东方1000MW 超超临界汽轮机设计特点

东方1000MW 超超临界汽轮机设计特点

王建录 喻 刚 （东方汽轮机厂） 1 总体介绍 1.1 总体结构

东方超超临界1000MW 汽轮机为一次中间再热、单轴、四缸四排汽、凝汽式汽轮机。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2×6 个压力级。两个低压缸压力级 总数为2×2×6 级。末级叶片高度为43″。其总体结构如图1.1.1 所示。 图1.1.1 汽轮机总体结构图 1.2 主要技术规范

⑴ 型号 N1000-25.0/600/600 （2）额定参数 功 率 1000MW

高压主汽阀前蒸汽压力 25.0MPa.a，温度 600℃ 中压主汽阀前蒸汽压力 4.25MPa.a，温度 600℃ 正常排汽压力(平均值) 0.0051 MPa(a) 最终给水温度 298.5℃ 主蒸汽流量 2733t/h 额定转速 3000r/min 机组总长 37.9m(不含电机) 旋转方向 逆时针

冷却水温（设计水温） 21.5℃ 维持额定功率时的最高 计算冷却水温 36℃ 配汽方式 全电调(阀门管理)

（3）通流级数:热力级为20 级，结构级为45 级，其中 高压缸 I(双流调节级)+8 压力级 中压缸 2X6 级(单缸双流程) 低压缸(A、B) 2X2X6 级(双流程) 2 主机设计特点 2.1 经济性好

2.1.1 先进的非定场全三维通流设计技术

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，即：压力两端高，中 间低（C 型），二次流由两侧向中间流动汇入主流，减小了端部二次流损失（见图2.1.1）。 2.1.2 动叶叶顶整圈自带冠

采用减振效果优良的单层自带冠结构，静态时连接件间留有最佳安装间隙，在一定转速下开始 接触，在额定转速时连接件接触面产生一定的最佳正应力，在此正应力作用下，阻尼件将大大地消 耗叶片振动能量，衰减振动，降低叶片的动应力（见图2.1.2）。 图2.1.1 图2.1.2

2.1.3 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(见图2.1.3)。 2.1.4 高负荷（CUC、HV）静、动叶技术

叶面的后加载气动布局特性使端损减小(见图2.1.4)。

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的气动布局特点，减小攻角损失最低压力点向后移，减小了扩压区，型 损下降。

2.1.5 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 %(见图2.1.5)。 2.1.6 薄出汽边技术

静叶薄出汽边与厚出汽边相比： ?尾迹损失小?

?级效率提高0.6～0.9% （见图2.1.6)。 图2.1.5 图2.1.6

2.1.7 汽封技术CFD 流场优化研究

对传统汽封和新型结构的汽封进行大量CFD 分析和结构优化，得到适用于各系列机组和各级次 的密封特性优良的汽封几何结构，提高汽封的密封特性，减小汽轮机的泄漏损失(见图2.1.7)。 图2.1.7

1）动叶叶顶多齿汽封技术

高压轴汽封和部分隔板汽封采用新型“Guardin seal”汽封，进一步减小轴封间隙，提高内效率(见 图2.1.7.1)。

2）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。 图2.1.3 图2.1.4 (见图2.1.7.2)。

3）椭圆形弹簧支承敏感式汽封

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。 (见图2.1.7.2)。 图2.1.7.1 图2.1.7.2 4）先进的铁素体汽封

进口铁素体不锈钢汽封齿不会淬硬，即使动静摩擦，仍保持较低硬度，不损伤转子，汽封间

隙小，结合尖齿结构，可提高封汽效果。用户可放心按动静间隙下限安装，不必人为放大汽封间隙， 提高机组经济性(见图2.1.7.4)。 图2.1.7.3 图2.1.7.4 2.1.8 阀门汽动性能优化研究

通过气动特性试验，研究和优化阀门进汽方式、主汽阀及调节阀的阀碟和阀座型线、阀壳内 部型线及结构。获取流量特性曲线和提升力特性曲线，提高阀门的稳定特性并优化气动特性(见图 2.1.8)。 图2.1.8

2.1.9 高、中压排汽缸优化

利用整缸流场计算的流体力学软件对高压排汽蜗壳进行整个涡壳的数值计算和流场分析，进 行高压排汽涡壳的模型吹风试验及内部结构优化的试验研究。

大量的数值计算及吹风试验研究相结合，优化后高、中压排汽涡壳全压损失系数大幅下降(见图

2.1.9)。

图2.1.9.1 速度流线 图2.1.9.2 各截面压力分布云图 2.1.10 轴向扩压型排汽蜗壳研究

a．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，采用正交试验法进行吹风试验， 对低压排汽缸进行整缸的模型吹风试验及内部结构优化的试验研究。优化导流环型线，改善扩压管 扩压效果。

