汽轮机本体.doc

汽机培训教材 C版第1章 汽轮机本体1.1. 汽缸1.1.1. 概述汽缸是汽轮机的静止部分，它的作用是将蒸汽与大气隔绝，形成汽流完成能量转换的封闭空间，此外，它还要支撑汽轮机的其他静止部件，如：隔板、隔板套、喷嘴汽室等，按汽流在汽轮机内流动的特点，汽缸的高中压部分承受蒸汽的内压力，低压部分有一部分缸体承受外部的大气压，由于汽缸的重量大，结构复杂在运行过程中，汽缸各部分承受的载荷变化不大，但是汽流在工作过程中，温度和比容变化较大，因此，汽缸在设计和制造过程中，仍需考虑较多的问题，其中主要有：汽缸及其结合面的严密性，汽轮机启动过程中的汽缸热膨胀、热变形和热应力，汽缸的刚度、强度和蒸汽流动特性（特别是进汽室和排汽室）等。为了便于加工、装配和检修，汽缸一般做成水平中分形式，其主要特点是：汽缸通常分为上下两个部分，转子从其纵向中心穿过，为了使汽缸承受较大的蒸汽压力而不泄漏，汽缸上下两个部分用紧固件连接，最常用用的是用螺栓、螺帽，它们沿上下缸中分面外径的法兰将上下缸紧密联在一起，为了保证法兰结合面的严密性，汽缸中分面在制造过程中必须光洁、平整，法兰螺栓的连接一般采用热紧方式，也就是在安装螺栓时给螺栓一定的预紧力，在经过一段时间的应力松施后仍能保证法兰的严密性。另外，汽缸的进汽部分尽可能不集中布置在汽缸的一个部分，避免造成局部热应力过大，引起汽缸的变形，也是避免汽缸中分面漏汽的一个措施。随着机组容量的增大，蒸汽参数的提高，设计密封性能好而且可靠的的法兰成为非常困难的事情，为了解决值这个问题，大型的汽轮机往往做成双层缸体结构，内外缸之间充满着一定压力和温度的蒸汽，从而使内外缸承受的压差和温差较小，缸体和法兰都可以做的较薄，减小了热应力，有利于改善机组的启动和负荷适应能力。一般情况下，双层缸的定位方法为：外缸用猫爪支撑在轴承座上，内缸与外缸采用螺栓连接，并用定位销和导向销进行定位和导向。汽缸在运行中要承受内压力和内外壁温差引起的热应力，为了保证动静部分在正常运行时的正确位置，缸体材料必须有足够的刚度，所选用的材料应具有足够的强度性能、良好的组织稳定性和抗疲劳性，并具有一定的抗氧化能力。对于汽缸的中分面法兰紧固件，因为其在应力松施的条件下工作且承受拉伸应力，因而这些部件材料要具有较高的抗松施性能、足够的强度、较低的缺口敏感性、以及较小的蠕变脆化倾向和抗氧化性，通常螺母的强度比螺栓低一级，这样两者硬度不同减小螺栓的磨损，并能防止长期工作后不咬死。为了保证汽缸受热时自由膨胀又不影响机组中心线的一致，在汽缸和机座之间设置了一系列的导向滑键，这些滑键构成了汽轮机的滑销系统，对汽缸进行支撑、导向和定位，保证汽轮机良好对中，各汽缸、转子、轴承的膨胀不受阻碍。高中压缸一般都采用支撑面和中分面重叠的上猫爪支撑结构。汽缸本身的热膨胀和转子的热膨胀也是汽轮机设计过程中要考虑的问题，要合理的选定汽缸的死点、转子与汽缸的相对死点的位置，留有足够的相对膨胀间隙，保证动静部分的间隙在合理的范围内，提高汽轮机的整体工作效率。汽轮机在运行中，在汽缸内不允许有任何积水，因此，汽缸在设计时应有足够的去湿装置，疏水应留有足够的通流面积，尽可能的避免无法疏水的洼窝结构。1.1.2. 高中压缸图21为高中压合缸汽轮机高中压部分结构示意图，采用单流程、双层缸、水平中分结构，外缸为上猫爪支撑形式，上下缸之间采用螺栓连接。在高压缸第6级后，高压缸排汽、中压缸第11级后中压缸排汽布置四级抽汽口，分别供1、2、3高加及除氧器用汽。高中压内缸之间设置有分缸隔板，在高中压外缸两端及高中压内缸之间设置有轴端密封装置，在高中压外缸和轴承座之间设置有挡油环。图21 汽轮机高中压合缸结构示意图1、轴振监测仪 2、汽轮机机架 3、1支撑轴承 4、挡油环 5、轴封 6、喷嘴隔板7、高压内缸 8、叶片 9、高压外缸 10、第一级喷嘴汽室 11、轴封12、中压内缸 13、联通管 14、轴封 15、挡油环 16、支撑轴承17、轴承测振仪 18、推力轴承19、推力轴承磨损监测器 20、转子 21、轴向位移监测仪 一、本汽轮机高中压缸的主要特点采用高中压合缸技术：这种布置方法结构紧凑，高压内缸和中压内缸被布置在同一个外缸之内，呈反向流动，减少了轴承和轴封数量，缩短汽轮机的跨度，更好的平衡轴向推力，从而减少了汽缸纵向热应力。高温部分集中在汽缸的中段，轴承和调节部套受高温影响较小，两端外轴封漏汽较少，但高中压合缸也存在一定的缺点，主要是：高中压分缸隔板承受较大的压差，在汽轮机变工况时产生较大热应力，机组的动静部分胀差不容易控制，由于高中压进汽管道集中不知在中部，显得拥挤，给检修带来诸多不便。另外为了防止汽轮机在甩负荷时，中间汽封室积压串汽，引起汽轮机超速，本汽轮机在中间汽封室设置事故排放阀，在甩负荷时，将中间汽封室的存汽引至凝汽器。高中压缸为双层缸结构：大型汽轮机为了减小汽缸的热应力，均设计制造成双层缸结构，对一定的金属材料而言，汽缸的热应力分散于两缸，内缸承受的温差小，压差大，缸壁较薄，能承受较大的热应力，有利于变工况运行，双层缸结构的汽轮机使得汽缸法兰薄，在变工况、温度变化时，这些部件的温度变化较快，没必要设置专门的法兰螺栓加热装置。