600°C汽机更为有利。补汽阀的开起点一般在当功率从TMCR工况增大时开启，但随时可根据电网频率变化起到调频作用。补汽阀的使用使滑压运行机组在额定流量下，进汽压力达到额定值，避免了全周进汽滑压运行模式没有用足蒸汽压力的能力。对经济工况与最大工况流量相差大的机组还可提高经济性。机组在实际运行时，不必通过主调门的节流就具备调频功能，可以避免节流损失，而且调频反应速度快，同时可以减少锅炉的压力波动
6.独特的膨胀系统设计
机组的膨胀系统设计具有独特的技术风格：
􀀠 机组的绝对死点及相对死点均在高中压之间的推力轴承处，为此动静叶片的相对间隙变化最小。
􀀠 汽缸之间有推拉装置.
􀀠 汽缸与轴承座之间有耐磨、滑动性能良好的金属介质。
除高压转子外，其他两个转子之间只有一个轴承支撑，这样转子之间容易对中，不仅安装维护简单，而且轴向长度可大幅度减少；与我公司的四缸四排汽机型相比，本机组的轴向总长要短8-10m。
与其他风格的机型相比，对超超临界压力的减小汽隙激振方面，具有非常明显的技术优势：
􀀠 单流高压缸，转子跨度明显小于其他机型，转子刚性，临界转速比其他机型要高20%~30%。
􀀠 全周进汽的运行方式彻底消除了一大汽隙激振源。
􀀠 单轴承使轴承比压高，采用高粘度的润滑油，稳定性好。
􀀠 小直径高压缸，多道汽封，包括各级叶片的转子部位也装有汽封，有利于减少汽隙激振。
7.主要部件材质
西门子高温材料分为四个等级，前两种在目前超临界机组中应用最多。：
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改进的10%Cr及9Cr钢适当减少了Cr，加入了微量Mo、W、V、Nb、B、N等元素。高温强度明显提高，与CrMoV钢相比，温度等级提高了40 °C∼70°C。改进的10%Cr缸已在外高桥900MW，25MPa，538°C /566°C，NIEDERAUSSEM，1025MW，26.5MPa/576°C/599°C以及ISOGO的600MW、25.1MPa/600°C/610°C机组实际应用，证明是切实可行的。
西门子对于高温静止部件采用GX12CrMoVNbN9-1或X12CrMoWVNbN10-1-1这两个材料均属于9-10%Cr钢，其可用性和安全性均符合西门子公司设计准则的要求，对于高中压内缸、高温阀门等高温静止部件，西门子目前推荐使用不含W的GX12CrMoVNbN9-1钢，理由是：GX12CrMoWVNbN10-1-1和GX12CrMoVNbN9-1 同属于600～610℃档次的9－10%Cr钢；含W的钢着重提高材料的高温强度，实际上材料加W在高温强度有所提高的同时，疲劳强度（低周疲劳和热疲劳）并未提高甚至相对有所下降；不加W的钢高温强度性能相对要略低一些，但是疲劳强度（低周疲劳和热疲劳）则相对较高。选材应同时考虑部件的金属温度和载荷等条件。在超超临界机组发展的早期阶段，仅注重高温（静）强度，几乎一律采用含W的钢种。但随着9－10%Cr钢在超超临界汽轮机中多年应用经验的积累，特别是随着超超临界汽轮机设计准则的日益完善，逐渐认识到疲劳强度（低周疲劳和热疲劳）才是超超临界机组安全运行的关键。为了进一步提高超临界汽轮机的安全可靠性，目前对处于疲劳工作状况的高温部件选材的原则是：在高温（静）强度满足安全的要求条件下尽量采用疲劳性能更好的材料，因此应尽量选用不含W的9－10%Cr钢。
主要部件材质表
部件名称
材质
进汽缸
GX12CrMoWVNbN10-1-1
高压外缸
排汽缸
G17CrMoV5-10
高压内缸
GX12CrMOVNbN9-1
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中压内缸
GX12CrMOVNbN9-1
主汽门阀体
GX12CrMoWVNbN10-1-1
主汽门阀壳
GX12CrMoWVNbN10-1-1
再热门阀体
GX12CrMoWVNbN10-1-1
再热门阀壳
GX12CrMoWVNbN10-1-1
高压第一级动叶
NiCr20TiAl
高压第一级斜置静叶
X12CrMoWVNbN10-1-1
中压第一级动叶
NiCr20TiAl
高压第一级斜置静叶
X12CrMoWVNbN10-1-1
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通流部分特点：
