核电汽轮机结构与特点

第二章核电站汽轮机结构与特点

汽轮机由转动部分和静止部分所组成。

汽轮机转动部件的组合体成为转子，它包括主轴、叶轮(或转鼓)、动叶栅、联轴器及装在轴上的其它部件。蒸汽作用在动叶栅上的力矩，通过叶轮、主轴和联轴器传递给发电机或其它设备，并使它们旋转而作功。汽轮机的静止部分包括基础部分、台板(机座)、汽缸、喷嘴、隔板、汽封、轴承等部件，但主要是汽缸和隔板。2/5/202312.1汽轮机的静止部分1.汽缸的作用

汽缸是汽轮机的外壳。汽缸的作用是将进入汽轮机内的工质与外界隔绝，使工质在一个封闭的空间内流动；汽缸内安装着隔板、喷嘴和轴封等部件，它们与转子上的相应的运动部件相配合，完成膨胀作功的能量转换过程；汽缸外连接着进汽、排汽和抽汽等管道，因此汽缸还起着对缸内外部件定位支承作用。

汽轮机运行时，汽缸除了承受内外压差以及本身和装在其中的各零部件的重量等静载荷外，还要承受汽流对喷嘴等的作用力及温度分布不均而引起的热应力。因此，对汽缸的结构要求主要有以下几点：

(1)有足够的强度和刚度及很好的蒸汽严密性；

(2)保证各部分受热时能自由膨胀，并能始终保持中心不变；

(3)通流部分有良好的气动性能；

(4)汽缸形状要简单、对称，壁厚变化要均匀。在满足强度和刚度的要求下，尽量减薄汽缸壁和连接法兰的宽度；

(5)高温部分尽量集中在较小的范围内，以减小热应力；

(6)工艺性好，便于加工制造、运输、安装和检修。2.1.1汽缸2/5/202322.高中、压缸2/5/20233回流式高压缸2/5/20234大亚湾高压缸立剖2/5/20235大亚湾高压缸剖面2/5/20236田湾高压缸模型2/5/20237汽缸法兰形状改进设计思想先进的机组(如引进型300MW汽轮机)不再设置法兰螺栓加热装置，而是将法兰设计的窄而高，使汽缸接近圆筒形；同时将法兰螺栓布置得靠近汽缸壁中心线，从而改善了螺栓的受力条件，设计中还将螺栓的节距取得较小，因而法兰螺栓的直径较小，容易被加热。这种设计思想还使法兰中分面的蒸汽严密性得以提高。2/5/202383.低压缸结构2/5/20239大亚湾低压缸立剖2/5/202310大亚湾低压缸纵剖2/5/202311排汽缸喷水降温装置2/5/202312大亚湾排汽缸喷水冷却母管2/5/2023132.1.2大亚湾高压缸隔板套及隔板体2/5/2023142.1.3汽缸的支承与热膨胀(1)汽缸的支承2/5/202315下猫爪中分面支承2/5/202316大亚湾高压缸的上猫爪支承2/5/202317(2)滑销系统2/5/202318大亚湾的滑销系统2/5/2023192.1.4去湿装置与防冲蚀湿蒸汽级中的水珠运动轨迹2/5/202320大亚湾高压缸中的去湿装置2/5/202321防冲蚀措施2/5/2023222.1.5轴承滑动轴承的工作原理2/5/202323轴承内的油楔2/5/202324椭圆形轴承2/5/202325三油楔轴承2/5/202326可倾瓦轴承2/5/202327大亚湾的径向轴承2/5/202328推力轴承工作原理2/5/202329国产引进型300MW汽轮机推力轴承2/5/2023302.2汽轮机的转动部分

