超超临界机组汽机结构特点及关键技.ppt

热烈欢迎超临界、超超临界燃煤发电技术高级研修班的各位来宾,2010年4月,超超临界1000MW汽轮机结构特点和关键技术,2009年4月,演讲人：安敏善,1.前 言,自华能玉环电厂、华电邹县电厂、国电泰州电厂1000MW汽轮机组相继投产开始，我国超超临界单轴汽轮机在参数、容量及性能等方面均达到世界先进水平。到目前，我国已投入运行的超超临界1000MW机组共有11台。其中，玉环电厂4台，外高桥电厂三期2台，北仑港电厂三期1台，邹县电厂2台，泰州电厂2台。到2008年3月天生港电厂招评标时止，已运行、在制和订货的超超临界1000MW汽轮机共86台。（其中，上汽厂46台，东汽厂28台，哈汽厂12台。）,1.前 言,1.1 技术支持方 早期，上汽厂、东汽厂、哈汽厂在选择欧洲技术还是日本技术上举棋不定。因此，在投标时上汽以西门子和三菱为技术支持方；东汽以日立、三菱、西门子为技术支持方；哈汽以三菱、阿尔斯通、东芝为技术支持方。当三家制造厂在玉环、邹县、泰州电厂相继中标后，选择了固定的单一的技术支持方。即上汽采用西门子技术；东汽采用日立技术；哈汽采用东芝技术。,1.2 母型机和模块设计 引进技术合作生产的超超临界1000MW汽轮机的参数容量均处于世界已运行的单轴机组的前沿，基本上没有相同机型，因而只能以技术支持方的接近机型为母型机组，进行模块化设计。技术支持方相近机型的业绩，以接近容量单轴机组的业绩排序为：西门子、东芝、日立；以高温材料在600/600应用业绩的排序为：日立、东芝、西门子。,1.前 言,上汽西门子型、东汽日立型、哈汽东芝型汽轮机都是吸取其技术支持方成熟的结构设计、先进的通流技术、高温材料和长叶片技术基础上优化组合有良好运行实践的最新技术，设计制造了具有容量大、效率高、安全可靠、运行灵活和维护方便等特点的新一代超超临界汽轮机。本文将分别对三种机型的关键技术及特点进行分别介绍。,1.前 言,2.上汽西门子型1000MW汽轮机设计和结构特点,2.1 总体介绍 上汽1000MW汽轮机由西门子公司设计，机组的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三个最大功率可达到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。“HMN”组合的功率范围为300MW至1100MW。根据排汽容积流量的大小（背压及功率）可选配1至3个低压缸。因此该功率等级机组技术先进、成熟、安全可靠；且所有的最新技术近期均有成功的应用业绩。,2.上汽西门子型1000MW汽轮机设计和结构特点,2.上汽西门子型1000MW汽轮机设计和结构特点,上汽1000MW超超临界汽轮机纵剖面图,2.2 汽轮机主要技术特点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、快速启动及调峰能力。采用一只高压缸、一只中压缸和二只低压缸串联布置。,2.上汽西门子型1000MW汽轮机设计和结构特点,2.2.1 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，能将热应力保持在一个很低的水平。,2.上汽西门子型1000MW汽轮机设计和结构特点,圆筒型高压缸,2.上汽西门子型1000MW汽轮机设计和结构特点,无中分面的圆筒型高压缸有极高的承压能力，汽缸应力小，即使内缸有中分面，但其螺栓应力也小，安全可靠性好。,单流程高压通流部分,2.上汽西门子型1000MW汽轮机设计和结构特点,单流程设计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。,高压缸第一级叶片级的独特技术风格,2.上汽西门子型1000MW汽轮机设计和结构特点,采用斜置式静叶，效率高，漏汽损失小采用低反动度叶片级（约20%的反动度），一方面可避免硬质颗粒冲蚀；另一方面又可降低进入转子动叶的温度；动静叶片的轴向距离较大，可减少硬质颗粒冲蚀100%的全周进汽，对动叶片无任何附加激振力。,由于西门子独特的高压第一级叶片设计，因此不仅效率高，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。,2.