整个高中压缸分为六个部分：高中压外缸是整体式，自中分面分为上半缸和下半缸，高、中压内缸上下四个部分。高中压外缸与高压进汽室经联接管联接，内外之间设有密封环，高压段位于具有双层缸结构的区域，以减少内外缸的热应力和温度梯度，以确保在温度变化时能均匀地膨胀和收缩。汽缸缸体采用抗高温材料：由于高压及中压部分进汽压力、温度的升高，必须在材料、结构及冷却上采取相应措施。本汽轮机汽缸高压部分采用CrMoV钢，该材料具有优良的高温性能；在结构上保证内缸的最大工作压力为喷嘴后的压力与高排压力差，外缸最大工作压力为高排压力与大气压之差，有效的降低了汽缸的工作压力，同时进汽口及遮热环的布置使得汽缸有一个合理的温度梯度，便于控制汽缸的温度应力，保证汽缸的寿命损耗在要求的范围内；中压部分除中间汽封漏汽冷却高中压转子中间汽封段以外，还从高压第级后引蒸汽冷却中压第级叶轮轮面及轮缘，大大提高了中压缸第级的可靠性。高压缸的第一级喷嘴为单独的喷嘴室：高压内缸喷嘴室共有四组喷嘴组成，沿圆周方向均匀布置，四根高压进汽导管为上下垂直布置，进汽管直接插入高压内缸的喷嘴室。锅炉主蒸汽经汽轮机主汽阀后分为四路分别进入到四个高压调节阀，经过导管进入汽轮机喷组膨胀做功。一般情况下，机组为全周进汽，只有在喷嘴调节方式下运行时为部分进汽，在部分进汽的情况下，第一级动叶受到的作用力很大，而且是局部的，最危险的截面往往发生在该级，从图21可以看出，由于高中压缸第一级喷组承受比较大的焓降，承受较大的压差，因而其叶轮厚度比其它压力级要大的多。中压缸喷嘴室：锅炉再热蒸汽经汽轮机中压联合汽阀分为两路进入汽轮机中压内缸，经过导管进入汽轮机喷组膨胀做功。高中压缸的支撑：高中压缸的支撑，除要考虑受动静部分的载荷外，还要考虑汽缸膨胀问题，采用双层缸结构，使的缸体的支撑方式十分复杂。本汽轮机的高压外上缸通过猫爪支在1轴承座和2轴承座运行垫片上，外下缸通过汽缸法兰螺栓吊在高压外上缸，外下缸上设有安装猫爪，安装猫爪通过横销连接在轴承座上，下缸通过间隙调整螺栓紧固在轴承座上。上内缸通过汽缸螺栓紧固在高压下内缸上，高压下内缸通过猫爪支承在高中外下缸上，高压上进汽通过4只螺栓紧固在高压下进汽室上，高压下进汽室通过支承脚支承在高压内下缸上，中压内上缸通过汽缸法兰螺栓紧固在中压内下缸上，中压内下缸通过猫爪支承在高中压外缸上。这种面支撑方式，可以减轻接触面的摩擦，受热膨胀和冷却时，可以自由移动。二、高中压缸的通流部分：汽轮机的通流部分主要是由各个级的通流部分和进、排汽部分组成，它包括调节阀、进汽室内的喷嘴、安装在隔板上的静叶、紧固在转子上的动叶栅等部件组成，是汽轮机完成能量转换的核心部件。在进行汽轮机通流部分设计时，主要考虑问题有：最有利的循环参数、合理的配汽机构、力求各缸乃至整机的效率最高，满足强度和刚度的要求，结构合理、安全可靠。另外，随着机组容量的增大，蒸汽初参数的提高，汽轮机通流部分固体颗粒侵蚀已成为不容忽视的问题，各个制造商在进行通流部分设计时都力求使SPE降到最低的程度。本汽轮机的高压部分共有8级，中压缸有6级，高压缸第六级后抽出蒸汽作为1高加的加热汽源，从高压缸排汽抽出一部分蒸汽作为2高加的汽源。中压缸共有两级抽汽，分别供3高加和除氧器。为了减小汽轮机的漏汽损失，在高中压缸通流部分内外缸的端部、转子和隔板、叶片护环和内缸之间，都设置了汽封装置。1）、高中压缸的隔板隔板是将汽轮机的通流部分分割成若干级，用以固定汽缸内各级静叶片和阻止级间的漏气。蒸汽在级内进行能量转换时压力逐渐降低，若仅隔板两侧存在压力差，而动叶前后的蒸汽压力相等，这种级叫纯冲动级，若蒸汽内的压降主要集中在隔板的静叶内，在动叶内只有较小的压降则这种级叫冲动级，若蒸汽在在动叶栅和静叶栅内的压降近似相等，则叫反动级。本汽轮机是纯冲动式汽轮机，在隔板中承受较大焓降，转子对轴承产生较小的轴向推力，提高了机组整体的安全性。隔板的主要部件由外环、外围带、静叶栅、内围带、隔板体等部件组成，如图22所示，隔板体和静叶栅外围带采用焊接结构。隔板一般做成沿水平中分的两块，便于安装拆卸，为了使隔板工作时具有良好的经济性和可靠性，隔板的结构应能满足一下要求：足够的强度和刚度，良好的汽密性，合理的支撑和定位与转子同心，隔板上的喷嘴具有良好的空气动力性能、足够的表面光洁度和正确的出汽角。隔板按其结构一般可分为装配型和焊接型两种，由于纯装配型结构的隔板金属消耗量大，成本较高，静叶顶部和根部有贴合间隙会产生蒸汽泄漏，现在用的越来越少了。焊接隔板是将铣制好的静叶焊接在冲好型空的内外围带之间，构成喷嘴弧段，然后再与弧形外缘和隔板体相互 图22隔板结构简图 焊接而成，这种隔板有较好的强度和刚度，减少金属耗量，具有良好的汽密性。本汽轮机隔板采用焊接隔板，隔板内外围带在数控机床上精加工，保证静叶片在隔板中的准确定位，隔板中分面采用径向折线式结构或凹凸镶嵌式结构，在数控镗铣床进行精加工，保证隔板中分面的静叶片时完整的。喷嘴组静叶片 广泛采用扭曲叶片，叶片出汽边的修整严格按日立公司标准和操作方法执行，出汽边厚度严格控制，有效地减少了尾迹损失。 