汽轮机的转动部分包括转子和盘车装置。盘车装置在第三章中介绍，本节只介绍转子。转子主要由主轴、叶轮(或转鼓)、动叶栅、联轴器及其他转动零件组成转子的作用是汇集各级动叶栅所得到的机械能并把它传递给其他机械1.转子的结构汽轮机转子可分为轮式和鼓式两种基本类型轮式转子有整锻式、套装式、组合式和焊接式四种结构形式2/5/202331套装转子2/5/202332组合转子2/5/202333焊接转子2/5/202334鼓式转子2/5/2023352.叶轮叶轮是用来装置叶片并传递汽流对叶栅产生的扭矩的绝大多数叶轮都由轮缘、轮面和轮毂三部分组成叶轮承受的载荷有：自身及叶片等高速旋转所产生的巨大离心力、叶轮两侧压差的作用力、传递扭矩的切向作用力、温度不均引起的热应力、自身及叶片振动引起的交变应力等。对于套装叶轮，其内孔上还承受着因过盈配合而产生的接触应力。2/5/2023363.动叶片与动叶栅2/5/202337T型叶根2/5/202338叉型、枞树型叶根2/5/202339围带2/5/202340拉金2/5/2023414.联轴器刚性联轴器2/5/202342半挠性联轴器2/5/202343大亚湾的高压转子2/5/202344大亚湾的低压转子2/5/2023455、盘车装置在汽轮机停机后及冲转前，使转子以一定速度转动起来的装置，称为盘车装置盘车装置的分类按盘车转速分：盘车装置一般有2~4r/min的低速盘车和40~70r/min的高速盘车两种。有些盘车还具有间歇盘车功能，间歇盘车通常是在连续盘车后进行，它能使转子定期进行翻转，以代替人工操作，消除转子的热弯曲。按其动力来源可将盘车装置分为电动盘车和液动盘车；对电动盘车按其结构特点又可分为具有蜗轮蜗杆的盘车装置和具有摆动齿轮的盘车装置等盘车装置的投运场合及作用在停机期间应利用盘车装置，连续盘车至转子温度低于规定值。因为汽轮机在停机状态时，汽缸和转子均处于冷却过程，由于汽缸下部较上部冷却得快，使上下缸之间出现了温差。此时如果转子静止不动，其上下也会出现温差，这将导致转子的热弯曲，这种弯曲可能会达到很大的数值，不利于汽轮机重新投运。若强行冲转，势必造成机组振动，甚至引起机组动静部分的碰摩导致大轴出现永久弯曲。在汽轮机冲转前，通常需要向轴封供汽以封隔空气，使凝汽器能建立起一定的真空。此时会有少量蒸汽进入汽缸，为了避免转子和汽缸上下受热不均匀而引起转子的热弯曲，也需要对转子进行盘车。对中间再热机组，锅炉点火后通常要投入旁路系统，此时凝汽器内的蒸汽将通过排汽缸进入汽轮机，使汽缸及转子上下受热不均，为此，也要求在投入旁路系统之前先投入盘车装置。在机组冲转之前，通过盘车，还可检查机组是否已具备了正常的冲转条件。如动静部分是否有碰摩，主轴弯曲度是否超过规定值，润滑油系统是否正常等。在冬季，还可利用盘车装置提高润滑油温使其达到冲转要求的温度。2/5/2023462.3汽轮机总体结构2.3.1汽轮机的总体布置形式

汽轮机总体布置形式包括汽缸、排汽口、转轴数量和布置方式。影响汽轮机总体布置形式的因素很多，主要有汽轮机的用途、型式、参数、容量等。另外，从强度角度出发，还需考虑影响机组安全运行的诸因素。设计蒸汽流动方向时应考虑的因素：减小作用在推力轴承上的轴向力；减小轴向间隙；减小轴系长度和汽缸之间的相对位移；方便汽轮机进排汽管道的布置等；2/5/202347分缸情况及蒸汽流程实例核汽轮机组的布置形式1一高压缸；2一中压缸；3一汽水分离再热器；4一低压缸(a)单轴三缸四排汽口；(b)单轴四缸六排汽口；(c)单轴五缸六排汽口；(d)单轴五缸八排汽口2/5/2023482.3.2核电站湿蒸汽汽轮机的总体配置

大亚湾核电厂的汽轮机为英国通用电器公司设计制造的饱和蒸汽、中间再热、单轴冲动式汽轮机。额定功率983.8MW，新蒸汽参数：6.63MPa,283℃,5517t/h；高排：0.783MPa(11.8%p0),169.5℃,湿度14.2%；低进：0.74MPa,265.1℃(过热度95℃)；排汽压力7.5kPa,湿度9.3%,2986t/h(54.11%D0)。

1个高压缸和3个低压缸皆为对称分流式，共2×5+3×2×5=40级。高压缸为铬钼材料铸造的单层缸结构，水平对分形式。隔板界采用隔板套结构。各级叶根皆为多叉型，叶片长度91~264mm,叶片顶部有预加工的铆钉头，用来装置围带。低压缸为双层缸，水平对分形式。内、外缸均由碳钢制造，内缸为焊接结构，外缸为焊接组装结构。内缸包含环形进汽室和所有隔板，隔板由铁素体不锈钢制造，其结构为标准的焊接静叶和内外围带结构，嵌在隔板套的槽内。动叶由铁素体不锈钢制造，叶片长度151~945mm,1~4级有围带，叶根为多叉型，末级枞树型高、低压转子均由镍铬钼钒钢整锻而成，有150mm的中心孔。2/5/2023492.4核电站湿蒸汽汽轮机的特点

绝大多数核电站汽轮机是利用湿蒸汽工作的，这对汽轮机的设计和构造有着重要的影响。与常规电站汽轮机相比，核电站汽轮机的主要特点有：

1.蒸汽参数低

蒸汽参数低的原因：压水堆核电厂二回路新蒸汽参数取决于一回路冷却剂温度。为了保证反应堆的安全稳定运行，不允许一回路冷却剂沸腾(过冷水)。即一回路冷却剂温度取决于一回路压力，而一回路压力应按照反应堆压力容器的计算极限压力选取。另外，核燃料芯块的锆合金Zr-4包壳与水的相容温度不超过350℃。况且，水的临界温度为374.15℃，因而一回路冷却剂温度提高有限。因此压水堆核电厂二回路的蒸汽参数不可能取高。通常，蒸汽压力为5.0~7.0MPa，温度为260~285℃。2/5/202350蒸汽参数低的结果蒸汽参数低使得:

(1)循环热效率低最先进的压水堆核电站的循环热效率仅有36%,约为先进火电机组的70%左右。

(2)理想焓降小多级湿蒸汽汽轮机的理想焓降比高参数汽轮机的约小30%~40%，因此：①大多数湿蒸汽汽轮机中没有中压缸；②低压缸发出的功率约占整个机组的50%~60%[而在火电厂高参数机组中低压缸约占30%~40%左右]，因此低压缸对机组的相对内效率具有更大的影响;③蒸汽在进汽机构、外置式分离再热器中的压力损失，对机组的热效率有很大影响，应尽可能改善这些部件的气动力学性能。2/5/202351

2.容积流量大

由于湿蒸汽汽轮机的参数低、理想焓降小以及效率较低，因而蒸汽容积流量比同功率的高参数汽轮机约大60%~100%(如300MW核汽轮机的蒸汽流量约为2000t/h，相当于600MW的火电机组)。由此导致核汽轮机的下列特点：

(1)进汽机构的尺寸增大；

(2)功率大于600~800MW汽轮机的高压缸已做成双分流结构；

(3)第一级叶片的高度大，弯曲应力较大，因此采用部分进汽困难，不宜采用喷嘴调节；

(4)低压缸通流量大，因而排汽的余速损失对热效率有更大的影响，这就要求增大排汽面积以降低余速损失，同时须提高排汽管中的速度动能利用系数。2/5/202352

3.核汽轮机大多数级处于湿蒸汽区

由于新蒸汽是饱和汽，膨胀后即进入湿汽区。因而核汽轮机大多数级处于湿蒸汽区。可以近似地认为，排汽平均湿度每增大1%，汽轮机的相对内效率约降低1%。且湿蒸汽膨胀所形成的水分对汽轮机通流部分元件及其他过流设备会产生冲蚀破坏作用。为此，湿蒸汽汽轮机高、低压缸中都必须采用有效的去湿结构和防腐措施，而且饱和蒸汽汽轮机毫无例外地设有外部汽水分离器。外部汽水分离器通常设置在高、低压缸之间，并且同时使用中间再热。再热器通常分为两段，首先用高压缸抽汽对汽水分离器分离出来的蒸汽进行再热，然后再用高温主蒸汽再行加热。采用再热的核电站汽轮机的分缸压力通常为新蒸汽压力的12%~15%。2/5/202353

4.单排汽口极限功率较小由于湿蒸汽汽轮机的参数低、理想焓降小，所以在同样凝汽器压力和相同排汽缸数目下，所发出的功率较高参数汽轮机低很多。通常可以用以下途径提高核电站汽轮机的单机功率。(1)增大排汽口通流能力

可采用更长的末级叶片、增多分流数目(排汽口≯8).(2)提高排汽压力或增大余速损失

可显著提高汽轮机功率，但却会使汽轮机经济性下降。对核电站湿蒸汽透平而言，在同样末级尺寸下，排汽压力从3.5kPa提高到5.0kPa，功率可增大40%以上，效率降低0.9%。排汽余速损失增大50%时可提高功率22%，经济性降低1.3%。(3)采用半速汽轮机由上式可知，在给定初终参数及u和θ条件下，机组的电功率与转速的平方成反比。所以，在不增加动叶应力的情况下，汽轮机转速减半，理论上可以使极限功率提高三倍之多。但由于半速汽轮机的转子、凝汽器、排汽管等的构造尺寸太大,制造工艺上难以实现，所以，实际半速汽轮机的叶片高度和级的平均直径约可增大50%，相应功率可提高一倍多一些。2/5/202354采用半速对汽轮机工作的影响采用半速机不仅使功率增加1倍,对汽机工作还将产生以下影响：①汽轮机的可靠性转速越低，离心应力就越小。因此，在相同材料时，其末级叶片的工作更为可靠。许多研究认为，叶片在湿蒸汽中侵蚀程度与轮周速度的2次方、3次方甚至4次方成正比。采用半转速，可使叶片的抗侵蚀能力和可靠性大大提高。叶片振动特性分析表明，低速汽轮机的动态可靠性更高。②汽轮机的经济性有关不同额定转速对汽轮机组效率影响的研究表明，虽然半速机组在高压部分带来一些附加损失，但低压部分的效率将得到更多的提高。例如，对于400~600MW汽轮机组，采用半转速可使汽轮机的经济性提高0.8~1.1%。(余速损失减小)据对世界410台核电机组统计，900MW以上机组多数为半速机组③重量、尺寸和造价在保持最佳速比的条件下，若转子直径不变，降低转速会使级的焓降减小，使汽轮机级数增多；若每级焓降不变，则需增大级的直径。这些都将使汽轮机的尺寸和材料消耗量增大(功率增加一倍重量约为原来的2.8倍)

。因而汽轮机的造价也相应增加。2/5/202355(4)给水回热加热核电站中采用给水回热加热，除具有常规电站可提高单机功率等优点外，还有以下特点：①在饱和蒸汽区内采用抽汽进行给水回热，在热力学上比过热区有利；②抽取湿蒸汽能够几乎无损失地将集中在叶片外围的水引出通流部分，从而提高汽轮机效率和后面各级工作的