汽轮机原理(6汽轮机主要零部件结构)

汽轮机原理及系统能源与动力工程学院赵亚菊南京工程学院汽轮机原理及系统第六章汽轮机主要零件结构汽轮机的工作条件：高温、高压、高转速热应力(拉应力、压应力)热膨胀(汽缸和转子热膨胀、胀差)热变形(汽缸热变形、转子热变形-----大轴弯曲)热疲劳、高温蠕变(影响汽轮机寿命的重要因素)强度(静强度、动强度)刚度(零部件受力后变形情况)振动影响机组安全性的因素(强度的角度)汽轮机本体汽缸、隔板套隔板、喷嘴组、静叶持环、静叶汽封(轴封、隔板汽封、通流部分汽封)轴承(支持轴承、推力轴承)滑销紧固零件静止部分转动部分主轴、叶轮、动叶片、围带、拉金联轴器盘车装置上汽－西门子1000MW汽轮机纵剖面图14+２*13+2*2*6共64级结构级1－液压盘车装置2－高压部分/1号轴承座3－高压缸轴承4－转子5－高压部分/高压缸6－高压部分/高压叶片7－高压部分/2号轴承座8－径向推力联合轴承9－中压部分/中压缸10－中压部分/中压叶片11－中低压连通管12－中压部分/3号轴承座13－中压缸轴承14－低压部分/低压缸15－低压部分/低压叶片16－低压部分/4号轴承座17－1号低压缸轴承18－低压部分/5号轴承座19－2号低压缸轴承２.1汽轮机静止部分的结构一、汽缸要求：强度和刚度；严密性；流动性能好；自由膨胀；汽缸法兰厚度尽量薄、结构形状简单对称、节约材料、便于安装和施工。（一）汽缸的作用：汽缸是汽轮机的外壳，它承受载荷、蒸汽对静止部分的反作用力、热应力。其作用：①起着封闭的作用。它将进入汽轮机的工质与外界隔绝，使工质在一个封闭的空间流动做功；②起定位支承的作用。它内部安装隔板、喷嘴和轴封等部件，外部连接进汽、排汽和抽汽等管道；③它与这些附件一起起到组织汽流流动的作用。使进汽、排汽和抽汽有规律的分配。（二）汽缸的结构：１、汽缸通常分上汽缸和下汽缸，水平对分(保证汽轮机安装和检修方便)２、汽缸通常单缸或多缸单缸分为高压段、中压段、低压段多缸分为高压缸、中压缸、低压缸(保证合理利用材料等)３、汽缸通常分单层缸和双层缸(高参数大容量的汽轮机高、中压缸)高参数大容量的汽轮机高、中压缸常采用双层缸的原因：采用双层缸，在内外缸之间通入低与初参数的蒸汽，使内缸和外缸承受的压差、温差大大减小，每层缸相应减薄。因此：启动、停机、变工况时汽缸的热应力减小；加快了启停速度，实现了机组的快速启停；外缸温度低于内缸，节省了优质耐热合金钢；外缸的内、外压差比单层汽缸时降低了许多，因此减少了汽缸结合面漏汽的可能。４、蒸汽在汽缸中的流动通常分为顺向布置、反向布置、对称分流布置（平衡轴向推力）上汽－西门子1000MW汽轮发电机组三维立体视图高压缸采用双层缸单流程设计，包括高压外缸和高压内缸。外缸为独特的桶形设计;内缸为垂直纵向平中分面结构，各级静叶直接装在内缸上。高压缸缸体整个周向壁厚为旋转对称，无需局部加厚，避免了不理想的材料集中和非对称变形及局部热应力，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，将热应力保持在一个很低的水平。高压缸纵剖面图1－高压转子2－高压外缸进汽端3－高压外缸排汽端4－高压内缸高压内缸有中分面设置于垂直方向将汽缸分为左右两半，采用高温螺栓进行连接，螺栓不需要承受内缸本身的重量，可减少螺栓应力，无高应力的高温蠕变问题，安全可靠性好。1级低反动度叶片和13级反动式扭叶片直接装在内缸上。高压缸结构示意图1－2号轴承座2－径向推力联合轴承3－高压转子4－高压内缸5－第一级斜置静叶6－高压静叶7－高压动叶8－高压外缸进汽段9－高压进汽口10－补汽阀进汽口11－高压外缸排汽段12－高压轴承13－1号轴承座14－液压盘车中压缸采用双流程、双层缸设计，内缸和外缸均在水平中分面上分为上、下两半，采用法兰螺栓进行连接。蒸汽从中压中部通过进汽插管直接进入中压内缸，流经对称布置的双分流叶片通道至汽缸的两端，然后经内外缸夹层汇集到中压缸上半中部的中压排汽口，经中低压连通管流向低压缸。