超超临界汽轮机部件冷却技术的研究

1、超临界和超超临界汽轮机部件冷却技术的研究史进渊，杨宇，邓志成，陈匀，林振坤（上海发电设备成套设计研究所，上海，200240）摘 要：分析了超临界和超超临界汽轮机部件采用蒸汽冷却技术的重要性，介绍了超临界和超超临界汽轮机喷嘴室、高压转子、中压转子、低压转子和汽缸的冷却结构的设计特点。提出了超临界和超超临界汽轮机冷却结构设计的关键技术，内容包括冷却参数的选取、部件温度场和应力场的有限元计算分析以及冷却效果的测量和验证。采用蒸汽冷却技术，可以提高材料的使用等级，有利于延长超临界和超超临界汽轮机部件的设计寿命。关键词：超临界和超超临界机组；汽轮机；冷却技术；可靠性设计；结构设计1 采用冷却技术的重要性

2、随着科学技术的进步和材料技术的发展，超超临界汽轮机的主蒸汽温度和再热蒸汽温度呈增长的趋势1。随着蒸汽温度的升高，材料的力学性能有所下降，为了保证超超临界汽轮机的部件有足够的强度和寿命，除了采用高温强度好的钢材之外，还应采用蒸汽冷却技术和冷却结构设计。蒸汽冷却是采用温度比较低的蒸汽（如高压排汽、高压抽汽或动叶后蒸汽）来冷却超超临界汽轮机高温部件，以降低超超临界汽轮机高温部件的工作温度。在工程实践中，对于汽轮机的高温部件，CrMoV钢应用于566、12%Cr钢应用于600、粤氏体钢应用于650，需要采用蒸汽冷却技术。对于蒸汽参数为16.7MPa/538/538的亚临界汽轮机，高温部件使用CrMoV

3、钢，可以不采用蒸汽冷却技术。对于蒸汽参数为24.1MPa/566/566的超临界汽轮机，高温部件使用12%Cr钢，可以不采用蒸汽冷却技术，但使用CrMoV钢必须采用蒸汽冷却技术。对于蒸汽参数为25MPa28MPa/600/600的超超临界汽轮机，高温部件使用12%Cr钢，需要采用蒸汽冷却技术。超超临界汽轮机的喷嘴室、转子、汽缸等部件采用蒸汽冷却技术，既可以提高现有材料使用等级，充分利用材料的机械性能，又可以延长这些部件的设计寿命。在超超临界汽轮机的启动、停机和负荷变动的过程中，汽轮机部件承受相当大的热应力，最大热应力通常位于汽轮机部件高温区域的应力集中部位。采用蒸汽冷却技术是在启停过程中降低汽

4、轮机部件高温部位瞬态热应力的有效方法。采用蒸汽冷却技术，可以降低超超临界汽轮机高温部件的工作温度和部件的温度差，在其他条件相同的情况下可以降低这些部件的热应力，可以延长部件的设计寿命。部件的蒸汽冷却技术现已成为超超临界汽轮机研制和生产的关键技术之一1，通过先进的蒸汽冷却技术的研究，实现超超临界汽轮机部件高温部位工作温度的下降，是保证超超临界汽轮机安全运行的重要技术手段之一。2 部件冷却的结构特点超超临界汽轮机采用蒸汽冷却技术的部件有高压喷嘴室、中压蒸汽室、高压转子、中压转子、高压汽缸、中压汽缸等，超超临界汽轮机不同的部件采用不同方案的冷却结构设计。2.1 喷嘴室和高压转子 （1）高压转子单流结

5、构。超超临界汽轮机单流高压转子的蒸汽冷却常用三种方法。把第一级叶型根部设计成负反动度，级后温度比较低的蒸汽经第一级动叶纵树型叶根底部间隙流入前轴封的高压侧。冷却蒸汽的流动使高压第一级轮缘和前轮面得到了冷却。从汽轮机高压调节阀后引出少量主蒸汽，喷入凝结水使其温度降低后作为冷却蒸汽，通过改变喷入的凝结水量控制冷却蒸汽的温度。冷却蒸汽经高压第一级和第二级动叶叶根底部间隙以及静叶与动叶之间的间隙流入主流，使冷却蒸汽流过的转子表面得到冷却。把高压第一级后温度比较低的蒸汽的一小部分，经喷嘴室与内缸之间的腔室，回流至高压第一级前轮面和前轴封之间的空间，使喷嘴室、内缸和第一级叶轮的前轮面得到冷却2。（2）喷嘴

