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汽轮机汽缸介乡
1、概述汽缸是汽轮机的静止部分,它的作用是将蒸汽与大气隔绝,形成蒸汽完成能量转换的封闭空间此外,它还要支撑汽轮机的其他静止部件,如隔板、隔板套、喷嘴汽室等按蒸汽在汽轮机内流动的特点,汽缸的高中压部分承受蒸汽的内压力,低压部分有一部分缸体承受外部的大气压,由于汽缸的重量大,结构复杂,在运行过程中,由于蒸汽的温度和比容变化较大,汽缸各部分承受的应力沿汽缸的分布有较大的差别,因此,汽缸在设计和制造过程中,仍需考虑较多的问题,其中主要有汽缸及其结合面的严密性,汽轮机启动过程中的汽缸热膨胀、热变形和热应力以及汽缸的刚度、强度和蒸汽流动特性等为了便于加工、装配和检修,汽缸一般做成水平中分形式,其主要特点是通常把汽缸分为上下两个部分,转子从其径向中心穿过,为了使汽缸承受较大的蒸汽压力而不泄漏,汽缸上下两个部分用紧固件连接,最常用的是用螺栓、螺帽它们沿上下缸中分面外径的法兰将上下缸紧密联在一起为了保证法兰结合面的严密性,汽缸中分面在制造过程中必须光洁、平整法兰螺栓的连接一般采用热紧方式,也就是在安装螺栓时给螺栓一定的预紧力,在经过一段时间的应力松施后仍能保证法兰的严密性另外,汽缸的进汽部分尽可能分散布置,以免造成局部热应力过大,引起汽缸变形随着机组容量的增大,蒸汽参数的提高,设计密封性能好而且可靠的法兰非常困难,为了解决这个问题,大型的汽轮机往往做成双层缸体结构,内外缸之间充满着一定压力和温度的蒸汽,从而使内外缸承受的压差和温差较小,另外,双层缸结构缸体和法兰都可以做的较薄,减小热应力,有利于改善机组的启动和负荷适应能力一般情况下,双层缸的定位方法为外缸用猫爪支撑在轴承座上,内缸与外缸采用螺栓连接,并用定位销和导向销进行定位和导向汽缸在运行中要承受内压力和内外壁温差引起的热应力,为了保证动静部分在正常运行时的正确位置,缸体材料必须具有足够的强度性能、良好的组织稳定性和抗疲劳性,并具有一定的抗氧化能力对于汽缸的中分面法兰紧固件,因为其在应力松施的条件下工作且承受拉伸应力,因而这些部件材料要具有较高的抗松施性能、足够的强度、较低的缺口敏感性、以及较小的蠕变脆化倾向和抗氧化上,这样在拆装隔板时,隔板能够和缸体一起起吊这种连接方式能很好的解决水平结合面的漏汽问题,增强上下隔板的结合刚度本汽轮机采用了径向同心刚性隔板,中分面支撑方式,当温度升高时,从转子中心向外膨胀,保持相对较小的径向间隙,具有较高的经济性B、高中压缸静叶片汽轮机的静叶片是做功的主要部件,为保证叶片有较高的效率,一般情况下高中压缸静叶片都是叶根和围带由型钢整体加工而成,本汽轮机高中压静叶片的型线采用高效的厚加载层流叶型AVN这种扭曲变截面静叶片的毛坯一般采用环形锻件或精铸件,铸件成形后,其型面在数控铳床铳制而成,具有较好的空气动力特性,较高的效率汽轮机高压缸一般设立单独的喷嘴汽室,采用这样的结构主要考虑的因素是将汽缸与最高参数的蒸汽相接触的部分限制在最小的范围内,可以使汽轮机转子以及除进汽室第一级喷组以外的缸体等静止件仅与作功后的蒸汽相接触,降低汽缸的整体机械应力,有利于汽轮机的安全,使得汽缸结构简单,缸体较薄,提高机组的适应性另外由于整体喷嘴汽室的结构降低了轴端漏汽,可以简化轴端汽封的结构,提高了机组的整体效率汽轮机采用多个调节阀控制汽轮机的进汽,与之相应的第一级喷嘴也分成若干个喷嘴组,每组喷嘴占据第一级进汽圆周的一个弧段汽轮机喷嘴汽室的喷嘴共分四个弧段,由四个调节阀控制,第