图22 隔板结构示意图隔板在汽缸或隔板套的固定必须满足隔板受热时的自由膨胀和堆中的要求，隔板与隔板槽之间留有一定的间隙，大型机组的隔板安装一般采用中分面支撑方式，这种结构是借助与Z型悬吊销，将隔板支撑在汽缸下部中分面上，隔板与汽缸的对中依靠悬吊销支持面下面的调整垫块和定位销进行调整。隔板上半块采用依托方式由下半块支撑。在结合面处设置平键，它被沉头螺钉固定在隔板上装配时与下隔板相应的凹槽相配合，实现隔板上下部分的对中，为了便于检修和拆装，上隔板一般采用止动压板将上隔板固定在上汽缸上，压板用沉头螺钉固定在上汽缸上，这样在拆装隔板时，隔板能够和缸体一起起吊。这种连接方式能很好的解决水平结合面的漏汽问题，增强上下隔板的结合刚度。本汽轮机采用了径向同心刚性隔板，中分面支撑方式，当温度升高时，从转子中心向外膨胀，保持相对较小的径向间隙，具有较高的经济性。2）高中压缸静叶片汽轮机的静叶片是构成汽轮机级的主要部件，蒸汽在静叶片组成的汽道内膨胀加速，将蒸汽的热能变化为动能，是汽轮机做功的主要部件，为保证叶片有较高的效率，一般情况下，高中压缸静叶片都是带整体的叶根和围带的型钢加工而成，本汽轮机高中压静叶型线采用高效的厚加载层流叶型（AVN），这种扭曲不等截面静叶片的毛坯一般采用环形锻件或精铸件，铸件成形后。其型面在数控铣床铣制而成。具有较好的空气动力特性，较高的效率。大型汽轮机高压缸的进汽端一般设立单独的喷嘴汽室，因而第一级喷嘴就不像其他级那样装在隔板上，而是直接固定在喷嘴上，采用这样的结构主要考虑的因素是：将汽缸与最高参数的蒸汽相接触的部分限制在最小的范围内，可以使汽轮机转子以及除进汽室第一级喷组以外的缸体等静止件仅与降压后的蒸汽相接触，降低汽缸的整体机械应力，有利于汽轮机的安全，使得汽缸结构简单，缸体较薄，提高机组对工况的适应性。另外由于整体喷嘴汽室的结构降低了轴端漏汽，可以简化轴端汽封的结构，提高了机组的整体效率。目前汽轮机普遍采用多个调节阀控制汽轮机的进汽量，与之相应的第一级喷嘴也分成若干个喷组组，每组喷嘴占据第一级进汽圆周的一个弧段。本汽轮机喷嘴汽室的喷嘴共分四个弧段，由四个调节阀控制，第一、二喷组弧段共有23个喷嘴，第三、四喷嘴组共有55喷嘴。喷嘴汽室采用改良型ZG15Cr1Mo1V材料，能满足在非全周进汽产生的应力对金属材质的要求。三、汽轮机通流部分的固体颗粒侵蚀（SPE）通流部分，主要是调节级及中压缸第一级的固体颗粒侵蚀是亚临界和超临界机组普遍存在的问题，固体颗粒的产生主要是由于锅炉、主蒸汽管道和再热蒸汽管道中内表面的氧化铁剥离层，剥离层脱落形成的固粒主要对调节级、再热第一级静动叶产生严重冲蚀，机组蒸汽初参数越高，其携带固体颗粒的能力越大，对汽轮机的通流部分的损伤越大。通流部分的固体颗粒侵蚀不仅使机组的经济性恶化，同时，由于调节级承担的焓降较大并工作在高温高压的蒸汽区， 因而造成调节级的强度大大降低，危机机组的安全运行。解决SPE的方法大致有采用降低SPE的通流部分的结构设计，机组配置合理的旁路、在容易发生SPE的部位涂层等。调节级的SPE主要产生在喷咀出汽边内弧上，这主要是来自进汽管的粒子被汽流加速后以小角度冲击在压力面出汽边上，加上喷咀的转折角较大，出汽边内弧正好处于冲击射线上，因而在该部位容易产生严重冲蚀。再热第1级固粒冲蚀主要表现在导叶出口背弧上，其SPE机理是静动叶片间粒子复杂的多重反射冲击，来自导叶出口的粒子首先打在动叶进汽边背弧上，粒子在动叶上获得巨大切向速度，并以小角度冲击导叶出口背弧表面，对导叶形成严重的腐蚀。本汽轮机在防止固体颗粒侵蚀方面，针对不同的通流部分采取了不同的防止方法：调节级采用新的斜面喷嘴型线技术（见图23）和保护涂层技术，改变固粒的冲击角度，使出汽边内弧偏离冲击射线，可有效减小调节级的SPE。再热第1级主要是合理加大动静叶轴向间隙，使从动叶反射的粒子被主流吹回动叶流道而不能打在静叶出口背弧上，切断粒子多重反射的途径；同时对静叶采用等离子淬火层保护技术，动静叶采用特殊材料设计，提高动叶的耐冲蚀性能；从而有效防止了SPE，提高持久效率（见图24）。 普通型 改进型图23调节级防止固体颗粒侵蚀示意图 原设计 改进设计 图24 再热第一级防止固体颗粒侵蚀示意图1.1.3. 低压缸低压缸的工作特点低压缸的结构是根据低压缸的工作特点设计制造的。低压缸主要有以下工作特点：低压缸处于蒸汽从正压到负压的工作区域，排汽压力很低，蒸汽比容增加很大，因而，往往采用双缸反向对称布置的双分流结构，采用这种结构的主要优点有：能很好的平衡轴向推力，避免叶片过长，减小离心力，避免汽缸制造的过于庞大。低压缸内每一级压降不大，但其做功能力超过高中压缸的任何一个压力级，所以，低压缸的结构应能保证机组安全的前提下，多做功，低压缸排汽的压力非常低，因此低压缸的缸体特别庞大，并与凝汽器直接连接。低压缸的纵向温差变化大，是整个机组中受温差变化最大的部分，为减小温差产热应力改善机组的膨胀条件，大机组都采用三层缸结构，具体的结构见图23，第一层为安装通流部分组件的内缸，大都采用部件组合结构，隔板装于隔板套上，第二层为隔热层，由于低压缸进汽部分温度较高，外部排汽温度较低，因此都采用设置隔热板的方法，使得汽缸温差分散，温度剃度更加合理，第三层为外缸，用以引导排汽和支撑内缸各组件。