6、室双流压力级单流结构。高压第一级采用双流式结构，高压第二级以后的压力级采用单流结构。采用双流第一级的优点是每只动叶片所承担的负荷减少一半，喷嘴室和动叶片的应力有所减少，对于大功率超超临界汽轮机可以使用现有实际运行经验的动叶片。但采用双流喷嘴室的缺点是叶片数目增加、造价高、轴承跨度增大。采用双流喷嘴室结构，从前轴封侧喷嘴根部流出的小部分蒸汽，经喷嘴室与转子之间的腔室流入另外一侧喷嘴后主流，冷却喷嘴室和高压转子。随着转子的转动，由于主流的抽吸作用，腔室中的蒸汽流出，使转子和喷嘴室得到冷却。（3）高压转子双流式结构。1000MW级超超临界汽轮机通常采用高压转子双流式结构，作用在转子上的推力平衡，并有

7、利于降低高温动叶片的应力。采用双流式高压转子结构，调节级后一小部分蒸汽经过180°转弯后，流径调节级叶轮上的冷却孔（斜孔）和喷嘴室外表面与转子之间的腔室，再流经双流喷嘴室中间小孔返回到调节级后，冷却喷嘴室和高压转子。在此流动过程中，冷却了高温喷嘴室和高压转子的外表面。调节级叶轮上打有斜孔，由于叶轮旋转产生离心泵的作用，把调节级出口小部分蒸汽吸过来，流过喷嘴室与转子之间的腔室，冷却了喷嘴室和高压转子高温部位的外表面。2.2 蒸汽室和中压转子 （1）外部来汽（高压缸排汽或高压缸抽汽）冷却技术。为了提高超临界汽轮机中压转子的热疲劳强度和蠕变强度、降低中压转子高温区域的热应力，可采用中压转子

8、的蒸汽冷却结构。反动式汽轮机双流中压转子的冷却结构，是把高压汽轮机排汽或抽汽300多度的蒸汽引入中压汽轮机的进口导流环下部的空间，对中压转子高温部位进行冷却5。该冷却蒸汽中小部分通过第一级动叶与静叶之间的汽封流入主流；大部分冷却蒸汽通过第一级动叶纵树形叶根底部间隙（也称冷却蒸汽通路或蒸汽冷却孔）流入第二级静叶前和第二级静、动叶之间；还有一小部分冷却蒸汽通过第二级动叶纵树型叶根底部间隙，流入第三级静叶前和第三级静、动叶之间。在中压转子的冷却结构中，必须合理设计冷却蒸汽出口汽封与转子的间隙、第一级与第二级动叶纵树形叶根底部冷却蒸汽通道面积以及第二级与第三级静叶环内侧汽封间隙，这些参数对转子的冷却效

9、果影响比较大。轴向插入的纵树形叶根底部间隙和动叶前后的压差保证冷却蒸汽流过。冷却蒸汽的流动，使中压转子高温部位得到了冷却。 冲动式汽轮机双流中压转子的冷却结构，是高压汽轮机的抽汽通过中压汽轮机前两级的隔板汽封、前两级动叶纵树型叶根底部间隙或叶轮的冷却孔以及前两级叶轮前后轮面，使中压转子高温部位得到了冷却6。（2）中压第一级设计为负反动度。超超临界汽轮机双流式中压缸具有比较高的再热汽温，在转子中间，两个第一级叶轮组成封闭空间，由于转动产生的热量使转子温度上升。中压转子采用双流式结构后，中压第一级叶型根部可设计成负反动度。在叶型根部，负反动度使得动叶根部出汽侧的压力比静叶根部出汽侧的压力高。使得做

10、了功而降低了温度的动叶出口的蒸汽经动叶叶型根部和纵树型叶根底部间隙流向静叶出口。这种汽流的循环流动使轮缘和转子的表面得到了冷却。但是，叶型根部采用负反动也有不足之处，就是叶型高度有所增加，引起叶根离心应力的增加抵消了一部分蒸汽冷却的效果（不采用叶型根部负反动度的动叶高约为采用叶型根部负反动度动叶高的80%90%）。（3）采用涡流冷却挡热板结构。在反动式双流中压转子进汽部分的中压第1级静叶内径处设计涡流冷却挡热板，使中压转子进汽区工作温度下降7 。中压第1级的反动度设计的比普通反动级小，使流经中压第1级静叶的蒸汽温度下降幅度增大，第1级静叶出口温度下降，在静叶内径处的挡热板上设计4个切向孔，静叶

11、出口的蒸汽经过4个切向孔进入挡热板与转子之间的区域发生膨胀，使转子表面温度下降。扣除蒸汽在挡热板与转子表面之间摩擦产生热量的影响后，双流第1级动叶之间的中压转子表面温度约下降15。2.3 低压转子 （1）3.5%NiCrMoV（30Cr2Ni4MoV）钢在350以上高温长期服役会发生回火脆化现象，不宜在实际工作温度高于350条件下长期使用。亚临界汽轮机再热蒸汽温度为538，超临界汽轮机再热蒸汽温度为566，通常低压汽轮机进汽温度不会超过350。超超临界汽轮机再热蒸汽温度为600，低压汽轮机进汽温度有可能超过350。为了防止超超临界汽轮机低压转子产生回火脆化，低压转子可采用超纯净冶炼技术生产的超