一、二喷组弧段共有23个喷嘴,第
三、四喷嘴组共有55喷嘴喷嘴汽室采用改良型ZG15CrlMolV材料,能满足在非全周进汽产生的应力对金属材质的要求
3、低压缸1低压缸工作特性A、低压缸处于蒸汽从正压到负压的过渡工作区域,排汽压力很低,蒸汽比容增加很大,故低压缸多采用双缸反向对称布置的双分流结构,采用这种结构的主要优点是能很好的平衡轴向推力另外由于蒸汽比容变化较大,为避免叶片过长,低压缸多分成多个独立的缸体低压缸内每一级压降不大,但其做功能力超过高中压缸的任何一个压力级所以,低压缸的结构应能保证机组安全的前提下,多做功,低压缸排汽的压力非常低,因此低压缸的缸体特别庞大,并与凝汽器直接连接低压缸的纵向温差变化大,是汽轮机温差变化最大的部分,为减小热应力,改善机组的膨胀条件,大机组都采用三层缸结构,第一层为安装通流部分组件的内缸,大都采用部件组合结构,隔板装于隔板套上;第二层为隔热层,由于低压缸进汽部分温度较高,外部排汽温度较低,因此都采用设置隔热板的方法,使得汽缸温差分散,温度梯度更加合理;第三层为外缸,用以引导排汽和支撑内缸各组件B、低压缸进汽管布置方式低压缸的进汽由导汽管自汽缸顶部垂直引入,穿过外缸进入内缸的环形空间,均布进入两个分流缸的通流部分做功低压缸的排汽经排汽管进入凝汽器,排汽管和凝汽器之间采用挠性膨胀节,用于补偿设备和管件的膨胀一般情况下,低压缸都设计成径向扩压型排汽缸,低压缸这种设计的主要目的是可使汽缸出口静压高于进口静压,使蒸汽的动能转化成压力能,减小末级叶片出口至冷凝器入口的压降,从而减少排汽损失,提高低压缸的效率C、低压缸的喷水装置机组正常运行时,排汽压力、温度很低,但在汽轮机启动、空载或低负荷时由于蒸汽通流量减小,不足以带走低压缸由于鼓风摩擦产生的热量,从而使排汽温度升高当排汽温度过高时,会引起低压缸的变形,使汽缸与转子中心线相对位置改变,诱发机组产生振动为防止低压缸的热变形,大型汽轮机组低压缸都设置了低压缸喷水装置另外,还限定低压缸排汽温度的极限值,当超过此数值时,作用于汽轮机ETS系统使汽轮机跳闸;当低压缸排汽压力过高时,为保护低压缸,在低压缸上部设置大气泄放阀,动作的压力略高于大气压D、低压缸的去湿装置纯凝汽式汽轮机的低压通流部分的的末几级叶片多工作在湿蒸汽区,由于蒸汽中含有水份,对叶片的工作带来了不良的影响,主要是湿汽引起的附加能量的转换损失使叶片工作效率降低,蒸汽中的水份对动叶片造成水蚀,使叶片的寿命降低为了预防和减轻湿汽级叶片的水蚀危害,一般采用下列几种方法限制末级叶片的排汽湿度,提高叶片的本身抗水蚀能力,在通流部分设计去湿装置,适当放宽动、静部分的间隙,选用适当的动叶叶型等1性a一耳®辛缴RA口m瑞老口壬孑添图2-6汽轮机低压缸的纵剖面图