有的设计厂家不把隔热板算作一层，因此，称低压缸为双层缸结构。低压缸进汽管布置方式：一般情况下低压缸的进汽由导汽管自汽缸顶部垂直引入，穿过外缸进入内缸的环形空间，均布进入两个分流缸的通流部分做功，在低压缸的下部抽出一部分蒸汽供四级加热器用汽。低压缸的排汽经排汽管进入相应的凝汽器，排汽管和凝汽器之间采用挠性膨胀节，用于补偿设备和管件的膨胀。一般情况下，低压缸都设计成径向扩压型排汽缸，低压缸这种设计的主要目的是：可使汽缸出口静压高于进口静压，使蒸汽的动能转化成压力能，减小末级叶片出口至冷凝器入口的压降，从而减少排汽损失，提高低压缸的效率。低压缸的喷水装置：机组正常运行时，排汽压力温度很低，但在汽轮机启动、空载或低负荷时，由于蒸汽通流量减小，不足以带走低压缸由于鼓风摩擦产生的热量，从而使排汽温度升高，当排汽温度过高时，会引起低压缸的变形，使汽缸与转子中心线相对位置的改变，增加机组的振动，为防止低压缸的热变形，大型汽轮机组低压缸都设置了低压缸喷水装置。另外，还限定低压缸排汽温度的极限值，当超过此数值时，作用于汽轮机ETS系统使汽轮机跳闸；当低压缸排汽压力过高时，为保护低压缸，在低压缸上部设置有机械式安全门，动作的压力略高于大气压。低压缸的去湿装置：纯凝汽式汽轮机的低压通流部分的的末几级叶片多工作在湿蒸汽区，对于这些湿汽级，由于蒸汽中含有水份，对叶片的工作带来了不良的影响，主要是，湿汽引起的附加能量的转换损失，使叶片工作效率降低，蒸汽中的水份对动叶片造成水蚀，使叶片的寿命降低。为了预防和减轻湿汽级叶片的水蚀危害，一般采用下列几种方法：限制末级叶片的排汽湿度，提高叶片的本身抗水蚀能力，在通流部分设计去湿装置，适当放宽动、静部分的间隙，选用适当的动叶叶型等。本汽轮机有两个形式完全相同的低压缸，如图25所示，均为双分流对称结构，从中部进汽，在中分面上将汽缸分成上下两个部分。低压缸共有14级动叶片，对成布置在低压内缸的两侧，共有四级抽汽供四个低压加热器用汽，分别从第16级、17级、18级、19级级后抽出。在低压转子两侧分别通入轴封蒸汽供低压轴封用，共有三齿两腔室，在轴封与轴承座之间装设有挡油环。在低压外缸的顶部装设有两个大气泄放阀。在轴承座内装设有轴承振动监测装置、轴振检测装置等测量装置。图25 汽轮机低压缸的纵剖面图1、低压外缸2、低压内缸3、大气泄放阀4、联通管5、喷嘴隔板6、叶片7、汽封8、挡油环 9、轴承座 10、轴振动监测仪 11、低压转子 12、高中压转子二、低压缸的支撑由于低压缸缸体庞大，一般情况下，低压缸两侧的汽封和轴承都装设在外部排汽室，上半缸和下半缸在水平中分面用紧固件固定，形成一个整体，外部排汽室的支撑多采用悬吊结构，通过两侧四个支座用螺栓紧固在台板上。内上缸支撑在每一侧排汽室的导流汽室上，接触面为了减少磨损都经过淬硬处理，并允许汽缸膨胀和冷却时，作轴向运动。在轴向的两侧内下缸，座落在外部排汽室的底部框架上，通过滑销的定位，允许汽轮机汽缸沿横向中心向两侧自由膨胀。本汽轮机两低压缸前后轴承座与下汽缸焊接为一体，每个汽缸通过汽缸座架直接支承在台板上。内下缸通过汽缸猫爪支承在外下缸内调整垫片上，并且内下缸用间隙调整螺栓紧固在外下缸上。低压内缸支承在外缸四个垫片上，确保汽缸上下中心正确以确定置。轴向位置由低压内下缸两侧中部与外下缸的夹条键确定。水平方向位置由汽缸轴向中心线上的夹条键确定正确位置，通过这种布置使内缸在各种工况下保证精确对中。蒸汽入口配有一个波纹管，此波纹管在内缸与外缸之间，它让内缸沿外缸移动，并阻止空气进入冷凝器。低压缸与凝汽器的连接采用不锈钢弹性膨胀节连接方式，凝汽器与基础采用刚性支撑，即在凝汽器中心点为低压缸的绝对死点，在凝汽器底部四周采用聚四氟乙烯支撑台板，使凝汽器壳体能向四周顺利膨胀。三、低压缸通流部分本汽轮机低压缸的通流部分，共有227级，两个低压缸完全相同，都是由隔板上组装静子和转子上组装动叶组成，蒸汽沿中心线方向引入，经环形进汽室，均匀进入两侧的通流部分作功。内缸组件采用分段组合结构，有利于回热抽汽管道的引出。为了防止水蚀，在低压缸动叶顶部设置了去湿装置。为保证蒸汽在每一级中能自由膨胀，避免动静部分的摩擦，动静部分设置了一定的间隙，为了减少漏汽，在转子围带和隔板之间，叶片围带和隔板之间均设置了汽封装置。四、低压缸的隔板和静叶片本汽轮机低压缸的隔板是沿水平中分面分成上下两个部分，有隔板体、静叶和汽封装置等组成。静叶片由合金材料加工制成并，焊入隔板，低压前四级隔板为自带冠导叶，后三级为直焊式导叶片。将静叶片与隔板内环和外环焊接在一起后，再完成隔板的精加工。低压缸的内缸和隔板套一般情况下都是分段组合结构，隔板结构基本相同，由于叶片的高度不同，在其外部延伸的导流凸肩的形状有所不同，低压缸隔板是紧固在低压内缸上，随着汽缸的膨胀而保持与转子的同心，可以在三个方向上自由运动，其定位方法和高中压缸的隔板定位结构相同。由于结构的不同，低压缸通流部分的动、静叶片一般都不采用同一种形式的叶片，随着蒸汽压力的降低，容积通量变化显著，动、静叶片一般做成变截面叶片。本汽轮机的低压缸静叶采用高负荷静叶型线（CUC），提高了低压缸的整体效率。