1．高压缸第一级叶片级的独特技术风格
西门子独特的高压第一级叶片设计不仅效率高，而且非常成功地解决了大功率超超临界汽轮机调节级的强度及机组运行的可靠性问题：
􀁺 滑压运行方式；大幅度提高超临界机组部分负荷的经济性。􀁺 第一级为低反动度叶片级（约20%的反动度），降低进入转子动叶的温度。􀁺 切向进汽的第一级斜置静叶结构；效率高、漏汽损失小。􀁺 100%的全周进汽，对动叶片无任何附加激振力。
􀁺 滑压及全周进汽根本上消除了喷嘴调节造成的汽隙激振问题。
􀁺 滑压及全周进汽使第一级动静叶片的最大载荷大幅度下降，根本解决了第一叶片级采用单流程的强度设计问题。
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2．中压缸第一级的独特技术风格
西门子中压缸进汽第一级除了与高压缸一样采用了低反动度叶片级（约20%的反动度），以及切向进汽的第一级斜置静叶结构外，为冷却中压转子还采取了一种切向涡流冷却技术，降低中压转子的温度，为此，目前中压缸积木块的进口再热温度可比主蒸汽温度高，达到620°C。
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切向进汽的第一级斜置静叶结构
􀁺 切向涡流冷却技术，降低中压转子的温度约15°C
3．西门子的叶片结构：
整体围带
3D型线优化
3种T型叶根
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4．西门子的静叶装配特点
马刀静叶
持环或内缸
静叶
动叶
转子
西屋静叶装配：焊接成半圈装入持环中
西门子静叶装配：与动叶类似单个叶片装入持环中
请制造和工艺考虑装配周期
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5．具有预扭力的叶片装配
基于菱形基准面的装配预扭
具有伸缩的预扭力的叶片
叶片有很好的阻尼特性
严格控制装配过程中的预扭力
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6．西门子的叶片系列
3DVTM 叶片（变反动度）
优化整个通流部分的负荷分配
3DSTM 叶片（马刀）
• 在底部、中间、顶部采用不同的型线
• 调整径向汽流角分布
• 减少冲角和型线损失
扭叶片（第一代3D）
直叶片
• 在扭叶片的基准上进行弯曲
•减少二次流损失
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7 . 3DSTM 叶片（马刀）
• 减少二次流损失
• 调整叶片的压力分布
• 先进的CFD设计方法
• 通过实验进行验证
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8. 3DVTM 叶片（变反动度）
变反动度的膨胀线
定反动度的膨胀线
变反动度比传统的通流设计提高1%的效率
从气动力学角度，提出了变反动度的设计原则；即每一叶片级的反动度是不相等的。反动度是与叶片的几何尺寸、焓降、进出角特性对应的；变反动度的设计是以最佳的气流特性决定各级的反动度，而不是按统一的反动度去牺牲某些气动性能。不同反动度叶片级的组合将提高整个缸的通流效率。
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9.末级空心静叶
末级静叶采取空心叶片结构，有抽吸槽将水份抽出 􀀠 动叶进汽边激光淬硬􀀠 有抽汽槽的空心静叶􀀠 减小静叶出汽边􀀠 抽吸槽􀀠加大动静叶距离
空心静叶
内环
外环
末级空心静叶由整块钢板弯制焊接成一体，然后在焊接到内外环上，每级当中有5片中间加有疏水管
空心静叶截面图
疏水管
10.末级长叶片
末级叶片长度是1146m,排汽环形面积是10.98 m2, 是目前世界上有运行业绩，3000r/min最长、排汽面积最大的叶片。末级动叶片采用新型的激光表面硬化技术，这是西门子公司的一项特有技术，其特点在于：叶片的进汽边硬化层能完全穿透，见右图。

1000MW%C6%FB%C2%D6%BB%FA%C9%E8%BC%C6%CB%B5%C3%F7.pdf

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