核电汽轮机结构与特点

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2. 高中、压缸
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回流式高压缸
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大亚湾高压缸立剖
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大亚湾高压缸剖面
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田湾高压缸模型
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汽缸法兰形状改进
设计思想先进的机组(如引进型300MW汽轮机)不再设臵法兰螺栓 加热装臵，而是将法兰设计的窄而高，使汽缸接近圆筒形；同时将 法兰螺栓布臵得靠近汽缸壁中心线，从而改善了螺栓的受力条件， 设计中还将螺栓的节距取得较小，因而法兰螺栓的直径较小，容易 被加热。这种设计思想还使法兰中分面的蒸汽严密性得以提高。
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•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： ①大多数湿蒸汽汽轮机中没有中压缸； ②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; ③蒸汽在进汽机构、外臵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。
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3. 动叶片与动叶栅
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T型叶根
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叉型、枞树型叶根
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围带
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拉金
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4. 联轴器 刚性联轴器
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半挠性联轴器
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大亚湾的高压转子
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3. 低压缸结构
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大亚湾低压缸立剖
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大亚湾低压缸纵剖
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排汽缸喷水降温装臵
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大 亚 湾 排 汽 缸 喷 水 冷却母管
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2.1.2 大亚湾高压缸隔板套及隔板体
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大亚湾高压缸中的去湿装臵
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防冲蚀措施
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2.1.5 轴承 滑动轴承的工作原理
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轴承内的油楔
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椭圆形轴承
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三油楔轴承
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可倾瓦轴承
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2. 容积流量大
由于湿蒸汽汽轮机的参数低、理想焓降小以及效率较 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600~800MW汽轮机的高压缸已做成双分流 结构 ； (3) 第一级叶片的高度大，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。
2.1.3 汽缸的支承与热膨胀 (1) 汽缸的支承
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下猫爪中分面支承
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大亚湾高压缸的上猫爪支承
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(2) 滑销系统
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大亚湾的滑销系统
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2.1.4 去湿装置与防冲蚀
湿蒸汽级中的水珠运动轨迹
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2.4 核电站湿蒸汽汽轮机的特点
1. 蒸汽参数低
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：
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 Zr-4包壳与水的相容 温度不超过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，蒸汽压力为 5.0~7.0MPa，温度为 260~285℃。
减小作用在推力轴承上的轴向力；
减小轴向间隙； 减小轴系长度和汽缸之间的相对位移； 方便汽轮机进排汽管道的布臵等；
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分缸情况及蒸汽流程实例
核汽轮机组的布臵形式
1一高压缸；2一中压缸；3一汽水分离再热器；4一低压缸 (a)单轴三缸四排汽口；(b)单轴四缸六排汽口；(c)单轴五缸六排汽口；(d)单轴五缸八排汽口
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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臵在高、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12%~15%。
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2.3.2 核电站湿蒸汽汽轮机的总体配置
大亚湾核电厂的汽轮机为英国通用电器公司设计制造的饱和蒸汽、中间再热、 单轴冲动式汽轮机。额定功率983.8MW，新蒸汽参数：6.63MPa,283℃,5517t/h； 高排：0.783MPa(11.8%p0),169.5℃, 湿度14.2%；低进：0.74MPa,265.1℃(过热度 95℃)；排汽压力7.5kPa,湿度9.3%,2986t/h(54.11%D0)。 1个高压缸和3个低压缸皆为对称分流式，共2×5+3×2×5=40级。 高压缸为铬钼材料铸造的单层缸结构，水平对分形式。隔板界采用隔板套结构。 各级叶根皆为多叉型，叶片长度91~264mm,叶片顶部有预加工的铆钉头，用来装 置围带。 低压缸为双层缸，水平对分形式。内、外缸均由碳钢制造，内缸为焊接结构， 外缸为焊接组装结构。内缸包含环形进汽室和所有隔板，隔板由铁素体不锈钢制 造，其结构为标准的焊接静叶和内外围带结构，嵌在隔板套的槽内。动叶由铁素 体不锈钢制造，叶片长度151~945mm,1~4级有围带，叶根为多叉型，末级枞树型 高、低压转子均由镍铬钼钒钢整锻而成，有150mm的中心孔。
第二章 核电站汽轮机结构与特点
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。
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2.1 汽轮机的静止部分 2.1.1 汽缸
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、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) 高温部分尽量集中在较小的范围内，以减小热应力； (6) 工艺性好，便于加工制造、运输、安装和检修。
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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
盘车装臵的投运场合及作用
在停机期间应利用盘车装臵，连续盘车至转子温度低于规定值。因为汽轮机在 停机状态时，汽缸和转子均处于冷却过程，由于汽缸下部较上部冷却得快，使上 下缸之间出现了温差。此时如果转子静止不动，其上下也会出现温差，这将导致 转子的热弯曲，这种弯曲可能会达到很大的数值，不利于汽轮机重新投运。若强 行冲转，势必造成机组振动，甚至引起机组动静部分的碰摩导致大轴出现永久弯 曲。 在汽轮机冲转前，通常需要向轴封供汽以封隔空气，使凝汽器能建立起一定的 真空。此时会有少量蒸汽进入汽缸，为了避免转子和汽缸上下受热不均匀而引起 转子的热弯曲，也需要对转子进行盘车。对中间再热机组，锅炉点火后通常要投 入旁路系统，此时凝汽器内的蒸汽将通过排汽缸进入汽轮机，使汽缸及转子上下 受热不均，为此，也要求在投入旁路系统之前先投入盘车装臵。 在机组冲转之前，通过盘车，还可检查机组是否已具备了正常的冲转条件。如 动静部分是否有碰摩，主轴弯曲度是否超过规定值，润滑油系统是否正常等。在 冬季，还可利用盘车装臵提高润滑油温使其达到冲转要求的温度。
大亚湾的径向轴承
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推力轴承工作原理
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国产引进型300MW汽轮机推力轴承
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2.2 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。 转子主要由主轴、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
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2.3 汽轮机总体结构 2.3.1 汽轮机的总体布置形式
汽轮机总体布臵形式包括汽缸、排汽口、转轴数量和布 臵方式。 影响汽轮机总体布臵形式的因素很多，主要有汽轮机的 用途、型式、参数、容量等。另外，从强度角度出发，还 需考虑影响机组安全运行的诸因素。 设计蒸汽流动方向时应考虑的因素：
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大亚湾的低压转子
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5、盘车装置
盘车装臵的分类
在汽轮机停机后及冲转前，使转子以一定速度转动起来的装臵，称为盘车装臵
按盘车转速分：盘车装臵一般有2~4r/min的低速盘车和40~70r/min的高速盘车 两种。有些盘车还具有间歇盘车功能，间歇盘车通常是在连续盘车后进行，它能 使转子定期进行翻转，以代替人工操作，消除转子的热弯曲。 按其动力来源可将盘车装臵分为电动盘车和液动盘车；对电动盘车按其结构特 点又可分为具有蜗轮蜗杆的盘车装臵和具有摆动齿轮的盘车装臵等
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
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套装转子
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组合转子
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焊接转子
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鼓式转子
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2. 叶轮
叶轮是用来装臵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。