1.1.4. 运行应注意事项汽缸在运行状态下机械状态的监视是一个十分复杂的问题，在现有的测试技术水平下，有许多问题还没有彻底解决，有许多测试手段限于条件还不能投入应用。因此汽缸的监视，在一些比较关键的项目上采用的仍是间接监测，而且一些数据、指标也都带有一定的经验性，这就更增加了汽缸运行监视的复杂性。汽缸在运行时一般监视的项目有热应力、热膨胀、热变形、汽缸温度等。一、热应力的监测汽轮机在稳定工况运行时，汽缸壁除承受内部蒸汽压力所产生的静应力外，还承受内外壁不大的温差所造成的热应力，由于在稳定工况下汽缸与法兰的温差、汽缸内外壁的温差都不大，所以热应力数值也有限。但在启动、停机或负荷大幅度变化等不稳定工况下，汽缸内的蒸汽压力和温度都将剧烈地变化，压力变化范围再大，只要在设计的范围内，一般是不会引起什么不良后果的，因为汽缸壁的厚度是根据承受的最高压力来设计的。但过渡工况下温度剧烈的变化会使汽缸内外壁产生很大的温度差，由此将引起较大的热应力。当热应力和静应力的综合应力值超过金属材料的屈服极限，就会引起金属的残余变形，成为汽缸裂纹和损坏的原因，这就是提出监测汽缸热应力的原因。从热传导理论可知，对于无限大的平壁，当介质温度一定，金属壁的两个外表面的温度亦均匀，则沿平壁厚度方向温度的分布呈直线形式，而且所有各点的温度均不随时间而变化，此时的传热状态称作稳定传热。汽轮机带一定负荷稳定运行即属此种情况，当起停机时，极缓慢地升降转速和增减负荷的状态，亦属此种情况。当介质温度是时间的线性函数，在一段足够长的时间后，沿平壁厚度任意一点的温度亦为时间的线性函数，且其温度梯度场稳定，此时传热状态称作准稳定传热，此时沿平壁厚度方向温度分布呈抛物线形式。汽轮机起停机时较快的升降转速和增减负荷的过程，以及此过程结束之后不长时间内的热传导皆可视作此种情况。当介质温度或介质对壁面的放热系数发生剧烈变化时，内壁温度将很快上升，此时温度梯度场也将随时间而变化，这时的传热状态称为不稳定传热，这时沿平壁厚度方向温度的分布可视为双曲线形式，汽轮机启动升速时主汽门门壁、急剧加负荷和甩负荷时调速汽门门壁、调节级汽室处汽缸壁和法兰的热传导，均与此种情况相似。当平壁在完全约束状态下（指四周均有约束力限制变形，不考虑平壁热弯曲的附加应力的影响）加热时，内壁承受最大热压应力，外壁承受最大热拉应力，对于稳定传热当平壁在完全无约束状态下加热时，即考虑平壁因热弯曲产生附加应力的影响时，内壁所承受的最大热压应力值，外壁所承受的最大热拉应力值均将减小，实际上，汽轮机的汽缸、法兰均是界于完全约束与完全无约束之间的。汽缸或法兰壁面的热应力的大小，取决于传热方式和内外壁温度差。由于对确定的金属材料，导热系数为定值，而一般的变动工况（甩负荷、负荷剧增等急剧冷却和加热的工况例外），传热方式均可按准稳定传热考虑，此时热应力值仅决定于内外壁温差。因此内外壁温差可用来作为监视和控制汽缸壁或法兰壁热应力的可靠依据，实际启停汽轮机时，只要监视和控制汽缸或法兰内外壁温差在规定范围内，就可保证其内壁热应力不超过允许值。目前大功率汽轮机一般都在关键部位装设汽缸和法兰内外壁温度的测点，通过监视其温差来监视汽缸的热力机械状态。根据热传导理论，在蒸汽对平壁的放热系数恒定的条件下，当达到准稳定传热状态时，内外壁的温度差亦达到最大恒定值。内外壁温差与温升速度以及壁厚的平方成正比，壁厚一定时，温升速度的大小即决定了内外壁温差的大小，进而也就决定了壁面热应力的大小。因此通过监测和控制金属温升速度，也可达到监测控制金属热应力的目的。在相同的温升速度下，厚壁比薄壁的内外壁温差要大。启动时，法兰内外壁温差远大于缸壁的温差。从这里还可看出，控制热应力应以厚度较大部件法兰的内外壁温差作依据，如以汽缸壁作为检测依据，则会产生法兰内外壁温差过大、热应力超过材料许用应力的危险状态。汽缸紧固件法兰螺栓热应力的监测与控制。螺栓的受热主要靠法兰传递，因此，在启动加热过程中法兰温度总是比螺栓要高一些，它们之间的温差会使螺栓承受附加的热拉应力，当螺栓承受的总拉应力超过材料屈服极限时，就有被拉断的危险。当已知螺栓材料的屈服极限和螺栓的预紧力时，就能计算出法兰、螺栓间的最大允许温差值。因此，为了控制螺栓的热应力值，就必须监测法兰与螺栓之间的温差，再根据各该部件金属材料的性能，是不难得出监视它们的热应力值的控制指标的。当汽轮机启动加热时，汽缸内壁温度总是大于外壁温度，因此内壁承受热压应力而外壁承受热拉应力。反之，当汽轮机减负荷停机时，内壁温度又会低于外壁温度，因而内壁承受热拉应力而外壁承受热压应力，最大热应力总是产生在内壁。汽轮机在各种不同工况下工作时，汽缸内各级汽室总容有一定压力的蒸汽，蒸汽压力在汽缸上产生的静应力，在内外壁上均为拉应力。考虑到静应力的存在，启动加热时内壁承受的热压应力可略为缓和，而在减负荷和停机冷却时内壁承受的热拉应力则与静应力值迭加，很容易使综合拉应力值超过金属材料的允许值，引起汽缸裂纹。在负荷骤降，汽室维持较高汽压，静应力值相当大时，这种危险性就更大。所以对减负荷、停机以及热态启动等可能引起汽缸法兰冷却的工况，温差控制指标应更严格一些。最确切地反映缸壁的机械状态。