上汽西门子型1000MW汽轮机设计和结构特点,2.2.2 中压缸的特点单排汽口，结构紧凑的双流中压缸 西门子双流中压缸结构的独特性之一在于：仅两个进汽口和一个排汽口，结构异常紧凑。不仅使汽缸的轴向尺寸紧凑，而且使整个中压缸只承受中压排汽的温度和压力。,2.上汽西门子型1000MW汽轮机设计和结构特点,球墨 铸铁的中压外缸 由于中压外缸只承受低压（0.5MPa-06MPa）低温（小于300），因此可采用球墨铸铁材料，具有加工方便、质量容易保证的优点。,2.上汽西门子型1000MW汽轮机设计和结构特点,第一级双流斜置静叶设计 中压缸为双流，进汽通道的设计与高压缸相似，两个再热进汽口配置在汽缸两侧。通过第一级的斜置静叶，汽流由径向变为周向，结构紧凑、损失小。,2.上汽西门子型1000MW汽轮机设计和结构特点,中压切向涡流冷却 中压进口段的中间体部件上开有四个切向进汽孔，中压再热蒸汽进入该孔形成高速切向流动，温度可降15左右，起到冷却中压转子的作用。,2.上汽西门子型1000MW汽轮机设计和结构特点,低的中低压分缸压力 西门子由于具有叶片可靠性设计及结构设计方面的优势，因此中压缸排汽压力一般为0.5MPa0.6MPa，排汽温度也比其他机组低100左右，可带来下列好处：中压外缸采用加工性能好，加工周期短、质量易保证的球墨铸铁；中压缸排汽温度既低压缸进汽温度低于300，非常有利于低压转子的安全性，不必像其他机型，要考虑低压转子材料的回火脆性问题；低压内缸可采用球墨铸铁材料或钢板焊接；该中低压分缸压力非常容易派生出抽汽供热型机组。,2.上汽西门子型1000MW汽轮机设计和结构特点,高中压转子通流部分采取独有技术风格小直径、多级数，制造成本会增加，但效率高，转子应力小；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。,2.上汽西门子型1000MW汽轮机设计和结构特点,2.上汽西门子型1000MW汽轮机设计和结构特点,高中压转子叶片采用的T型叶根,2.2.4 主调门及再热调门的独特技术风格 西门子采用两个主调门及两个再热主调门,在阀门与汽缸之间没有蒸汽管道，结构紧凑、损失小、附加推力小，其主要特点为：布置在汽缸两侧，切向进汽，损失小；起吊高度低；阀门直接支撑在基础上，无蒸汽管道，相互作用力小；阀门与汽缸整体安装，阀门与汽缸采用大型罩螺母方式连接；主汽蒸汽阀门采取小网格、大面积的不锈钢永久性滤网，其特点是过滤网直径小，滤网刚性好，不易损坏。,2.上汽西门子型1000MW汽轮机设计和结构特点,2.上汽西门子型1000MW汽轮机设计和结构特点,高压主汽门与汽缸的连接方式,2.上汽西门子型1000MW汽轮机设计和结构特点,中压主汽门与汽缸的连接方式,2.2.5 低压缸特点 低压缸采用双流设计，该机组配备两个低压缸，特点如下：低压外缸由二个端板、二个侧板和一个上盖组成。外缸与轴承座分离，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。,2.上汽西门子型1000MW汽轮机设计和结构特点,2.上汽西门子型1000MW汽轮机设计和结构特点,低压缸结构,2.2.6 采用全三元气动高效率叶片第五代“T4X”叶片型线 目前在超超临界汽轮机中应用的第五代“T4X”型线不仅叶型损失小，而且有较宽广的冲角适应范围。变反动度叶片技术 每一叶片级的反动度是不相等的,反动度与叶片的几何尺寸、焓降、进出角特性对应。,2.上汽西门子型1000MW汽轮机设计和结构特点,全三维的弯扭（马刀型）叶片所有的高中低压叶片级全部采用马刀型，不仅静叶片，而且所有的动叶片（除末三级外）也是马刀型；较低反动度的叶片级，根据最佳的气动设计，已不是50%反动度的纯反动式叶片级，目前级的反动度控制在30%40%的水平；整体自带围带结构，动应力小，抗高温蠕变性能好。,2.上汽西门子型1000MW汽轮机设计和结构特点,2.2.7 汽缸落地设计 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。,2.上汽西门子型1000MW汽轮机设计和结构特点,2.2.8 独特的膨胀系统设计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。,2.