b. 增加低压外缸导流环背后的导汽板，使扩压管出口汽流流向下半缸，改善汽流流动状况，增 加低压外缸上半刚性。

c. 适当增加排汽缸的径向和轴向尺寸，增强汽缸的扩压能力，使低压排汽缸具有良好的静压恢 复能力,减少能量损失。

d. 优化排汽缸两侧锥体，增加曲线型导流板，顺应汽流的流线，降低流动损失。 e. 优化排汽缸中支撑筋板布置，减小流动损失。

f. 能量损失系数小于0.85，远小于径向扩压(见图2.1.10)。 图2.1.10.1 图2.1.10.2

图2.1.10.3 低压排汽缸扩 压管的压力分布云 2.1.11 机组持久效率高

冲动式汽轮机的隔板处转子根径小，级间的漏汽区域相对 较小大部分压降发生在静叶和喷嘴中，动叶前后压差较小，动 叶顶的漏汽量小(见图2.1.11)。 2.2 可靠性高

东汽、日立在试验研究、设计制造、安装调试等各个环节 投入了大量人力物力，使机组轴系稳定性、末叶可靠性、汽缸、 汽封系统、控制系统可靠性得以保证。超超临界1000MW 机图2.1.11

组全部高、中、低压四个汽缸零部件都经过运行考验，均有优良的运行业绩；结构成熟可靠。 母型机情况表： 电厂 原町2# Haramachi 常陆那珂1# Hitachi-Naka 苫东厚真

4#Tomato-Atsuma

型式 CC4F-41 CC4F-41 TC4F-43

参数 24.5MPa/600℃/600℃ 24.5MPa/600℃/600℃ 25MPa/600℃/600℃ 背压 4.27KPa 5.09KPa 3.33kPa 机组功率 1000MW 1000MW 700MW 投运时间 1998.7 2003.1 2002.6

取用部套 高压缸、中压缸 高压缸、中压缸 低压缸

日立公司700MW 机组创造了日本电厂最高热效率记录。其设计热耗为7226kJ/kW.h （1726kcal/kW.h），实测值为7194 kJ/kW.h（1718.2kcal/kW.h），实测热效率达到50%。 2.2.1 轴系稳定可靠 ● 转子双支点支撑

● 无中心孔整锻转子 ● 转子厂内高速动平衡

● 1#、2#轴承采用高抗扰可顷瓦轴承 ● 主油泵与转子采用刚性联接

● 对轮设止口，对中精度高并防止滑移 ● 有效的防止汽流激振的设计 2.2.2 先进可靠成熟的系列末叶

43“末级叶片已在苫东厚真700MW 机组上投运，到目前已运行四年多，优秀运行业绩验证的先 进可靠成熟的末级叶片(见图2.2.2)。 图2.2.1 图2.2.2

2.2.3 巧妙的高、中压汽缸设计

●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。

●上半缸猫爪中分面支承、下半缸猫爪横键轴向推拉轴承座并作横向热膨胀导向，汽缸稳定性 高、对中性好、启停灵活。

●锥筒形外缸与排汽蜗壳相切，轴向刚性好。

●中分面法兰等高设计，避免中分面法兰高度剧烈变化对汽缸刚性产生影响。

●降低高压外缸的工作压力，适当加宽外侧密封面宽度，使螺栓工作时所需的密封应力小。 ●螺栓直径从汽缸中部至两排汽端依次递减，避免螺栓直径突然变化。 ●防止螺栓咬死特殊设计制造(见图2.2.3)。 图2.2.3.1 图2.2.3.2

2.2.4 专利三层低压缸结构

低压缸的设计采用专利技术三层缸结构。三层低压缸结构彻底解决了低压内缸进汽高温区对 内缸中分面影响，减少热变形，保证汽缸中分面的密封性。(见图2.2.4)。 2.2.5 有效低压防水蚀措施

● 适当增大动、静叶间的轴向距离，以利小水滴进入疏水槽减小水滴对动叶的冲击能量，延缓 水蚀的影响；

● 优化末级流场，提高根部反动度，避免在低负荷时，动叶根部出现倒流引起根部冲刷； ● 末级顶部采用高频淬火

● 机组运行时通过监视低压排汽参数变化监控末叶根部出汽边水蚀状况。 ● 低压湿蒸汽区有足够疏水槽除水。 (见图2.2.5) 图2.2.4 图2.2.5

2.2.6 先进的高压主汽调节阀和中联门

● 高压主汽调节阀浮动悬吊在运行平台下、中压联合汽阀单支点弹簧支撑在汽缸下半两侧，厂 房整洁美观、检修方便，机组轴向热膨胀对汽缸接口作用力小，汽缸和轴系稳定。 ● 阀杆套筒和阀杆上司太立合金自密封凸台 主汽阀入口设蒸汽滤网，防止异物进入汽机通流 ● 各阀均独立油动机控制

● 液压开启，弹簧关闭使圆盘式卸载主汽阀关闭快速 ● 电气凸轮实现高压调节阀“复合调节配汽” ● 阀座采用螺栓固定在阀壳内，拆卸方便 ● 各阀可独立做全行程在线活动试验