因此可比较充分利用材料的机械性能，有利于加速机组的启停，也有利于实现机组起停和控制的自动化。二、热膨胀的监测汽轮机在启、停和负荷变化过程中，汽缸转子或其它部件都要因温度变化而发生膨胀或收缩。保证汽缸以轴线、死点为基准在各方向匀称自由地膨胀和收缩，是防止产生热应力和热变形乃至机组振动的重要条件。汽缸的热膨胀数值除与汽缸长度以及材料有关外，还取决于汽轮机通流部分的热力过程，亦即汽缸各段的温度。由于汽轮机高中压缸的法兰远比缸壁厚得多，因此汽缸的膨胀往往取决于法兰各段的平均温度。由于每台汽轮机在运行中的温度场分布总有一定的规律性，总可以找出某一点作为汽缸膨胀的监视点，再通过计算或实测找出监测点温度变化与汽缸膨胀值的对应关系，用以监视汽缸的膨胀是否正常，监视点通常都选取调节级处的法兰温度（对双层缸为外缸法兰温度），此温度与汽缸膨胀值大体呈直线变化关系。为了监视汽缸热膨胀，通常在汽轮机两侧均装设绝对膨胀指示仪表或热膨胀测量装置。需要说明的是：监视汽缸两侧膨胀均匀是很重要的，这是因为当两侧膨胀相差太大时将会引起机组中心偏斜导致汽缸轴向膨胀阻涩，严重时还会导致动静部分碰磨，引起机组的强烈振动，因此要经常对照汽缸两侧法兰的温度和两侧的膨胀指示值。对于仅在一侧安装膨胀指示表的机组，则应经常注意两侧法兰的温度不能相差过大，进行综合判断，防止汽轮机热膨胀偏差太大。三、热变形的监测为防止汽缸变形过大，影响到动静各部分之间的间隙，总要求汽缸具有足够的刚度。一般讲，刚度特性主要包括静刚度、动刚度和热变形等几项，静刚度是指半缸及合缸情况下载荷与变形的关系，对于轴承座与汽缸铸成一体的机组则还应施加转子的重量。冷态下抽真空与变形的关系也属于静刚度。动刚度是指抗振强度性能。热变形则主要指汽轮机在各种不同受热情况下各轴承座和基础台板负载分配的变化情况，特别是后汽缸温度变化的影响情况。上述这些刚度特性均应在安装和投产初期通过试验来测定，以便掌握在各种情况下汽轮机动静各部分之间间隙的变化规律，更好地指导运行人员操作机组。汽轮机在启动和停机过程中很容易产生上下缸的温度差。由于下缸重量大、抽汽管道等散热较快，并且保温条件也不如上缸，所以通常总是上缸温度高于下缸温度，因此，汽缸产生向上拱起的变形，并使下缸底部动静部分之间的径向间隙减小，当上下缸温差过大时，就会导致动静部分的径向摩擦。机组启停过程中，由于调节级温度变化较大，最大温差多发生在该处。通过计算和实测表明，上下缸温差每增加10，动静间隙约减少0.1mm。隔板汽封的径向间隙一般为0.40.7毫米，故一般规定上下缸温差值应控制在35-50以下。当汽缸法兰内壁受热时，内外壁温差将引起法兰弯曲变形，此时横向法兰将向内弯曲引起两内侧间隙的减小，在轴向将使汽缸前后两端的横截面成为扁椭圆，而中间部分则成为立椭圆，从而使调节级及其后几级两侧径向间隙的减小，成为引起动静部分碰磨的主要危险。因此，监视和控制法兰内外壁温差也是控制汽缸热变形的有效手段。对于没有装设法兰内壁温度测点的机组，可采用监视汽缸壁与法兰壁的温差来间接控制汽缸的热变形，因为这一温差与法兰沿宽度的温度差具有对应的关系，参照变动工况下汽缸内外壁的温差数值范围，再对照法兰内外壁温差的控制范围，一般取汽缸壁与法兰壁温差的控制值为7080（加热时）或4050（冷却时）。四、汽缸温度测点的布置监视汽缸的热力机械状态，除需在汽缸各段装设监视蒸汽压力值的压力仪表外，还需装设监视汽缸热膨胀值的绝对膨胀指示仪表，以及通过监视各点温度和各部温差来监视汽缸热应力、热变形用的温度测点。调节级汽室能准确灵敏地反映汽轮机的工作状态，且蒸汽的压力温度都比较高，是监视汽缸热力机械状态比较理想的区段，所以温度测点也较集中地布置在这一区域。对再热机组中压缸温度也很高，所以常取中压缸第一级汽室前后布置温度测点，有的机组为了更好掌握汽缸状态还在抽汽口区段布置汽缸温度测点。五、汽缸运行注意问题汽缸由于运行不当所可能引起的问题主要是汽缸变形（指永久变形）和裂纹。汽缸变形可造成水平或垂直法兰接合面不严密，在高压侧会向外漏汽，当漏汽部位接近前轴承时，蒸汽会漏入轴承使油质劣化，在低压侧，会使外部空气漏入影响凝汽器真空，当变形严重时还会使汽缸重量在机座上重新分配，引起汽轮机动静中心线的变化，甚至导致动静碰触，引起机组振动，损坏汽轮机。造成汽缸变形的主要原因有一下几个方面：1、汽缸长时间在超过汽缸材料允许温度下运行，造成汽缸蠕变，紧固件的应力松弛。2、 滑销系统卡涩，不能保证正常膨胀，形成过犬变形热应力。3、汽缸内隔板与汽缸径向间隙过小，隔板膨胀时顶住汽缸。4、汽缸外部保温不良或局部分离、脱落，造成长期不均匀受热或冷却。造成汽缸裂纹的主要原因有：1、汽缸多次承受冷热交替的运行方式，使应力超过薄弱地点的强度，产生疲劳裂断裂。2、长期强烈振动，使汽缸材料的应力超过疲劳极限。3、汽缸材料有缺陷或热处理不良，使汽缸局部承受较大内应力。4、运行方式不当，汽缸不均匀加热或冷却时，这些部位的应力有可能超过允许值。5、 转动部件损伤脱落如断叶片等，强力冲击造成汽缸裂纹。综上所述，为保证汽缸安全可靠的运行，必须做到：严格控制进汽参数，不允许汽轮机长时间在超温条件下运行。