常规岛-汽机原理与结构.ppt

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1、核电站汽轮机原理与结构,1 概述,汽轮机一种将蒸汽的热能转变为机械功的旋转式原动机 优点单机功率大，热经济性高，运行平稳可靠，使用寿命长，单位功率造价低，能使用各种廉价燃料等。 缺点体积庞大、变负荷能力差，必须配套有锅炉、凝汽器、水泵、给水处理等大型设备以及给水回热等复杂的热力系统。因而机动性差，不便用于移动式装备中。 用途： 现代火力发电厂和核电厂的主要原动机 可作为大型船舶及军舰的推进动力 冶金、化工等部门用以驱动各种大型工作机 供热式汽轮机还可满足生产和生活用汽、用热的需要，实现高效益的热电联合生产。,汽轮机发电机组的设备组成,2 汽轮机基本工作原理及级的概念,汽轮机是利用蒸汽的热能来作

2、功的旋转机械，因此它的工作原理是基于热能转换为机械能的理论。,级喷嘴和与其配合的动叶栅所构成的汽轮机基本作功单元。 单级汽轮机与多级汽轮机,2.1 级的作功原理 冲动作用原理当一运动物体碰到另一静止的或运动速度比它低的物体时，就会受到阻碍而改变其速度的大小及方向，同时给阻碍它运动的物体一作用力，这个力称为冲动力，其大小取决于运动物体的质量和它的速度变化。 在汽轮机中，从喷嘴流出的高速蒸汽通过动叶汽道时，其流动方向改变，因而对叶片产生一冲击力，推动叶轮运动，作出机械功。这就是冲动作用原理。 反动作用原理反动力是由原来静止或运动速度较小的物体，在离开或通过另一物体时，聚然获得一个较大的速度而产生的

3、。 在汽轮机中，当蒸汽在动叶片构成的汽道内膨胀加速时，汽流必然对动叶作用一个由于加速而产生的反动力，推动叶轮运动，作出机械功。这就是反动作用原理。 冲动作用原理的特点是汽流在动叶汽道中不膨胀加速而只改变方向；反动作用原理的特点是汽流在动叶汽道内不仅改变方向，而且还进行膨胀加速。,2.2 级的反动度m,定义：蒸汽在动叶汽道内膨胀时的理想焓降hb与整个级的滞止理想焓降ht*之比,m表示了蒸汽在动叶汽道内的膨胀程度。实际上，m沿直径是增加的。下标m为平均直径。 当级的理想滞止焓降及反动度确定后，便可根据上式来确定喷嘴和动叶的理想焓降，即,2.3级的分类和特点,2.3.1 按反动度分 分为纯冲动级，反

4、动级，带反动度的冲动级三种,纯冲动级：按照m=0的条件设计的级叫作纯冲动级。在纯冲动级中，热能到动能的转换在喷嘴中进行，而在动叶中只有动能到(机械能)轮周功的转换。,纯冲动级的特点是：,* 动叶通流截面沿流道不变,* m=0,*,*,反动级,按照m=0.5的条件设计的级叫作反动级。在反动级中，蒸汽的热能转变为动能的过程，不仅发生在喷嘴叶栅中，也发生在动叶栅中，而且这种转变在喷嘴和动叶中大约各完成一半。,反动级的特点是：,* 喷嘴通道及动叶通道都为渐缩型动、静叶片型状相同，反向安装,* m=0.5,*,*,带反动度的冲动级,纯冲动级的作功能力大，而反动级的效率高。因此实际中的冲动级将反动度选在0

5、0.5之间，一般取m=0.050.20。习惯上讲这种级称为冲动级。,这种级的特点是：蒸汽的膨胀大部分发生在喷嘴叶栅中，只有小部分在动叶栅中发生，故其动叶通道也稍有收缩。 这种级具有纯冲动级及反动级的共同优点 现代大型汽轮机中，为了获得尽可能高的效率，更普遍地采用了反动级。,三种级的比较,2.3.2 按结构分,单列级与双列复速级 双列复速级简称复速级，由美国工程师寇蒂斯(Curtis)于1900年前后创造。实际上是冲动级的一种延伸。 作功能力比单列冲动级的大； 常用于单级汽轮机或中小型汽轮机的第一级； 以利用蒸汽的速度为主，也称其为速度级； 为提高级效率，通常选取(510%)的反动度。 2.3.