上汽西门子型1000MW汽轮机设计和结构特点,2.2.9 汽缸之间的单轴承支撑设计 除与发电机连接的低压转子外，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；与其他公司的四缸四排汽机型相比，西门子汽轮机的轴向总长要短8-10m，因此轴系特性简单，厂房投资可下降。,2.上汽西门子型1000MW汽轮机设计和结构特点,2.2.10 特有的轴系高稳定性设计单流高压缸，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。,2.上汽西门子型1000MW汽轮机设计和结构特点,2.上汽西门子型1000MW汽轮机设计和结构特点,2.2.11 热力循环的特点 西门子在热力系统中采取了疏水泵。末两级低加采用进入一个附加疏水加热器的方式，一方面介决了疏水问题,另一方面可回收部分热量。,2.2.12 低压缸去湿及防水蚀技术低压缸的去湿技术 结构上设置足够的疏水槽；保持相当大的轴向间隙;末级静叶采取空心叶片结构，以便内部抽出水分。末端叶片采用抗腐蚀性能好的17-4PH材料末级动叶片采用新型的激光表面硬化技术,2.上汽西门子型1000MW汽轮机设计和结构特点,2.2.13 世界上（有运行业绩）最大尺寸的3000r/min低压缸 西门子公司1146mm末级叶片是目前世界上有运行业绩，3000r/min最长、排汽面积最大的叶片。该1146mm叶片1997年投运，至今运行已超过27500小时。,2.上汽西门子型1000MW汽轮机设计和结构特点,2.2.14 灵活快速的启动性能 由于“H”“M”高中压缸一系列独特的结构，使得机组在启动运行时膨胀自由部件热应力水平低，因此机组具有非常强的温度适应能力。除大修后的第一次冲转外，机组从冲转到额定转速仅为5分钟时间。不仅运行简单，而且汽轮机能快速通过临界区，有利于轴系稳定，同时有利于与锅炉及旁路的启动运行。,2.上汽西门子型1000MW汽轮机设计和结构特点,2.2.15 机组大修间隔长 在机组设计方面采取了一系列独特的技术，机组的可靠性好；根据西门子公司的规范，其机组的大修间隔比其他机型要大一倍左右，1000MW机组的大修间隔可达到96000小时（约12年）。,2.上汽西门子型1000MW汽轮机设计和结构特点,2.2.16 机组整体发运技术 整个高、中压缸均可在制造厂内完成安装，整体发运电厂，可大大缩短新机组的安装周期。,2.上汽西门子型1000MW汽轮机设计和结构特点,2.3 材料说明 西门子高温材料分为四个等级，其应用范围见下图，其中前两种在目前超临界机组中应用最多。,2.上汽西门子型1000MW汽轮机设计和结构特点,2.3.1 主要高温性能对比 改进的10%Cr及9%Cr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 C70C。已在外高桥二期900MW，NIEDERAUSSEM，1025MW以及ISOGO的600MW机组实际应用，证明是切实可行的。,2.上汽西门子型1000MW汽轮机设计和结构特点,2.3.2 材料主要供应商锻件：Saarschmiede 德国；Saf Temi 意大利铸件：Voest/A，Sande/G，PHB Skt。Ingbert/g。,2.上汽西门子型1000MW汽轮机设计和结构特点,2.3.3 西门子对高中压内缸、高温阀门等部件的材料选择 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，再热蒸汽的最高温度均可达到626，满足相应规定，机组也能安全运行。,2.上汽西门子型1000MW汽轮机设计和结构特点,亚临界、超临界、超超临界材料比较表详见word文档。,2.上汽西门子型1000MW汽轮机设计和结构特点,2.4 末级叶片选型目前世界长叶片的发展状况 开发大功率机组的关键之一就是要有排汽面积大，更长的末级叶片。自1997年后，基于计算机技术的发展和开发大功率燃煤机组的要求，长叶片技术的发展进入了一个技术水平更高的特大长叶片发展阶段。西门子N30低压缸的长叶片系列 到2004年7月为止，西门子1146mm叶片是唯一用于900MW功率等级，高度超过1100mm的叶片；是已投运叶片中最长、排汽面积最大的叶片。,2.上汽西门子型1000MW汽轮机设计和结构特点,2.5 防止固体颗粒侵蚀（SPE）所采用的措施核心:以主动性措施为主；独特的阀门滤网结构，总面积大，滤网细小；启动前旁路必须运转；中压进汽的第一级为斜置静叶片整体结构；第一级反动级速度比冲动式低，静叶相对出汽角（动叶进汽角）大。