负荷变化应平稳缓慢些，防止由于运行方式的剧烈变化，使汽缸承受冷热交变作用。持滑销系统结合面清洁，防止卡涩，并经常检查和监视汽缸各处的膨胀情况。保持汽缸保温完好，防止汽缸膨胀不均。经常注意检测机组振动情况，有异常振动或异音时，应及时分析处理。采用合理运行方式，尽可能使汽缸沿圆周均匀受热冷却，采用定滑定运行方式等。1.2. 转子、叶片及联轴器1.2.1. 转子和叶片汽轮机是高速旋转的机械，转子在高温高压的环境下工作，转子的任何缺陷都会影响机组的安全经济运行，转子上除了在动叶通道完成能量转换、主轴传递扭矩外，转子还要承受很大的离心力，各部件的温差引起的热应力，以及由于振动产生的动应力，因此，转子必须用性能优良、高强度、高韧性的金属制造。为了提高通流部分的能量转换效率，转子、静子部件间保持较小的间隙，要求转子部件加工精密，调整、安装精细正确。本汽轮机在制造过程中，转子各项跳动指标均能控制在0.02mm以内，转子动叶片装配采用先进的计算机电子力矩秤进行叶片重力矩的测量和分配，成品转子进行高速和超速动平衡，确保轮系的不平衡量小于0.006mm。汽轮机的动叶片是汽轮机中数量和规格最多的部件，安装在叶轮上，构成动叶栅，承受来自静叶栅的高速汽流的冲击、叶片本身两侧的蒸汽压力差，完成动能向机械能的转换。由于动叶片工作环境恶劣，同时还要受：拉应力、弯曲应力、挤压应力的作用，因此，动叶片是故障率较高的部件。汽轮机的动叶片一般有三部分组成：一是通过横销紧固在转子的叶根，二是将蒸汽动能转化成机械能的叶高部分，三是引导蒸汽流动、并在叶轮外径设置的护罩，即围带部分。图26为动叶片在汽轮机的安装位置以及动叶片的结构示意图。图26 动叶片在汽轮机的位置及结构示意图汽轮机叶片由于运行条件和作用不同，分为不同的类型，叶片按其截面是否沿叶高变化，可将叶片分为等截面叶片、变截面叶片和扭曲叶片。一般情况下，高中压转子的的叶片采用等截面叶片，而低压转子后几级毫无例外的采用变截面扭曲叶片。一、本汽轮机的转子的主要特点本汽轮机转子分为高中压转子、低压A转子和低压B转子，通过刚性联轴器联接。各转子各自支撑在2个轴承上，整个轴系通过位于#2轴承座内的推力轴承定位。高中压转子和低压转子均为整锻无中心空的转子，整体降低了离心切应力，增大了临界裂纹尺寸，在相同热应力的条件下，增大了转子的循环寿命，降低了制造成本。高中压转子和低压转子均采用高强度合金钢锻件加工制成的，其中高中压转子为30Cr1Mo1V锻钢，低压A，B转子为30Cr2Ni4MoV锻钢。为了保证汽轮机转子无瑕疵，精确校平衡和具有高性能，转子锻件的坯件经过真空浇注。转子本体经过加工后，其本身带有叶轮、轴承轴颈、联轴节法兰和推力盘。成形叶轮机加工有许多燕尾槽，叶片的燕尾槽可以插入这些槽中。各个转子的采用的金属材料脆性转变温度（FATT）的数值为：高中压转子100，低压转子 -6.6。在高中压转子、低A转子的前后轴封和叶轮之间的轴上，均有汽封城墙式方齿，与轴封及隔板汽封的高低齿组成迷宫式汽封（或称高低齿梳齿汽封）；低B转子与轴封及隔板汽封的平齿组成平齿汽封。为降低低压转子第一级叶轮的温度，在第一级叶轮的平衡孔上设置了蒸汽勺运行时级后的较低温度蒸汽，通过蒸汽应返流至级前，以冷却第一级叶轮。为了进行机组大修后的动平衡工作，在每根转子上均设有供电厂现场在不揭缸情况下，进行动平衡调整加重物的装置，转子的临界转速设计避开工作转速15和-15。转子相对推力瓦的位置设有标记，能在线监视轴向位移的大小，并装设有推力轴承磨损监视装置。在发电机上设有转子接地装置，在轴承箱设有静止部件接地装置，防止发电机产生的轴电流、轴电压对汽轮机转子及轴承的损伤。二、本汽轮机动叶片的主要特点本汽轮机轴系通流部分由42个结构级组成，其中高压部分8级（包括1个调节级），中压部分为单流6级，两个双流低压缸共227级，各级均采用冲动级设计，高压缸动叶采用边界层抽吸技术，在菌形叶根中间体上工有抽吸孔。动叶采用型损、攻角损失更小的高负荷叶型（HV）。叶片中部自带凸台拉筋，顶部有翼型自带围带，凸台和围带间均不焊接。装配时，相邻叶片的围带及拉筋凸台侧面彼此配准留一定间隙，围带处采用联结件用铆接方式联结相邻叶片。运行时，由于叶片离心力产生扭转变形而使叶片的拉筋凸台间相互靠紧，连成一个整体。围带与拉筋的这种连接方式可以较大幅度的增大阻尼系数，因而可以有效地防止叶片产生共振，提高了长叶片的安全性。三、高中压转子及叶片本汽轮机的转子由于采用轮盘式结构，无中心空整锻转子，启动过程中转子的热应力相对较小，同时高中压合缸使得汽缸及转子温度基本上同步升高，保证了机组的顺利膨胀，为启动的灵活性奠定了基础。同时启动过程中采用先进的复合配汽方式，降低了启动过程中热应力的产生，保证了机组具有快速、安全、灵活、经济的启动性能。转子可以在不揭缸的情况下，可利用汽缸端部设置的专用手孔，在高中压转子排汽口侧的轴凸肩上，装设或调整其重块的位置或重量。也可以在高中压转子中压侧末级叶轮，高压侧调节级前转子燕尾槽内，高中压转子高压侧排汽口转子燕尾槽内加装平衡块。为了保证强度，振动的可靠性，采用大宽度的调节级叶片，双倒T型叶根，两层围带。