12、纯净NiCrMoV钢；或采用低压转子的蒸汽冷却技术，把低压转子的工作温度降下来。对于冲动式汽轮机双流式低压转子，采用特殊结构的隔板使低压进汽与低压转子隔开。采用专门设计的第一级叶轮平衡孔的特殊结构形式，使第一级动叶后低于350的蒸汽通过叶轮平衡孔，再流入第一级静叶和动叶之间，对低压转子进行冷却2。在平衡孔的地方，由于叶轮的转动，圆周速度约为200m/s，把吸入的动压变成叶轮两侧的压差，温度比较低的蒸汽持续流动冷却了低压转子。 （2）反动式汽轮机双流低压转子第一级叶型根部反动度设计为负值，动叶出口温度较低蒸汽的回流至第一级静叶出口，使转子和轮缘的工作温度下降。2.4 高压汽缸和中压汽缸 （1）高

13、压第一级设计为冲动级且第一级叶型根部设计为负反动度。不论是反动式超超临界汽轮机还是冲动式超超临界汽轮机，高压第一级喷嘴和动叶大多采用冲动级。采用冲动级使高压第一级喷嘴有相当大的焓降，使调节级后的蒸汽压力和温度都有比较大的下降，从而使内缸承受的热负荷下降，从而使内缸壁厚减薄，中分面螺栓尺寸减小。把高压第一级叶型根部设计成负反动度，使第一级动叶出口较冷蒸汽的一小部分，经喷嘴室与动叶之间的间隙回流至前轮面和前轴封之间的腔室，高压转子第一级叶轮也会受到这股冷却蒸汽的冷却。（2）汽缸的夹层冷却。高压汽缸夹层冷却，对于主蒸汽压力为25MPa的超超临界汽轮机，调节级后压力约为22MPa，内缸承受压差约13M

14、Pa，外缸承受压力约9MPa，高压缸排汽压力约为5MPa 。从高压缸通流部分引出部分蒸汽在内外汽缸夹层中循环，可以冷却内缸，限制内缸向外缸的热交换和热辐射。在汽缸夹层应设计小的蒸汽流量，内缸外表面和外缸内表面的对流换热的放热系数不宜过大。应注意防止汽缸的高温部位被过度冷却反而引起比较大的热应力；避免内缸外表面的强对流，以减小内缸的热应力和热变形。内缸安装在外缸内，内缸应能够自由膨胀，两只汽缸的对中由水平中分面处的支承和垂直中心线上的键来保证。中压汽缸夹层冷却，中压内缸内表面再热蒸汽温度593，中压内缸外表面流过约460的中压抽汽。中压内缸内外表面的金属温度差比较大，运行中热应力有可能引起内缸热

15、变形。为了减小中压内缸内外表面的金属温度差，在中压内缸内表面处设计一个遮热罩8。国外运行机组的测量数据，验证了采用遮热罩后中压内缸内外表面金属温度差减小的效果。3 冷却结构设计的关键技术 （1）冷却参数的设计。在冷却蒸汽参数的选取方面，冷却通道进口处冷却蒸汽的温度应低于部件高温部位的工作温度；冷却通道进口处的冷却蒸汽的压力应高于冷却通道出口处的蒸汽压力，以保证冷却蒸汽流过；冷却蒸汽的流速（或流量）不宜过大，对流放热系数不宜过大，以避免强对流引起过大的热应力。在冷却结构的设计方面，级的反动度、叶型根部反动度、冷却通道的面积、汽封间隙、平衡孔的尺寸与形状等因素对冷却流量影响比较大，通过结构设计合理

16、分配冷却蒸汽的流量。采用蒸汽冷却技术，影响超超临界汽轮机的经济性，设计中应尽可能选用少量冷却蒸汽，对汽轮机部件高温部件的高温部位进行冷却。采用蒸汽冷却技术后，转子轴向力的变化还应进行计算分析和设计校核。总之，对于冷却参数的选取、冷却通道面积的设计、冷却蒸汽流量的分配、蒸汽冷却对汽轮机经济性和转子轴向推力的影响等蒸汽冷却的关键技术，需要进行详细的计算和分析研究，目的是为冷却方案的优化设计提供依据。建立模拟调节级叶轮等冷却结构的旋转试验装置，通过试验研究验证冷却结构的流动特性，可以为冷却结构的改进设计提供依据。（2）部件温度场和应力场的有限元计算分析。对于超超临界汽轮机的转子、汽缸和喷嘴室，建立两