,2.上汽西门子型1000MW汽轮机设计和结构特点,3.东汽日立型1000MW汽轮机设计和结构特点,3.1 总体介绍 东方引进超超临界1000 MW汽轮机为单轴四缸四排汽型式，从机头到机尾依次串联一个单流高压缸、一个双流中压缸及两个双流低压缸。高压缸呈反向布置(头对中压缸)，由一个双流调节级与8个单流压力级组成。中压缸共有26个压力级。两个低压缸压力级总数为226级。末级叶片高度为43，采用一次中间再热。,3.东汽日立型1000MW汽轮机设计和结构特点,3.东汽日立型1000MW汽轮机设计和结构特点,东汽1000MW四缸四排汽超超临界汽轮发电机组,3.2.1 非定常全三维通流设计先进技术 叶片各截面沿叶高三维空间成型，在叶道内沿径向形成“C”型压力分布，减小了端部二次流损失。,3.东汽日立型1000MW汽轮机设计和结构特点,全三维设计技术,3.2.2 动叶叶顶整圈自带冠 连接件结构采用减振效果优良的单层自带冠结构,降低叶片的动应力。3.2.3 平衡扭曲动叶(BV叶型)考虑了气体压缩性的层流叶型，具有更低的型线损失。采用扭曲成型使流型沿叶高优化，进口攻角减小，级效率明显提高。,3.东汽日立型1000MW汽轮机设计和结构特点,3.2.4 高负荷(CUC，HV)静、动叶技术对原平衡动叶叶型根部型线改进设计；叶片负荷提高，叶片数减少，型面损失及尾迹损失均减少15%；通过叶型修型改善型面气动布局特点，减小攻角损失；最低压力点向后移，减小了扩压区，型损下降；叶面的后加载气动布局特性使端损减小。,3.东汽日立型1000MW汽轮机设计和结构特点,3.2.5 多维弯曲静叶技术 喷嘴被切向弯曲，形成三维扩散流道，减少二次流损失，级效率提高1%-2%。3.2.6 薄出汽边技术尾迹损失小级效率提高0.6%-0.9%,3.东汽日立型1000MW汽轮机设计和结构特点,3.2.7 汽封技术优化研究汽封技术CFD流场优化研究 提高汽封的密封特性，减小汽轮机的泄漏损失。采用“Guardin seal”汽封 可进一步减小轴封间隙，提高内效率。动叶叶顶多齿汽封技术 动叶采用自带冠技术，动叶顶部叶冠采用城墙结构，使叶顶的汽封齿数由两个增加到四个高低齿，减少漏汽量，提高缸效率。,3.东汽日立型1000MW汽轮机设计和结构特点,椭圆形螺旋弹簧支承敏感式汽封 天地向间隙大于左右向间隙，启动时退让灵活，运行时在汽压作用下相对固定在设计间隙值。先进的铁素体汽封 进口铁素体不锈钢汽封齿不会淬硬，不损伤转子，汽封间隙小，结合尖齿结构，可提高封汽效果。,3.东汽日立型1000MW汽轮机设计和结构特点,3.2.8 逐渐扩大型排汽蜗壳研究对扩压管应用流体力学计算软件进行数值计算和流场分析,优化导流环型线，改善扩压管扩压效果。增加低压外缸导流环背后的导汽墙,提高低压外缸上半部分的刚性。适当增加排汽缸的径向和轴向尺寸，增强汽缸的扩压能力，使其具有良好的静压恢复能力，减少能量损失。优化排汽缸中的轴承圆锥体，增加曲线型导流板，顺应汽流的流线，降低流动损失。优化排汽缸中支撑筋板布置，减小流动损失。,3.东汽日立型1000MW汽轮机设计和结构特点,3.3 可靠性高3.3.1 材料本机型中，高、中压转子材料采用改良型12Cr钢，低压转子采用超纯净的Ni-Cr-Mo-V钢。其余主要部件材料见下页表格。,3.东汽日立型1000MW汽轮机设计和结构特点,3.东汽日立型1000MW汽轮机设计和结构特点,东汽1000MW汽轮机主要部件选材汇总表,3.3.2 高、中压进汽管及中压叶轮冷却系统,3.东汽日立型1000MW汽轮机设计和结构特点,为了降低高、中压外缸所承受的汽流温度，主蒸汽和再热蒸汽不通过外缸缸体直接进人内缸进汽室，同时引入冷却蒸汽对外缸内壁进行隔离与冷却。为了提高中压转子热疲劳强度，减轻中压正反第一级叶轮的热应力，对中压转子第一级叶轮进行冷却。,冷却系统图,3.3.3 轴系稳定性国内常用的评价指标与评价结论：轴系各阶临界转速分布满足设计要求 单个和轴系的临界转速均避开工作转速15%以上，同时也避开暖机转速。轴系不平衡响应合格 轴系不平衡响应计算结果：各轴颈处的最大不平衡响应峰一峰值小于50m。,3.东汽日立型1000MW汽轮机设计和结构特点,轴系的扭振特性是安全的 轴系扭振频率避开工频和倍频的范围，满足设计要求；有关发电机非正常运行工况下，各危险截面的最大应力均满足设计规范要求，小于许用应力。