采用大刚性叶根，高压缸其余叶片采用外包菌型叶根，中压各级采用轴向装入式枞树形叶根，高中压缸叶片材料采用高强度的Cr-Mo-Nb-V及Cr-Mo-W-V不锈钢材料。图27是东方汽轮机厂引进日立技术制造的三缸四排汽汽轮机的高中压转子示意图。图27冲动式汽轮机高中压转子示意图1、第8级动叶片 2、第7级动叶 3、第6级动叶 4、第5级动叶 5、第4级动叶 6、第3级动叶 7、第2级动叶 8、第1级动叶 9、第9级动叶 10、第10级动叶 11、第11级动叶 12、第12级动叶 13、第13级动叶 14、第14级动叶 16、22 平衡重块15、平衡螺塞 17、塞销 18、19、围带 20、镶件 21、转子四、低压转子及叶片低压转子为合金钢整锻转子，锻件钢坯采用真空浇注以除去钢中的有害气体及气泡，转子精加工后成为包括转轴、叶轮、轴颈及联轴器法兰的整体转子，叶轮加工成燕尾形叶根槽，动叶以过盈配合方式装入叶轮燕尾槽内，分组于叶顶处以手工方式与围带铆接在一起。低压缸第1至5级为外包菌型叶根，次末级为5叉型叶根，末级为7叉型叶根。全部采用围带成组，低压末级采用双层围带，外层自带，内层通过铆钉与外层连接。低压缸第1至5级动叶为12%Cr不锈钢，次末级叶片采用2Cr11NiMo1V不锈钢，末级动叶片用Cr-Ni-Mo-V不锈钢，第16，17级锁口叶片采用钛合金材料制造。末级长叶片采用叉形叶根，其特点是具有相当高的强度以抵抗叶片的离心力和蒸汽冲击的弯应力，由于末级叶片项速度很高，又工作在湿蒸汽区，叶片进汽侧上部镶焊司钛立合金片以防水击。本汽轮机的两根低压缸转子完全相同，均为整锻无中心孔转子。图28为本汽轮机的低压缸转子的示意图。图28冲动式汽轮机低压转子示意图1、转子 2、第19级动叶 3、第18级动叶 4、第17级动叶 5、第16级动叶6、第15级动叶 7、第14级动叶 8、第13级动叶 9、10、平衡重块 11、塞销 12、整圈式围带 13、围带 14、拉筋1.2.2. 转子联轴器 联轴器是将发电机组各根转子联成整体轴系，传递轴系中转子之间的轴向力、径向力、和扭矩，汽轮发电机组的联轴器主要有刚性、半挠性、挠性联轴器三类，大型发电机组一般采用刚性联轴器，这种联轴器结构简单，连接刚度大，传递力矩大。另外，刚性联轴器连接的轴系只需要一个推力轴承平衡推力，简化了轴系的支承定位，缩短了轴系长度，但此种联轴器连接的轴系需要高精度的轴系对中，否则，各个转子相互影响较大，容易引起轴系振动。本汽轮发电机组轴系的高中压转子、两根低压转子、发电机转子全部采用刚性连接，每根转子分别有两个轴承支承，各转子的连接方式如图29所示，轴系的四根转子的联轴器基本上都是相同的，联轴器的两个法兰面分别与各自的转子锻成一整体，联轴器的两个法兰面有配合螺栓紧固并保证两转子同心，根据转子对中的需要，在联轴器法兰面之间设置有调整垫片用于调整汽轮机的轴向通流间隙，汽轮机转子的扭矩是通过螺栓承受剪力传递的。本汽轮机组在低压A转子和低压B转子之间、高中压转子和低压A转子之间设置调整垫片，其余转子之间不设调整垫片。盘车齿轮布置在发电机转子和低压B转子之间，安装转子时，调整对中转子。1.2.3. 汽轮机找中汽轮机各转子是由联轴器联接为一轴系，必须保证汽缸、隔板、轴承严格的对中，防止机组振动。因此汽轮发电机组在安装后期，汽轮机找中心是一项十分重要和细致的工作。一、汽轮机找中心的目的与步骤汽轮机找中心的目的有如下两点:1、要使汽轮机的转动部件（转子）与静止部件( 隔板、轴封等 )在运行时，其中心偏差不超过规定的数值，以保证转动与静止部件在径向不发生触碰。2、要使汽轮发电机组各转子的中心线能连接成为一根连续的曲线，以保证各转子通过联轴器连接成为一根连续的轴，从而在转动时，对轴承不致产生周期性不变的作用力，避免发生振动。在找中心时应考虑到如下问题：（1）汽轮机各部件在运行期间发生位置变化对中心的影响。例如轴承油膜厚度的影响，使转子稍微抬起并向一侧移动。各部件由于热膨胀的影响，发生位置的变化，低压缸因受真空或凝汽器内循环水及凝结水重量的作用，产生的弹性变形等等。（2）各转子因本身重量产生的自然静弯曲。理论表明：若将转子放置在严格的水平状态下用精密的水平仪测量转子两轴颈的扬度，就可发现两轴颈扬起的方向相反，绝对值相等。可见转子的中心线不是一直线，而是一条曲线，即存在静弯曲。转子的静弯曲度与轴颈的扬度具有一定的关系，通常用转子在水平状态下轴颈的扬度绝对值来表示转子的静弯曲度，当转子处在非水平位置时，静弯曲度等于两轴颈扬度代数差的一半。图29汽轮机转子联轴器连接示意图二、汽轮机找中心的方法在投入运行初期，汽缸的少量变形和位置的变化对中心的影响，是采用调整轴封套及隔板中心来补偿的。机组经过几年运行后，在正常情况下，汽缸的中心基本稳定，使动静部件及各转子的中心关系变化的原因主要是各转子位置发生不同程度的改变。应该以汽缸的中心为基准来恢复转子的原来位置，就可能使动静部件及各转子的中心关系基本上得到同时恢复。因此汽轮机找中心通常按以下步骤进行:1、测量汽缸、轴承座水平位置，即检查汽缸、轴承位置是否倾斜。2、测量轴颈扬度，即转子对汽缸前后轴封套洼窝找中心及汽轮机各转子按联轴器找中心。