17、维或三维有限元计算力学模型，给定热边界条件和力边界条件，进行瞬态温度场计算、稳态温度场计算和热应力场计算，可以定量分析和评定不同冷却结构设计方案的冷却效果，为超超临界汽轮机部件冷却结构的优化设计提供科学依据。过去几年，上海发电设备成套设计研究所完成了5个型号汽轮机15个部件的温度场和应力场的有限元计算分析以及寿命评定工作，已积累的经验可以应用于超超临界汽轮机部件冷却技术的研究和冷却方案的评定。亚临界汽轮机转子的温度场和热应力场的计算通常使用两维有限元计算力学模型，采用蒸汽冷却技术的超超临界汽轮机转子的温度场和热应力场的计算必须使用三维有限元计算力学模型。冷却蒸汽与高温部位的热交换分析尚有待进一

18、步研究，高温部件温度场和热应力场的科研工作是超超临界汽轮机高温部件设计评审和冷却方案评定的重要技术手段。（3）冷却效果的测量与验证。在超超临界汽轮机的高压喷嘴室、中压蒸汽室、内缸等部件的表面设计并安装温度测点，在汽轮机投入运行后验证这些部件蒸汽冷却的效果。对于反动式汽轮机，在第2级和第3级静叶上打孔，设计并安装温度测点，测量静叶环内表面工作温度；在汽轮机投入运行后验证汽轮机高压转子或中压转子蒸汽冷却的效果。监视汽轮机内蒸汽和金属温度的热电偶，安装在保护套管内，穿过缸壁，焊在汽缸上。根据汽轮机转子和汽缸寿命在线管理的要求，确定温度测点位置。有的测温热电偶需要穿过几层缸，直达要求测量的温度区域。4

19、 结论 （1）先进的蒸汽冷却技术是超超临界汽轮机研制和生产的关键技术之一，采用蒸汽冷却技术，可以提高材料的使用等级，有利于延长超超临界汽轮机高温部件的设计寿命。（2）超超临界汽轮机不同的部件采用不同方案的冷却技术和不同的冷却结构。常用的冷却方案有：外来蒸汽冷却、级后蒸汽冷却、汽缸夹层冷却、第1级设计成冲动级、第1级叶型根部设计成负反动度、特殊结构的叶轮平衡孔、涡流冷却挡热板、遮热罩等。（3）超超临界汽轮机部件冷却结构设计的关键技术为冷却蒸汽参数的选取、级反动度的设计、冷却通道面积和汽封间隙的设计、部件稳态与瞬态温度场和应力场的有限元计算分析、不同方案冷却效果的评定和验证。深入的科研工作是超超临

20、界汽轮机高温部件冷却结构设计与开发的基础，也是研制和生产具有自主知识产权的超超临界汽轮机高温部件的前提，国内有关单位应予以足够的重视。参考文献1 史进渊，杨宇，孙庆，崔琦，张兆鹤. 超超临界汽轮机技术研究的新进展J. 动力工程，2003，23(2):22522257.2 上海发电设备成套设计研究所. 1000MW火电机组文集C. 1996.3 水利电力部科学技术情报研究所. 国外超临界机组文集C. 1986. 4 Masaharu Matsukuma, Ryotaro Magoshi, et al. Design and Operating Experience of 1000MW High-

21、Temperature Turbine Electric Power Development CO.3 Ltd. Matsuura No.2 Unit J. MITSUBISHI JUKO GIHO, 1998, 35(1):1013.5 Yoshinori Tanaka, Yoshihiro Tarutani, et al. Feature and Operating Experience of 1000MW Class Steam Turbine with Highest efficiency in the World J. MITSUBISHI JUKO GIHO, 2002, 39(3

22、):132135.6 哈尔滨电站设备成套设计研究所. 超临界火电机组译文集C. 1985. 7 Von W Engelke, et al. Herstellerspezifische Konstruktionsmerkmale J. VGB Kraftwerkstechnik, 1994(4):338460.8 Tetsuya Yamamoto, Yutaka Nomiyama, et al. Operating Experience of Hokuriku Electric Power Co. Nanao Ohta No.1 UnitJ. MITSUBISHI JUKO GIHO, 1996

23、, 33(1):3033.Study on Component Cooling Technique of Ultra Supercritical Steam TurbinesSHI Jin-yuan, YANG Yu, DENG Zhi-cheng, Chen Yun LIN Zheng-kun(Shanghai Power Equipment Research Institute, Shanghai 200240, China)Abstract: Importance of using steam cooling technique for ultra supercritical steam turbine components is a