轴系的稳定性好 轴系的失稳转速大于额定工作转速的125%，且额定工作转速下的对数衰减率大于0.15，具有足够的稳定裕度。,3.东汽日立型1000MW汽轮机设计和结构特点,日立的评价方法与评价结果：转子强迫挠度 计算出的转子强迫挠度值均在允许值之内。Q系数法 计算结果表明本机型各阶振型的Q系数均处于对不平衡量响应的敏感程度非常低的区域，说明轴系动力学特性优良。,3.东汽日立型1000MW汽轮机设计和结构特点,3.3.4 汽流激振 日立公司对汽流激振的评价：汽流激振指数S,3.东汽日立型1000MW汽轮机设计和结构特点,如果该系数值小于1，则不会发生汽流激振。东方一日立1000MW汽轮机的汽流激振系数计算结果约为0.6，远小于1，因此汽流激振问题可以避免。,3.3.5 调节级 日立公司采用双流调节级方案。高压调节级后的腔体内，电端的设计压力要比调端的压力略高。可以强制汽流在腔室内流动，防止高温蒸汽在转子和喷嘴室之间的腔室内停滞，同时冷却高温进汽部分。,3.东汽日立型1000MW汽轮机设计和结构特点,3.3.6 固体微粒腐蚀SPE的防护,3.东汽日立型1000MW汽轮机设计和结构特点,防SPE静叶涂层,引进型超超临界1000MW机组采用了先进、成熟的防SPE技术。对喷嘴、调节级和再热第1级动静叶采用含铌钢材料，并对静叶出汽边热喷涂Cr-C抗冲刷涂层，有效减缓固体颗粒腐蚀。,3.3.7 末级叶片 东方一日立型1000MW超超临界机组的末级叶片采用长度为43”全转速钢叶片，该叶片已在口本苫东厚真电站No.4机组上投运成功。43”叶片适合于设计背压为4.5kPa6.5kPa的4F-1000Mw等级机组。3.3.8 高、中压转子防磨损措施 12Cr锻钢较软，制成的高、中压转子轴颈表面易受轴瓦磨损。为防止磨损，轴颈上堆焊了一层Cr-Mo钢。,3.东汽日立型1000MW汽轮机设计和结构特点,3.4 汽轮机的设计和结构特点3.4.1 总体特点机组具有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、快速启动及调峰能力。机组采用一高压缸、一中压缸和二低压缸串联布置。汽轮机四根转子各由两只径向轴承来支承。相对于单支承轴承跨距小，转子刚度高,汽机转子运行平稳安全。机组采用在多台相近蒸汽参数和相同容量的机组得到验证的设计和结构特征，来保证机组具有高的可靠性和运行高效率。,3.东汽日立型1000MW汽轮机设计和结构特点,3.4.2 高压模块（HP汽缸）,3.东汽日立型1000MW汽轮机设计和结构特点,图3-25 高压缸纵剖面,高压缸为单流式，包括1个双向流冲动式调节级和8个冲动式压力级。高压汽缸采用双层缸结构，内缸和外缸之间的夹层只接触高压排汽，使缸壁设计较薄，高压排汽占据内外缸空间，简化汽缸结构。,3.4.3 中压模块（IP汽缸）,3.东汽日立型1000MW汽轮机设计和结构特点,中压缸纵剖面,中压采用双分流，每个流向包括全三维设计的6个冲动式压力级。为减小热应力，中压汽缸采用双层缸结构。中压转子采用改良12Cr无中心孔整锻结构。,3.4.4 低压模块（LP汽缸）,3.东汽日立型1000MW汽轮机设计和结构特点,低压缸纵剖面,低压分ALP、BLP两个缸,均为双流，每个低压缸叶片正、反向对称布置。每个流向包括6个冲动式压力级，低压末级为43英寸（1092mm）钢叶片。低压缸采用三层缸结构。低压转子采用超纯净Ni-Cr-Mo-V钢整锻结构。低压缸在结构上有足够的疏水槽。,3.4.5 滑销系统 机组共设有三个绝对死点，分别位于3轴承箱下及A低压缸和B低压缸的中心线附近，转子死点位于2轴承箱内。3.4.6 复合配汽滑压运行与双流喷嘴室 机组采用双分流喷嘴组，四组调节阀独立控制；低负荷采用全周节流配汽，高负荷采用喷嘴配汽。特殊的喷嘴室结构与复合调节进汽相结合，减少汽缸出现裂纹可能性和维修量。,3.东汽日立型1000MW汽轮机设计和结构特点,3.4.7 汽轮机阀门及布置主汽调节阀 四个高压主汽阀与四个独立的高压调节阀连为一体，四个高压主汽阀腔室互相连通。每个主汽阀和调节阀均带有自己的油动机和操纵机构，主汽调节阀以及油动机操纵机构一体，采用浮动铰链吊架支撑，布置在汽轮机机头前运行层下方，检修空间充足，便于维护。,3.