6、3 其他分类 按级的工作特性将其分为调节级和压力级 采用喷嘴调节汽轮机的通流面积随负荷变化而变化的第一级称为调节级 中小容量机组的调节级一般采用复速级 末级与中间级 孤立级 调节级及末级的余速动能通常不能被利用,2.4 汽轮机的分类及型号,2.4.1 汽轮机的分类 按工作原理： 冲动式汽轮机；反动式汽轮机 按热力过程： 凝汽式汽轮机；背压式汽轮机 调节抽汽式汽轮机；中间再热式汽轮机等 按用途： 电站汽轮机；工业汽轮机；船用汽轮机等 按新汽压力： 低压汽轮机(1.5MPa) 中压汽轮机(24MPa，我国定型产品为3.43MPa) 高压汽轮机(610MPa，我国定型产品为8.83MPa) 超高压汽

7、轮机(1214MPa，我国定型12.75及13.24MPa) 亚临界压力汽轮机(1618MPa，我国定型16.18及16.67MPa) 超临界压力汽轮机(22.6MPa) 按结构特点： 单缸、双缸或多缸汽轮机；单轴、双轴汽轮机等 还可按功率大小、汽流方向等进行划分,2.4.2 汽轮机型号, - 变型设计序数 蒸汽参数(不同型式有不同含义) 额定功率(MW) 汽轮机型式代号,国产汽轮机型式代号,汽轮机型号示例, N100-8.83(90)/535 凝汽式汽轮机，额定功率100MW，初压8.83MPa，初温535 N300-16.67(170)/538/538 (一次中间再热)凝汽式汽轮机，额定功

8、率300MW,初压16.67MPa,初温538，再热汽温538 CC25-8.83/1.27(13)/0.226(2.3)-3 两次调节抽汽式汽轮机，额定功率25MW,初压8.83MPa,高压调节抽汽压力1.27MPa,低压调节抽汽压力0.226MPa,第3次变形设计 B25-8.83/0.98 背压式汽轮机，额定功率25MW，初压8.83MPa，背压0.98MPa CB25-8.83/1.47/0.49 抽汽背压式汽轮机，额定功率25MW，初压8.83MPa，抽汽压力1.47MPa，背压0.49MPa,2.5 级内损失与级效率,2.3.4.1 级内损失,喷管损失hn，动叶损失hb，余速损失h

9、c2，叶高损失h，扇形损失h，叶轮摩擦损失hf，部分进汽损失he，漏汽损失h和湿汽损失hx。,1. 叶高损失h,工程上为方便计算将其单独分出来。而在计算喷嘴损失时取=0.97，动叶速度系数用图中的曲线查取。 叶高损失实际上是喷嘴和动叶汽道上下端壁附面层内的摩擦和二次流所造成的损失，其大小与叶高有着密切的关系，当叶片高度较大时,二次流对主流的影响较弱，这时叶高损失就较小；反之叶高损失就较大。,当叶高小于1215mm时，叶道根部与顶部的双旋涡将汇合，充满了整个汽道，严重地扰乱了主流，使叶高损失急剧增大。,2. 扇形损失h,平均直径以外的其它截面上的节距、圆周速度和进汽角等偏离最佳值而产生的流动损失

10、 等截面直叶片级的轴向间隙中存在的由内径向外径逐渐增加压力梯度产生径向流动损失,3. 叶轮(包括围带)摩擦损失hf,圆柱面上的速度梯度引起的摩擦损失 子午面内的涡流运动引起的损失,扇形损失的大小与径高比有密切的关系(与 2成反比)。越小，扇形损失就越大。一般当较大(如812)而又采用等截面直叶片时存在扇形损失。采用扭叶片虽加工较困难，但却避免了扇形损失。,4. 部分进汽损失he,鼓风损失,鼓风损失发生在与不装喷嘴的弧段对应的动叶通道内。 当旋转着的动叶通过无喷嘴的“死区”弧段时，动叶片就象鼓风机一样，将“死区”中基本处于静止状态的蒸汽从一侧鼓到另一侧,因此需消耗一部分轮周功。 部分进汽度e越小

11、,非工作区弧段越长，此项损失也就越大。 采用护套装置把“死区”内的动叶罩住可有效减小此项损失。,斥汽损失,斥汽损失发生在装有喷嘴的弧段内。 当动叶由非工作段进入工作弧段时,喷嘴中射出的高速汽流须推出汽道中的停滞蒸汽，从而消耗了工作蒸汽的一部分动能。 由于叶轮高速旋转的作用,在喷嘴组出口端A处产生漏汽引起损失。并且反动度越大，这种漏汽越严重；而在喷嘴组进入端B则产生抽汽，将一部分停滞蒸汽吸入动叶汽道，干扰了主流引起损失。,由于动叶每经过一组喷嘴弧段时就要发生一次斥汽损失。所以在相同部分进汽度下，喷嘴沿圆周分布组数越多，斥汽损失就越大。,5. 漏汽损失h,冲动级,反动级,反动级采用转鼓结构，其漏汽

