04第二章 汽缸及进汽部分1.docx
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04第二章汽缸及进汽部分1
第二章汽缸及进汽部分
第一节汽缸
对于600MW级汽轮机组,即使工质参数完全相同,其总体结构也有较大的不同,因此汽缸的数量、结构也各不相同。
通常,多数采用四个汽缸,少数采用三缸的形式。
就汽缸的具体结构而言,各有特点,尤其是高压缸和中压缸,各制造商的风格差异较大。
共同的出发点是使汽缸及其所有部件能够安全地完成预期的设计功能。
汽缸承受着蒸汽的压力和温度所施加的载荷,而且这些载荷是随不同区段和汽轮机负荷的不同而变化。
常见汽缸分为上、下两部分,转子从其纵向沿中心贯穿。
为了使汽缸能够承受蒸汽压力,而且中分面处不发生泄漏,汽缸上、下两半有两种联接方式。
一种是汽缸上、下两半分界处设计有联接法兰,用紧固件牢固地结合在一起。
最常用的紧固件是螺栓、螺帽,它们沿上、下半汽缸靠近中分面外径处,将上、下两半汽缸牢固地连成一体。
另一种是汽缸上、下两半没有法兰,用钢环将上、下两半汽缸紧箍成一体的结构形式。
后一种方法结构紧凑,工况变化时热适应性较好,但使用差方法的机组较少。
汽缸中分面的平直、光洁是保证中分面密封性能的最基本的要求。
对于高中压缸,上下两半合并,自由状态下任何区段的间隙应当小于0.05mm;对于低压缸,上下两半合并,自由状态下的间隙应小于0.08mm。
汽缸中分面法兰上的螺孔应与中分面严格垂直(最好与中分面由同一工位加工)。
法兰上的刮面(螺帽支承面)应与中分面严格平行,并与螺帽端面一对一地加以搭配,使两者紧密贴合。
这样,就能够保证螺栓的有效紧力,并避免螺栓上的附加弯矩。
660MW超临界汽轮机的蒸汽参数(额定主汽压力24.2MPa,额定主汽门前温度566℃)较高,为了使汽缸壁能设计得尽可能的薄,以便减少制造质量缺陷,和减小运行中汽缸体的热惯性和热应力,汽轮机的高、中压缸采用双层缸结构。
内缸用猫爪支承于外缸之内,并用定位键(销)和导向键来定位(承受内缸对外缸的载荷)和导向。
内缸包含许多部件,如喷嘴室、隔板套、隔板(及隔板汽封)以及相应的定位、导向零件。
有的制造厂在汽缸的高温区段、内外缸夹层内还设有遮热薄筒,以减少内缸对外缸的热交换(主要是热辐射),尤其是超临界蒸汽参数的汽轮机,使内缸及外缸的内外壁面温差减少,使热应力大大减小。
汽缸本身的热膨胀和汽缸与转子之间的相对膨胀,是汽轮机设计、制造、安装、调试、运行必须考虑的重要问题。
设计时应通过汽缸、转子的热膨胀计算,合理地选定汽缸的死点位置,以及推力轴承(转子相对死点)的位置,并留有足够的膨胀间隙。
在汽轮机运行中,进入汽缸的蒸汽参数及其变化,对汽缸的热膨胀和热应力有巨大的影响。
这种影响在汽轮机启动(特别是冷态启动)、停机和负荷变化时特别严重。
运行中蒸汽参数的剧烈变化会造成的严重后果。
汽轮机运行中,不允许汽缸内有任何积水。
如果汽缸内有水,会造成汽缸温差增大,引起汽缸翘曲变形,动静部分摩碰;严重时积水会损坏汽轮机转子。
因此,汽缸的疏水设施应有足够的通流面积,并避免疏水困难的洼窝结构。
汽缸还应备有防进水设施,防止水从任何与其连接的管道进入汽缸。
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,因此汽流回路应布置合理。
应该设有用于内、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。