东汽日立型1000MW汽轮机设计和结构特点,中压联合阀 两个中压联合阀均由液压操作，具有独立阀壳。中压调压阀为球型阀，而中压主汽阀是一个套阀，两阀共用一个阀座。阀杆上有堆焊司太利合金的密封反阀座，正常工况下中压主汽阀和中压调节阀全开时阀杆无漏汽。中压联合阀布置在中压缸中部两侧下方，其重量由汽缸和两侧支架分担。,3.东汽日立型1000MW汽轮机设计和结构特点,3.4.8 轴承可倾瓦轴承 1#-4#轴承为六瓦块可倾式，上下各三块；椭圆轴承 3#-6#轴承为椭圆型，具有较高稳定性和可靠性。斜面式推力轴承 推力轴承采用斜面式推力轴承，外部采用球面配合。,3.东汽日立型1000MW汽轮机设计和结构特点,3.4.9 电动盘车装置 日立传统结构，结构简单、性能可靠。3.4.10 热力循环特点 热力系统加热器疏水采用逐级自流，无需设置疏水泵；系统简化，控制容易。3.4.11 低压缸与凝汽器柔性连接 低压缸与凝汽器的连接采用不锈钢弹性膨胀节方式。,3.东汽日立型1000MW汽轮机设计和结构特点,4.哈汽东芝型1000MW汽轮机设计和结构特点,4.1 总体介绍 哈汽东芝联合设计制造的超超临界汽轮机为一次中间再热、四缸、四排汽（双流低压缸）单轴凝汽式汽轮机，末级叶片为48英寸，机组型号TC4F-48”。汽轮机应用的设计和结构特征，已在很多相近蒸汽参数和相近功率的机组上得到验证。,4.哈汽东芝型1000MW汽轮机设计和结构特点,4.哈汽东芝型1000MW汽轮机设计和结构特点,哈汽1000MW超超临界汽轮机纵剖面图,4.2 哈汽1000MW超超临界汽轮机简介4.2.1 汽轮机的设计和结构特点机组采用在多台相近蒸汽参数和相同容量的机组得到验证的设计和结构特征，来保证机组具有高的可靠性和运行高效率。东芝公司的汽轮机可靠性好，寿命长。机组的高压喷嘴采用渗硼处理，中压喷嘴采用涂陶瓷材料处理，增加表面的硬度。东芝机组在考虑轴系稳定性时，充分考虑蒸汽激振力的影响。,4.哈汽东芝型1000MW汽轮机设计和结构特点,4.2.2 高压汽缸（HP汽缸）,4.哈汽东芝型1000MW汽轮机设计和结构特点,高压缸纵剖面,高压缸为单流式，包括1个双向流冲动式调节级和9个冲动式压力级。高压汽缸采用双层缸结构，内缸和外缸之间的夹层只接触高压排汽，可以使缸壁设计较薄，使汽缸结构简化。,汽缸设计采用合理的结构和支撑方式，保证热态时热变形对称和自由膨胀，降低扭曲变形。高压汽缸的外缸由延伸到轴承箱上的汽缸猫爪支撑。压力级采用具有比较高的效率和良好的空气动力效率的全三维设计冲动式叶片。高压转子由双轴承支撑，采用具有良好的耐高温和抗疲劳强度的12Cr 合金钢制成。调节级后的腔体内，电端的设计压力要比调端的压力略高。防止高温蒸汽在转子和喷嘴室之间的腔室内停滞，同时冷却高温进汽部分。,4.哈汽东芝型1000MW汽轮机设计和结构特点,4.2.3 中压汽缸（IP汽缸）,4.哈汽东芝型1000MW汽轮机设计和结构特点,中压缸纵剖面,中压汽缸为双流式、双层缸结构，结构和原理同高压缸相同。每个流向包括全三维设计的7个冲动式压力级。中压缸转子为具有良好的耐高温和抗疲劳强度的12Cr合金钢制成的双分流对称结构。中压转子由高压缸调节级后漏汽进行冷却。,4.2.4 低压缸（LP汽缸）,4.哈汽东芝型1000MW汽轮机设计和结构特点,低压缸纵剖面,两个双流低压缸结构相似。均为叶片正、反向对称布置。每个流向包括6个冲动式压力级，低压末级为48英寸（1219.2mm）钢叶片。采用新型低压缸，安装在轴流汽缸中，可使蒸汽从汽缸出汽端旋转一恰当角度，减少低压缸中的热损和压降。低压末级隔板静叶片的吸力面及压力面均设有疏水缝隙。低压转子由具有良好的抗低温脆性转变性能的Ni-Cr-Mo-V钢实心锻件加工而成。,4.2.5 滑销系统 汽轮机绝对死点，分别在1、2号低压缸及3号轴承箱的中心处，以键固定以防止轴向移动，机组在运行中膨胀和收缩时，1号和2号轴承箱可沿轴向自由滑动。,4.哈汽东芝型1000MW汽轮机设计和结构特点,滑销系统,4.2.6 喷嘴室,4.哈汽东芝型1000MW汽轮机设计和结构特点,喷嘴室,喷嘴室特殊的结构减少了汽缸高压区的挠曲和热应力。喷嘴组与喷嘴室组焊为一体，刚性好，热膨胀性能好。喷嘴室相对汽缸能自由膨胀。负荷改变时，喷嘴室吸收调节级喷嘴区的热冲击，这样只有很少的冲击能够传到汽缸。