4、滑销系统及汽缸膨胀概述汽轮发电机组从启动过程到正常运行状态,汽缸要膨胀,转子也要膨胀,对于双层缸结构的汽轮机,内外缸之间也会产生相对膨胀,由于汽缸和转子在使用材料不同,几何尺寸不一样,汽缸和转子,内外缸之间膨胀量不完全相同,必然产生膨胀差,为了保证汽轮机在启动、停机过程中,汽缸、转子能按照设计要求定位和对中,保证其膨胀不受阻碍,汽轮机配置了一套完善的滑销系统其主要有横销、纵销,立销、角销等部件组成,通过在不同部位的安装,控制汽轮机的膨胀方向一般情况下大型汽轮机由于轴系长,缸体绝对膨胀值大,均采用多死点滑销系统,保证汽轮机的沿不同方向上的自由膨胀横销的作用是保证汽轮机汽缸沿横向自由膨胀,限制其轴向位移,使汽缸运行在允许间隙的范围内,纵销是保证汽缸沿轴向自由膨胀,限制横向膨胀,纵销中心线和横销中心线的交叉点形成汽缸的死点,当汽缸膨胀时,该点始终保持不变,立销的作用是限制汽缸的纵向和横向移动,允许汽缸上下膨胀本汽轮机组膨胀位移共设三个死点,分别位于2号轴承箱下及低压缸A、低压缸B的中心线附近,死点处的横键限制汽缸的轴向位移,同时,在前轴承箱及两个低压缸的纵向中心线的纵销引导汽缸沿轴向自由膨胀而限制横向跑偏在三台汽缸与四只轴承座之间设有六个立销来保持其中心线一致,在1号轴承箱及2号轴承箱上设有两只纵销,使膨胀过程中所有轴承座的中心保持不变,即通过立销和纵销使转子中心线与汽缸的中心线保持一致,不受热膨胀的影响在高中压缸与1号轴承箱和2号轴承箱之间,设有四支猫爪横销,在1号轴承箱与座架之间设有带润滑槽的滑块,使前箱相对于座架可以相对滑动,这样就比较好地解决了机组在运行中的膨胀问题,能够解决机组由于膨胀不畅而引起的振动问题在2号轴承箱与座架之间设有二只横销,构成高中压外缸的膨胀死点,在膨胀过程中,2号轴承箱不动,高中压缸的膨胀推动前箱向前滑动为防止在膨胀过程中
1、2号轴承座翘头,在轴承座台板上设有角销在低压A、B外缸与座架之间分别设有二只横销,构成低压A、B外缸的膨胀死点使其受热时分别由汽缸中部向前、后两侧膨胀性通常螺母的强度比螺栓低一级,这样两者硬度不同减小螺栓的磨损,并能防止长期工作后不咬死为了保证汽缸受热时自由膨胀又不影响机组中心线的一致,在汽缸和机座之间设置了一系列的导向滑键,这些滑键构成了汽轮机的滑销系统,对汽缸进行支撑、导向和定位,保证汽轮机良好对中,各汽缸、转子、轴承的膨胀不受阻碍高中压缸一般都采用支撑面和中分面重叠的上猫爪支撑结构汽缸本身的热膨胀和转子的热膨胀也是汽轮机设计过程中要考虑的问题,要合理的选定汽缸的死点、转子与汽缸相对死点的位置,留有足够的相对膨胀间隙,保证动静部分的间隙在合理的范围内,提高汽轮机的整体工作效率汽轮机在运行中,在汽缸内不允许有任何积水,因此,汽缸在设计时有足够的去湿装置,疏水留有足够的通流面积,尽可能的避免无法疏水的洼窝结构
2、高中压缸图2-1为典型高中压合缸汽轮机高中压部分结构示意图采用单流程、双层缸、水平中分结构,外缸为下缸猫爪支撑形式,上下缸之间采用螺栓连接在高压缸第6级后、高压缸排汽、中压缸第11级后和中压缸排汽布置四级抽汽口,分别供1号、2号、3号高加及除氧器用汽高中压内缸之间设置有分缸隔板,在高中压外缸两端及高中压内缸之间设置有轴端密封装置,在高中压外缸和轴承座之间设置有挡油环图2—
2、图2-3为我公司高中压内缸外形图图2-4为我公司汽轮机高中压外下缸689瀚Q申辿聪■zO路象液薜聘孤墨Q-B-口虻短«胱浆4-口Y丈娜4M图2-1汽轮机高中压合缸结构示意图
1、轴振监测仪
2、汽轮机机架
3、1号支撑轴承
4、挡油环
5、轴封
6、喷嘴隔板
7、高压内缸
8、叶片
9、高压外缸
10、第一级喷嘴汽室
11、轴封
12、中压内缸
13、联通管
14、轴封
15、挡油环
16、支撑轴承
17、轴承测振仪
18、推力轴承
19、推力轴承磨损监测器
20、转子