由于通流部分采用双分流布置，转子轴向推力基本能够左右平衡。中压缸中压缸纵剖面图1－中压转子2－中压外缸上半3－中压外缸下半4－中压内缸上半5－中压内缸下半6－A5抽汽口7－中压进汽口8－A4抽汽口低压缸采用两个双流、双层缸设计，内、外缸均由钢板拼焊而成，均在水平中分面分开成上下半，采用中分面法兰螺栓进行连接。来自中压缸的蒸汽通过汽缸顶部的中低压连通管接口进入低压缸中部，再流经双分流低压通流叶片至两端排汽导流环，蒸汽经排汽导流环后汇入低压外缸底部进入凝汽器。低压外缸采用现场拼焊，直接坐落于凝汽器上，大大降低了运转层基础的负荷。低压内缸通过其前后各两个猫爪，搭在前后两个轴承座上，支撑整个内缸、持环及静叶的重量，并以推拉杆装置与中压外缸相连，以保证动静间隙。外缸和内缸之间的相对膨胀通过在内缸猫爪处的汽缸补偿器、端部汽封处的轴封补偿器以及中低压连通管处的波纹管进行补偿。外缸与轴承座、内缸和基础分离，不参与机组的滑销系统。低压缸低压缸纵剖面图1－低压转子2－低压外缸上半3－低压内缸上半4－低压外缸6－低压内缸下半7－低压外缸下半在低压缸端壁上装设排汽缸喷水减温装置。防止缸壁的温度超过允许范围，在低压缸适当位置上装设有向空泄放安全膜(安全阀)，其作用是防止汽缸遭受超压损害。(三)进汽部分和中低压连通管1进汽部分（1）定义：进汽部分是指调节汽阀后蒸汽进入汽缸第一级喷嘴的这段区域。它包括调节汽阀至喷嘴室的主蒸汽(再热蒸汽)导管、导管与汽缸的连接部分和喷嘴室。它是汽缸中承受蒸汽压力温度最高的部分。（2）超高参数大容量的汽轮机采用与汽缸分开的蒸汽室的原因：①超高参数的机组，高压缸都采用双层缸结构，运行中内外缸有相对膨胀，不能将进汽部分与内缸合为一个整体；②进汽部分承受的蒸汽压力温度都很高，采用比汽缸更好的金属材料来制造，为合理利用优质耐高温金属材料，采用分开结构比较合理；③进汽部分承受的蒸汽压力温度都很高，汽缸温度稍低，为使汽缸设计制造成对称形受热均匀的形状，运行时以减小汽缸的热应力、热膨胀和热变形，采用分开结构比较合理。2中低压连通管（导汽管）（1）中低压连通管（导汽管）的作用：完成多缸汽轮机中工质在汽缸之间的直接转移，即在最小的压损下将蒸汽从中压排汽口引入低压缸。（2）导流叶片环、膨胀节、平衡鼓导流叶片环达到使汽流平衡地改变方向地目的。膨胀节补偿连通管进出汽口之间静子膨胀引起的相对位移和自身的膨胀。平衡鼓起到汽流平衡的作用，减小蒸汽对连通管的作用力。汽轮机的启动、停机和功率的变化，是通过改变汽门的开度（或保持汽门在一定的开度或全开汽门），调节进入汽轮机的蒸汽量（或蒸汽参数）实现的，这种调节蒸汽量或蒸汽参数的汽门称为调节汽门（简称调门）。调节汽门机组在停机时（特别是机组在运行中需紧急停机时），除了关闭调门外，还必须设置能快速切断汽源的汽门，即在调门出现泄漏的情况下，也能保证汽轮机降速停机，这种具有安全保护功能的汽门称为自动主汽门（简称主汽门）。自动主汽门在中压缸进口处必须设置中压主汽门来紧急切断来自再热器及管道的蒸汽。另一方面在机组低负荷时为了维持锅炉再热器及旁路系统的稳定运行，保证再热器有足够的冷却蒸汽流量，保护再热器不被烧坏，必须设置中压调门。中压主汽门和中压调门主汽门和调门组件上汽1000MW超超临界汽轮机采用全周进汽滑压运行与补汽阀调频技术，设置有2只高压主汽门和高压调门组合件（简称高压联合汽门）、2只中压主汽门和中压调门组合件（简称中压联合汽门）及2只补汽调门，所有的汽门均通过弹簧弹力来关闭，运行安全可靠。主汽门主调门1主门阀座10调门阀座2阀碟11阀杆（含阀碟）3阀杆（含小阀碟）12阀杆衬套4滤网13内阀盖5阀杆衬套14压板6内阀盖15外阀盖7压板16油动机8外阀盖9油动机高压部分有两个主汽门与调门组件，分别布置在高压缸两侧。每个组件包括：一个主汽阀和一个调节阀，他们共用一个阀壳。主蒸汽进汽部分示意图独特的切向旋涡冷却技术利用涡流原理降低温度约15度，满足较高再热温度的要求。