,4.2.7 汽轮机叶片 东芝公司在汽轮机叶片设计方面具有的丰富经验，通过现代化手段计算叶轮的挠性，弯曲度和拉筋的影响，以及许多其它用来确定叶片设计的复杂因素。降低叶栅损失 降低二次流的损失 先进流型(AFP)技术动叶顶部与相邻叶片接触的整体围带全周连接 高效的迷宫式汽封,4.哈汽东芝型1000MW汽轮机设计和结构特点,4.3 末级叶片 机组末级叶片采用由GE公司与东芝公司共同开发设计的48“钢制叶片。就环形面积来说，48”叶片是世界上最长的3000rpm钢制末级叶片。机组仅需四排汽低压缸。从而能够降低电厂投资，降低电力生产成本。,4.哈汽东芝型1000MW汽轮机设计和结构特点,4.3.2 叶片设计基本概念 在调查市场需求的基础上，GE公司和东芝公司为48英寸末级叶片选择的主要设计点是：端负荷：11kg/s/m2；叶片顶部速度：225 m/s和8的出口湿度。除此主设计点之外，还研究了其它的高负荷和低负荷设计点。设计按主设计点优化并考虑其它次要设计点，以保证在这些设计点不出现性能问题。,4.哈汽东芝型1000MW汽轮机设计和结构特点,4.3.3 末级叶片结构设计 结构设计的突出特点为：采用圆弧枞树型叶根、作为减振件的拉筋凸台及套筒、以及整体围带。圆弧枞树型叶根的紧凑性减小了转子应力。整体围带和凸台套筒提高了整圈叶片的频率（与自由叶片相比）；从而提高了叶片刚性。另外，此种结构通过相邻叶片相接触部位的材料机械阻尼作用进一步起到了减振效果。,4.哈汽东芝型1000MW汽轮机设计和结构特点,4.3.4 末级叶片气动设计 末三级作为一个级组在气动设计时综合应用了通流部分，流线曲率设计，2元叶栅分析和现代的3元计算流体力学分析技术。这种设计体系体现了先进的空气动力学特征，包括子午面流谱，轴向和切向复合倾斜的末级静叶，与其相匹配的次末级出口型线，末级动叶的径比（L/D）可以达到0.43。环形面积增加到11.87m2。,4.哈汽东芝型1000MW汽轮机设计和结构特点,4.3.5 试验验证 在1/3比例的试验透平低压缸中进行了装有新的钢制末级叶片的总体级效率试验验证。模型汽轮机的蒸汽参数非常接近实际全尺寸汽轮机中的蒸汽参数。结果表明：末级效率几乎与设计点的预期效率相等。末级出口总压分布也与级的分析结果相似。在设计工况和部分负荷工况下都有很高的效率。强度试验证实了强度设计计算,4.哈汽东芝型1000MW汽轮机设计和结构特点,4.3.6 结论 48末级叶片的应用，将明显提高汽轮机的性能和可靠性。设计时利用了最新的分析工具和设计方法，可最大程度的提高汽轮机效率，并使其可靠性保持现有的高标准。现代试验技术来验证，保证末级叶片良好的气动性能和较高的安全性。汽轮机各主要工况点的余速损失均很小。,4.哈汽东芝型1000MW汽轮机设计和结构特点,4.4 阀门主汽阀(MSV)与调节阀(CV)主汽阀与调节阀为一体式结构，由合金钢铸件同时制成。再热主汽调节联合阀(CRV)机组配有两套再热主汽调节联合阀，每根再热蒸汽管上装有一套。中压主汽阀、调节阀共壳体，由合金钢铸件制成。主汽阀碟与调节阀碟共享一个阀座，主汽阀与调节阀可以各自独立地，互不干扰地全行程移动。,4.哈汽东芝型1000MW汽轮机设计和结构特点,4.5 轴承 所有轴承都通过压力油润滑。为了确保每个支持轴承在任何时候都可以精确的对中，轴承设计有自位特性。根据轴承的载荷，选择采用可倾瓦轴承或椭圆轴承。每个可倾瓦轴承带有6个独立垫块，所有垫块通过支点定位到轴承环上，可以根据转子的情况自动对中。椭圆轴承在轴承体和轴承环之间采用球面接触，轴承的球形座由手工刮削而成，并安装在每个轴承上以获得适当的运动自由度。,4.哈汽东芝型1000MW汽轮机设计和结构特点,4.6 盘车装置 盘车装置安装在后轴承箱内，由电动机带动齿轮驱动，盘车装置的齿轮与转子联轴器上的齿轮互相啮合。4.7 辅助系统 数字、电液控制系统，润滑油系统，汽封系统，疏水系统及后汽缸喷水系统采用已在多台机组上运行过的成熟的系统，保证机组安全可靠的运行。,4.哈汽东芝型1000MW汽轮机设计和结构特点,4.8 材料选择说明 详见文本内容。,4.哈汽东芝型1000MW汽轮机设计和结构特点,4.9 防固粒腐蚀的措施 中压第1级静叶的腐蚀是由于动叶片反弹回来的固体颗粒冲击产生的，主要在静叶片的出汽边背弧损害较大，因此中压第1级的静叶片采用涂陶瓷材料的方法防止腐蚀，运行经验表明效果较好。