21、轴向位移监测仪图2—2汽轮机高中压内下缸图2-3汽轮机高中压内上缸图2—4汽轮机高中压外下缸1)本汽轮机高中压缸的主要特点A、采用高中压合缸技术这种布置方法是将高压内缸和中压内缸布置在同一个外缸之内,减少了轴承和轴封数量,缩短汽轮机的跨度,而且蒸汽流向相反,可以更好的平衡轴向推力高温部分集中在汽缸的中段,轴承和调节部套受高温影响较小,两端外轴封漏汽较少高中压合缸结构的汽轮机主要缺点是高中压分缸隔板承受较大的压差,在汽轮机变工况时产生较大热应力,机组的动静部分胀差不容易控制,由于高中压进汽管道集中布置在中部,显的拥挤,给检修带来诸多不便另外为了防止汽轮机在甩负荷时,中间汽封室积压串汽,引起汽轮机超速,本汽轮机在中间汽封室设置事故排放阀,在甩负荷时,将中间汽封室的存汽引至凝汽器B、高中压缸为双层缸结构双层缸结构可以使热应力分散于两缸,内缸的温度梯度和压力梯度变小,在承受相同的热应力的情况下,缸体壁厚可以减薄,有利于变工况运行双层缸结构的汽轮机汽缸法兰薄,在变工况情况下,这些部件的温度变化较快,没必要设置专门的法兰螺栓加热装置C、汽缸缸体采用抗高温材料由于高压及中压部分进汽压力、温度的升高,必须在材料、结构及冷却上采取相应措施本汽轮机汽缸高压部分采用具有优良的高温性能CrMoV钢;在结构上保证内缸的最大工作压力为喷嘴后的压力与高排压力差,外缸最大工作压力为高排压力与大气压之差,有效的降低了汽缸的工作压力,同时进汽口及遮热环的布置使得汽缸有一个合理的温度梯度,便于控制汽缸热应力,保证汽缸的寿命损耗在要求的范围内中压部分除中间汽封漏汽冷却高中压转子中间汽封段以外,还从高压第3级后引蒸汽冷却中压第1级叶轮轮面及轮缘,大大提高了中压缸第1级的可靠性D、高压缸的第一级喷嘴为单独的喷嘴室高压内缸喷嘴室由四组喷嘴组成,沿圆周方向布置,四根高压进汽导管为上下垂直布置,进汽管直接插入高压内缸的喷嘴室锅炉主蒸汽经汽轮机主汽阀后分为四路分别进入到四个高压调节阀,经过导管进入汽轮机膨胀做功一般情况下,机组为全周进汽,只有在喷嘴调节方式下运行时为部分进汽在部分进汽的情况下,第一级动叶受到很大的作用力,而且是局部的,最危险的截面往往发生在该级,从图2—1可以看出,由于高中压缸第一级喷组承受比较大的恰降,承受较大的压差,因而其叶轮厚度比其它压力级要大的多E、中压缸喷嘴室锅炉再热蒸汽经汽轮机两个中压联合汽阀经过四根导管进入汽轮机中压内缸,进入汽轮机喷嘴膨胀做功F、高中压缸的支撑采用双层缸结构的汽轮机由于内外缸的膨胀量不同,为保证在受热膨胀过程中转子和汽缸的对中,使得汽缸的支撑变得十分复杂,一般情况下,汽缸的支撑方式有两种一是猫爪轴承座支撑方式,二是汽缸通过外伸撑脚直接安放在基础台板上大功率汽轮机毫无例外的采用猫爪轴承座支撑方式本汽轮机的支撑方式为高压外上缸通过猫爪支撑在1号轴承座和2号轴承座运行垫片上,外下缸通过汽缸法兰螺栓固定在高压外上缸外下缸上设有安装猫爪,安装猫爪通过横销连接在轴承座上,下缸通过间隙调整螺栓紧固在轴承座±o上内缸通过汽缸螺栓紧固在高压下内缸上,高压下内缸通过猫爪支承在高中外下缸上,高压上进汽管通过4只螺栓紧固在高压下进汽室上,高压下进汽室通过支承脚支承在高压内下缸上,中压内上缸通过汽缸法兰螺栓紧固在中压内下缸上,中压内下缸通过猫爪支承在高中压外缸上这种面支撑方式,可以减轻接触面的摩擦,受热膨胀和冷却时,可以自由移动2)高中