1再热蒸汽进口2中压缸3再热主门和调门组件4再热调门油动机5再热主门油动机6中压进汽插管7再热调门8再热主汽门采用补汽调节阀的目的：第一是使滑压运行机组在额定流量下，进汽压力达到额定值；第二是使机组实际运行时，不必通过主调门的节流就具备调频功能，可避免节流损失，而且调频反应速度快，可减少锅炉的压力波动。补汽阀的功能：（1）当汽轮机的最大进汽量与THA工况流量之比较大时，可采用补汽技术，超出额定流量的部分由外置的补汽调节阀提供，即补汽阀一般在最佳运行经济工况点后开启，控制额外的蒸汽进入高压缸以使汽轮机在额定功率外再增加一部分输出功率，满足在该工况外机组能够到达更高的负荷。此时主调节门在额定流量下可设计成全开，从而提高额定负荷以下所有工况的效率（机组热耗可至少下降40kJ/（kW·h））。（2）对超超临界高温汽轮机，补汽还能起到对汽缸的冷却作用。在机组正常运行中补汽阀通过保持一定的漏汽，充分利用补汽温度始终低于主蒸汽30℃的特点，对汽缸起到冷却作用，有利于提高高温部件的可靠性。（3）补汽阀还具有提高变负荷速率的功能（具有调频功能），有利于提高大电网的稳定性。进口出口油动机(四)汽缸的支承和滑销系统1汽缸的支承：汽缸通过轴承座及本身的搭脚支承在基础台板上，基础台板又用地脚螺栓固定在基础上。（1）猫爪支承①下猫爪支承由下汽缸水平法兰前后延伸出的猫爪作为支承猫爪，分别支承在汽缸前后的轴承座上。分为非中分面下猫爪支承和中分面下猫爪支承。特点：非中分面下猫爪支承的承力面与汽缸水平中分面不在一个平面上。其优点是结构简单，安装检修方便；缺点是汽缸受热使猫爪因温度升高而产生膨胀时，导致汽缸中分面抬高，使静子和转子不在一个中心线上，从而改变了静、动部分的径向间隙，严重时会造成静、动部分摩擦甚至碰撞振动而损坏汽轮发电机组。非中分面下猫爪支承只适用于温度不高的中低参数机组的高压缸的支承。中分面下猫爪支承是抬高猫爪的位置使其承力面正好与汽缸的中分面在同一水平面上，从而克服了非中分面下猫爪支承的缺点。这种结构使下汽缸的加工变的复杂，但安装检修简单。现常用于高参数大容量的机组的高、中压缸的支承。（如上海汽轮机厂300MW机组采用的支承结构就是中分面下猫爪支承）（a）非中分面支承(b)中分面支承由上汽缸水平法兰前后延伸出的猫爪作为支承猫爪，分别支承在汽缸前后的轴承座上。特点：这种支承结构与中分面下猫爪支承一样，汽缸受热膨胀时，不会影响汽缸的中心线。同样克服了非中分面下猫爪支承的缺点。但其缺点是由于下缸是靠水平法兰螺栓吊在上缸上，螺栓受力增加，而且对中分面密封也不利，其安装也比较复杂。（2）台板（搭脚）支承低压缸的温度低，外形尺寸较大，低压缸一般采用下缸伸出的搭脚直接支撑在基础台板上，虽然它的支撑面比汽缸中分面低，但因排汽缸温度低，膨胀小，故影响不大。轴向两端预埋入基础的固定板确定了低压缸的轴向位置，在两轴向定位板连线上，汽缸不允许轴向位移，轴向定位板连线和横向定位板连线的交点，既是低压缸的膨胀死点2滑销系统（1）主要任务（作用）：保证汽轮机在启动加热和停机冷却时，其动、静部件能沿着设定的方向顺畅地膨胀与收缩。保证动静间隙和动静中心。（2）滑销系统的组成：滑销系统通常由横销、纵销、立销、角销及死点等组成。横销引导汽缸沿横向滑动，并在轴向起定位作用。一般安装在低压缸的搭脚与台板之间，左右各装一个。高中压缸猫爪与轴承座之间也设有横销，称为猫爪横销。纵销引导轴承座或汽缸沿轴向滑动，并限制轴向中心线横向移动。纵销与横销中心线的交点为膨胀的固定点，称为死点。纵销一般安装在轴承座底部与台板之间及低压缸与台板之间，处于汽轮机的轴向中心线正下方。立销引导汽缸的膨胀沿垂直方向的滑动，并与纵销共同保持机组的轴向中心不变。立销安装在汽缸与轴承座之间也处于机组的纵向中心线正下方。角销安装在轴承座底部左右两侧，其作用是防止轴承座与基础台板脱离。汽轮机滑销结构示意图（a）猫爪横销（b）前缸立销（c）前轴承纵销（d）角销（压板）（e）联系螺栓（f）后缸立销高、中压汽缸和低压内