高压喷嘴的腐蚀在出汽边的内弧损害较大，因此高压喷嘴采用渗硼的方法防止腐蚀，运行经验表明效果较好。,4.哈汽东芝型1000MW汽轮机设计和结构特点,4.10 防激振力措施 激振力的防止措施如下：每根转子在工厂内部进行低速和高速动平衡，将不平衡量降到最小；转子的设计使临界转速和额定速度不产生相互的影响；转子设计精确对中，保证在运转时不会产生额外的力和力矩；合理设计动静之间的间隙，保证在启停机时转子和汽封不会产生摩擦；安装防汽流涡动的汽封，防止转子的不稳定振动。,4.哈汽东芝型1000MW汽轮机设计和结构特点,4.11 转子冷却系统设计高压转子冷却 高压调节级采用正反向各1列调节级，在设计中电端调节级出口压力略高于压力调端调节级出口压力，这样调节级出口的部分蒸汽，可以从电端向调端流动，防止高温蒸汽在转子和喷嘴室之间的腔室内停滞，冷却高温喷嘴室和转子。,4.哈汽东芝型1000MW汽轮机设计和结构特点,4.12 末级叶片防水蚀措施 低压末级隔板内环、外环、静叶片均采用空心设计。静叶片的吸力面及压力面均设有疏水缝隙，末级产生的水滴由疏水缝隙收集，通过空心静叶片、空心内环、空心外环及在中分面出设计的连接管，最后由下半的疏水管流入冷凝器。,4.哈汽东芝型1000MW汽轮机设计和结构特点,4.13 设计比较 详见文本内容。,4.哈汽东芝型1000MW汽轮机设计和结构特点,5.三种1000MW超超临界汽轮机主要技术特点比较,5.1 汽轮机主要结构的特点5.1.1 本体结构 以上三章对三家汽轮机本体结构均有详细描述。汽轮机两次大修之间的间隔：上汽12年，哈汽、东汽均为8年。,5.三种1000MW超超临界汽轮机主要技术特点比较,5.1.2 转子支承方式 东汽、哈汽采用转子双轴承支承方式，共8个径向轴承，前4个为可倾瓦，后4个为椭圆瓦；上汽采用转子单轴承支承方式（除发电机转子轴承），共5个径向轴承，全部为椭圆瓦，机组长度要短8.9 m11m，对轴系的稳定性较为有利。,5.三种1000MW超超临界汽轮机主要技术特点比较,5.1.3 进汽方式 哈汽采用喷嘴调节方式，东汽采用“复合配汽（喷嘴调节节流调节）”调节方式，使用双流调节级。上汽采用“全周进汽+补汽阀”调节方式，无调节级，高压第一级为斜置静叶，第一级动叶的设计与一般压力级无异，不存在调节级特殊的强度和振动问题，THA工况以上采用加开补汽阀运行方式。阀门（不含补汽阀）全开对提高汽轮机效率有利，但在夏季工况和一次调频补汽阀开启后效率要降低，而且轴向推力方向改变。哈汽、东汽采用的进汽方式是常规的设计，上汽的全周进汽方式在欧洲应用较普遍，但加补汽阀的进汽方式尚无在大型机组的投运业绩。,5.三种1000MW超超临界汽轮机主要技术特点比较,5.1.4 末级叶片 上汽（西门子）末级叶片采用1146mm自由叶片，叶根型式为枞树型。该叶片从1997年开始使用，已有数万小时的运行业绩。末级的抗水蚀方式为：采用带抽汽槽的空心静叶；加大动静叶距离；动叶进汽边激光表面硬化。,5.三种1000MW超超临界汽轮机主要技术特点比较,东汽（日立）采用1092.2mm带整体围带和凸台阻尼拉筋的叶片；叶根型式为8叉叶根，已于2002年在占东厚真4机组上投运使用。其抗水蚀方式为：采用实心导叶和去湿槽；叶片顶部进汽边采用高频淬硬。,5.三种1000MW超超临界汽轮机主要技术特点比较,哈汽（东芝）采用1219.2mm末级叶片，叶身中部带阻尼凸台/套筒+自带围带整圈连接；叶根为圆弧枞树形。其抗水蚀方式为：末级内环、外环、静叶片均采用空心设计，静叶片的吸力面及压力面均设有疏水缝隙；动叶片采用15Cr高硬度材料（HV 380415），与司太立合金的硬度（HV 390）相当。,5.三种1000MW超超临界汽轮机主要技术特点比较,5.1.5 防固体颗粒冲蚀上汽未采取专门的防固体颗粒侵蚀（SPE）措施。东汽在高压调节级采用斜面喷嘴型线技术和Cr-C保护涂层技术；中压第一级加大动静叶间距，中压第一级静叶表面采用Cr-C保护涂层。哈汽在高压喷嘴表面渗硼；中压第一级静叶表面涂陶瓷材料处理。,5.三种1000MW超超临界汽轮机主要技术特点比较,5.1.6 高温区采取的冷却措施上汽：高压冷却措施：第一级静叶内壁有屏蔽结构。中压冷却措施：中压进汽室上切向钻有四个孔，将蒸汽引入进汽室与转子之间并形成涡流冷却转子表面。,5.三种1000MW超超临界汽轮机主要技术特点比较,东汽：高压冷却措施：高压缸进汽管引入第一级抽汽进入