压缸的通流部分汽轮机的通流部分主要是由各个级的通流部件和进、排汽部分组成,它包括调节阀、喷嘴汽室的喷嘴、隔板静叶及动叶栅等部件组成,是汽轮机完成能量转换的核心部件在进行汽轮机通流部分设计时,主要考虑问题有最有利的循环参数、合理的配汽机构、力求各缸乃至整机的效率最高,满足强度和刚度的要求,结构合理、安全可靠另外,随着机组容量的增大,蒸汽初参数的提高,汽轮机通流部分固体颗粒侵蚀(SPE)已成为不容忽视的问题,各个制造商在进行通流部分设计时都力求使SPE降到最低的程度本汽轮机的高压部分共有8级,中压缸有6级,高压缸第六级后抽出蒸汽作为1号高加的加热汽源,从高压缸排汽抽出一部分蒸汽作为2号高加的汽源中压缸共有两级抽汽,分别供3号高加和除氧器为了减小汽轮机的漏汽损失,在高中压缸通流部分内外缸的端部、转子和隔板、叶片护环和内缸之间,都设置了汽封装置A、高中压缸的隔板汽轮机的级是由喷嘴静叶和与之相配合的动叶组成,是汽轮机作功的基本单元,当具有一定温度和压力的蒸汽通过汽轮机的级时,首先将通过喷嘴静叶的蒸汽的热能转换为动能,然后,在动叶中将动能转换成机械能,从而完成汽轮机作功的任务隔板是将汽轮机的通流部分分割成若干级,用以固定汽缸内各级静叶片和阻止级间的漏气蒸汽在级内进行能量转换时压力逐渐降低,若仅隔板两侧存在压力差而动叶前后的蒸汽压力相等,这种级叫纯冲动级,若蒸汽内的压降主要集中在隔板的静叶内,在动叶内只有较小的压降则这种级叫冲动级,若蒸汽在在动叶栅和静叶栅内的压降近似相等,则叫反动级本汽轮机是纯冲动式汽轮机,在隔板中承受较大培降,转子对轴承产生较小的轴向推力,提高了机组整体的安全性隔板的主要部件由外环、外围带、静叶栅、内围带、隔板体等部件组成,如图2-5所示隔板体和静叶栅外围带采用焊接结构隔板一般做成沿水平中分的两块,便于安装拆卸,为了使隔板工作时具有良好的经济性和可靠性,隔板的结构应能满足以下要求足够的强度和刚度,良好的汽密性,合理的支撑和定位与转子同心,隔板上的喷嘴具有良好的空气动力性能、足够的表面光洁度和正确的出汽角隔板按其结构一般可分为装配型和焊接型两种,由于纯装配型结构的隔板金属消耗量大,成本较高,静叶顶部和根部有贴合间隙会产生蒸汽泄漏,现在用的越来越少了焊接隔板是将说制好的静叶焊接在冲好型空的内外围带之间,构成喷嘴弧段,然后再与弧形外缘和隔板体相互焊接而成,这种隔板有较好的强度和刚度,减少了金属耗量,具有良好的汽密性本汽轮机隔板采用焊接隔板,隔板内外围带在数控机床上精加工,保证静叶片在隔板中的准确定位,隔板中分面采用径向折线式结构或凹凸镶嵌式结构,在数控销铳床进行精加工,保证隔板中分面的静叶片是完整的喷嘴组静叶片广泛采用扭曲叶片,叶片出汽边的修整严格按日立公司标准和操作方法执行,出汽边厚度严格控制,有效地减少了尾迹损失图2—5隔板结构不意图隔板在汽缸或隔板套的固定必须满足隔板受热时的自由膨胀和对中的要求,隔板与隔板槽之间留有一定的间隙,大型机组的隔板安装一般采用中分面支撑方式,这种支撑方式是借助于Z型悬吊销,将隔板支撑在汽缸下部中分面上隔板与汽缸的对中依靠悬吊销支持面下面的调整垫块和定位销进行调整隔板上半块采用依托方式由下半块支撑在结合面处设置平键,用沉头螺钉固定在隔板上,装配时与下隔板相应的凹槽相配合,实现隔板上下部分的对中为了便于检修和拆装,上隔板一般采用止动压板固定在上汽缸上,压板用沉头螺钉固定在上汽缸。