超临界汽轮机本体结构

汽轮机本体

汽轮机本体由静止和转动两大部分构成。静止部分又称作“静子”，包括汽缸、隔板、喷嘴、汽封和轴承等部件；转动部分又称“转子”，包括轴、叶轮和动叶片等组成。

1.1 汽缸概述

汽缸是汽轮机的外壳，它是汽轮机中重量最大、形状复杂并且处在高温高压下工作的静止部件。它的作用是将蒸汽与大气隔绝，形成蒸汽能量转换的封闭空间。汽缸内安装着调节级喷嘴室及隔板、隔板套、转子等部件。蒸汽在汽轮机内流动做功后蒸汽参数下降，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需承受外部的大气压。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，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接在一起。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

弛后仍能保证法兰的严密性。汽缸工作时受力情况复杂，它除了承受缸内外的压差以及汽缸本身和装在其中的各零部件的总量等静载荷外，还要承受蒸汽流出静叶时对静止部分的反作用力，以及各种连接管道冷热状态下，对汽缸的作用力以及沿汽缸轴向、径向温度分布不均匀所引起的热应力。特别是在快速启动、停机和工况变化时，温度变化大，将在汽缸和法兰中产生很大的热应力和热变形。

由于汽轮机的型式、容量、蒸汽参数、是否采用中间再热及制造厂家的不同，汽缸的结构也有多种形式。例如，根据进汽参数的不同，可分为高压缸、中压缸和低压缸；按每个汽缸的内部层次可分为单层缸、双层缸和三层缸；按通流部分在汽缸内的布置方式可分为顺向布置、反向布置和对称分流布置；按汽缸形状可分为有水平接合面的或无水平接合面的和圆筒形、圆锥形、阶梯圆筒形或球形等等。

大容量中间再热式汽轮机一般采用多缸，汽缸数目取决于机组的容量和单个低压汽缸所能达到的通流能力。随着蒸汽参数提高，汽缸内外压差也大大增加。为保证中分面的汽密性，连接螺栓需有很大的预紧力，从而使得螺栓、法兰、汽缸壁都需很厚。这将导致汽轮机启动、停机和工况变动时汽缸壁和法兰、法兰和螺栓间将因温差过大而产生很大的热应力，甚至使汽缸变形，螺栓拉断，而且设计密封性能好而且可靠的法兰也非常困难。为了解决这些问题，大型汽轮机（初参数高于12.75MPa、535℃以上）往往做成双层缸体结构，内外缸之间充满着一定的低于初参数压力和温度的蒸汽，从而使内外缸承受的压差和温差大为减小，每层汽缸壁和法兰的厚度都可以大为减薄，从

而减小启动、停机以及工况变动时的热应力，有利于改善机组的启动和负荷适应能力。同时，由于汽缸能够得到夹层蒸汽的有效冷却，可以降低对于汽缸材料的要求。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，因为其在应力松弛的条件下工作且承受拉伸应力，因而这些部件材料需要具有较高的抗松弛性能、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性。通常螺母的强度比螺栓低一级，这样两者硬度不同可以减小螺栓的磨损，并能防止长期工作后不咬死。对于汽缸来说，中分面紧固件(螺栓、螺帽或紧箍钢圈)是极为重要的零件。在高温区段的螺栓，还应注意高温蠕变的问题。

汽缸的结构形式和支撑方式在设计时应给予充分考虑，当受热状况改变时，可以保持汽缸自由且对称的收缩和膨胀，并且把可能发生的变形降到最低限度。比如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，保证各汽缸、转子、轴承的膨胀不受阻碍。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。如果汽缸内有水，轻则造成汽缸温差增大，引起汽缸翘曲变形，动静部分摩擦；严重的积水还会损坏汽轮机转子。因此汽缸还应备有防进水设施，防止水从任何与其连接的管道；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，尽可能地避免无法疏水的洼窝结构。

进入汽缸的蒸汽回路，对汽缸的热膨胀和热应力也有较大的影响，因此设计时应注意汽流回路的合理布置。如应设有用于内、外汽缸夹层加热的蒸汽通道，以便汽轮机启动时有足够的蒸汽量预热内、外缸，使汽缸的热膨胀较快地趋于均匀；配汽设计中，注意各喷嘴组的进汽次序和进汽量，使启动时汽缸得到均匀加热，避免将较低温度的抽汽从较高温度的汽缸区段引出等。

汽缸的进汽管道(或排汽/抽汽管道)，不应集中于汽缸的某一区段，因为汽缸局部金属质量过分集中，可能使铸造过程的残余应力难以完全消除，造成热态情况下汽缸意外的变形。这种意外的热态变形将导致汽缸的翘曲，或汽缸中分面泄漏(尤其是内缸中分面泄漏最为麻烦)，而且这种热态变形可能长期存在，在冷态时又检查不到，无法处理。

汽缸壁的厚度应均匀，避免厚度突变和因结构突变引起的刚度突变，尤其要避免径向刚度突变。因为结构突变和径向刚度突变，都会产生根大的局部应力和热应力，很容易导致汽缸产生裂纹。汽缸中分