12、损失比冲动级大。 内径汽封的漏汽量比冲动级的隔板漏汽量大，原因是汽封直径较大而汽封齿数却较少 由于动叶前后的压差较大，所以叶顶漏汽量也相当可观。,隔板漏汽损失 叶顶漏汽损失,减小措施： 设置汽封 轮盘上开设平衡孔 选取合理的反动度，尽量使叶根处不吸不漏,6. 湿汽损失hx,湿蒸汽凝结成水减少了作功蒸汽量；,湿蒸汽中的水珠还会使叶片顶部进汽边背弧受到冲蚀,高速蒸汽挟带低速水珠需消耗部分动能；,水珠进入动叶时将撞击在动叶进口处的背弧上，从而产生了撞击损失；,水珠进入下级时也要撞击在喷嘴进口处的背弧上，从而扰乱了主流，形成损失；,捕水装置不可避免地抽出了一部分蒸汽造成工质损失。,2.6 核电站湿蒸汽

13、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，在一定范围内变化 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 包壳与水的相容温度 不允许超过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

14、力为 5.07.0MPa，温度为 260285。,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： 大多数湿蒸汽汽轮机中没有中压缸； 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; 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. 容积流量大,由于湿蒸汽汽轮机的参数低、理想焓

15、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600800MW汽轮机的高压缸已做成双分流结构 ； (3) 调节级的叶片高度大，故弯曲应力较大，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。,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

16、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18%23%。,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

17、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

18、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。,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： 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。 汽轮机的经济性 有关不同额定转速对汽轮机组

19、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400600MW汽轮机组，采用半转速可使汽轮机的经济性提高0.81.1%。(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 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。,(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

20、特点： 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； 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可靠性； 由于抽汽焓值较低使抽汽份额增大，因而减少了进入凝汽器的蒸汽份额。 以上三点均可提高核给水回热加热系统的效益。,5. 甩负荷容易超速,湿蒸汽汽轮机甩负荷时容易超速，如不采取特殊措施，机组的最大超速值可达1525%，其主要原因有： (1) 与同功率常规机组相比，核汽轮机的低压部分的容积要大得多，加上汽水分离再热器及联通管道等都具有很大的容积，使整个蒸汽通流空间增加很多。当机组突然甩负荷时，尽管主汽阀和调节阀立即关闭，但这些通流

21、空间的大量蒸汽仍然要继续作功，使汽轮机发生超速。 (2) 在正常情况下，汽轮机通流部分及管道表面大多在湿蒸汽区工作，均覆盖着一层水膜。一旦汽轮机甩负荷时，压力下降，水膜就蒸发成蒸汽，并在汽轮机内继续作功，也引发汽轮机超速。 为了减少核电站汽轮机的转速飞升，可以采取以下措施： 在汽水分离再热器后低压缸进口前设置快速关闭阀门。 减小高低压缸之间的管道尺寸，将分离器和再热器做在同一容器中等，即减小中间容积； 完善汽轮机和管道的疏水。,2. 7汽轮机结构简介,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

22、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。,2.7.1 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7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,套装转子,组合转子,焊接转子,鼓式转子,2.7.2. 叶轮,叶轮是用

23、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。,2.7.3. 动叶片与动叶栅,T型叶根,叉型、枞树型叶根,围带,拉金,4. 联轴器,刚性联轴器,半挠性联轴器,大亚湾的高压转子,大亚湾的低压转子,2.8 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

24、、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

25、温部分尽量集中在较小的范围内，以节约贵重钢材消耗量； (6) 工艺性好，便于加工制造、运输、安装和检修。,2.8.1 汽缸,2. 高中、压缸,内外缸夹层冷却,回流式高压缸,大亚湾高压缸立剖,大亚湾高压缸剖面,3. 低压缸结构,大亚湾低压缸立剖,大亚湾低压缸纵剖,排汽缸喷水降温装置,大亚湾排汽缸喷水冷却母管,大亚湾低压缸上的压力释放爆破盘,2.7.2 大亚湾高压缸隔板套及隔板体,2.7.3 汽缸的支承与热膨胀,(1) 汽缸的支承,下猫爪中分面支承,大亚湾高压缸的上猫爪支承,(2) 滑销系统,大亚湾的滑销系统,2.5.2.4 去湿装置与防冲蚀,湿蒸汽级中的水珠运动轨迹,大亚湾高压缸中的去湿装置,防冲蚀措施,2.5.2.5 轴承,滑动轴承的工作原理,轴承内的油楔,椭圆形轴承,三油楔轴承,可倾瓦轴承,大亚湾的径向轴承,推力轴承工作原理,国产引进型300MW汽轮机推力轴承,