另外,在配汽设计中,注意各喷嘴组的进汽次序和进汽量,使启动时汽缸被均匀加热,避免将较低温度的抽汽从较高温度的汽缸区段引出等。
有的机组调节级与同汽缸的压力级反向布置,调节级后的蒸汽可以更均匀地加热内缸,这也是一种较好的办法。
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,都会产生极大的热应力和局部应力集中,很容易导致汽缸产生裂纹和变形。
汽缸中分面法兰应尽量向汽缸中心线靠近,并使用窄法兰,减小中分面处的金属质量集中,使该处的截面尺寸接近于汽缸其他截面的尺寸。
这样可以避免产生太大的应力(蒸汽压力所形成)和热应力(温差所形成),也可减轻汽缸因变形不均匀而发生的翘曲。
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),而且这种热变形可能长期存在,在冷态时又检查不到,无法处理。
对于高、中压合缸的机组,很容易发生这种情况,要引起特别注意。
汽缸内部的喷嘴组和隔板,在将汽流的内能转换为动能的同时,受到汽流极大的反作用力矩,这种力矩将由支承或定位部件传递到内缸和外缸。
因此,汽缸的支承、定位零件,通常应在各自的工作温度条件下,这些零件能够安全地承受这种力矩。
内外缸之间的支承和定位零件,还应注意轴向推力对定位、支承零件的可能破坏。
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。
计算这些紧固件的紧力时,应注意它们各自的工作温度。
在高温区段的螺栓,还应注意高温蠕变问题。
关于汽缸中分面螺栓紧力以及材料选用等内容,可参阅有关资料及手册。
汽缸的支承、定位、导向状况,对汽轮机组安全性也有较大影响。
支承、定位、导向的设置,要使得在汽轮机运行中,汽缸及轴系能够良好对中,各汽缸、转子、轴承的膨胀不会受到阻碍。
汽缸由静止时的冷态到运行时热态,纵向、横向、上下都发生膨胀,各定位、导向件的设置要保证纵向、横向膨胀不受阻碍并且不影响对中。
支承结构的设置,要保证上下膨胀不影响汽缸、转子、轴承的对中。
对于高、中压缸,目前应用较多的支承方式是采用支承面与中分面重叠的上猫爪支承结构。
一、典型超临界压力600MW汽轮机(ABB制造,反动式)的汽缸型式
(一)高压缸
该机组的高压缸为双层、单流程结构。
高压缸内不设隔板,反动式的静叶栅直接装在内缸上,有一个调节级和21个反动式压力级。
高压缸有2段抽汽,第16级后是向8号高压加热器供汽的第1段抽汽,第21级后(即高压缸排汽处)是向7号高压加热器供汽的第2段抽汽。
该机组高压内缸的主要特点是:
1.上下半中分面没有法兰,而是用7只钢套环将内缸上下半紧箍成一个圆筒体,仅在进汽部分加4只螺栓来加强密封。
钢套环用环形燃烧器等专用工具加热后热套到内缸上,钢套环冷却收缩后能够保证内缸在稳定和不稳定工况下长期运行而不泄漏。
这种结构形式的内缸形状简单、匀称、重量轻;其相应的外缸直径小,因而外缸的法兰可以做得较窄、较薄。
2.内缸中分面与外缸水平中分面成50°夹角,目的是使喷嘴室的良好汽流通道保持完整,同时使进汽段辅助法兰避开水平中分面而处于进汽口处,从而外缸的直径可以减小。
图2-1-1是典型超临界压力600MW汽轮机(ABB制造,反动式)的高压缸结构示意图。
(二)中压缸
该机组的中压缸为双流程、双层结构。
中压缸内也不设隔板,反动式的静叶栅直接装在内缸上,有17×2个反动级。
中压缸布置有3段抽汽,其抽汽口非对称排列。
第3段抽汽位于中压缸机头侧的第6级后,向6号高压加热器供汽;第4段抽汽位于中压缸发电机侧第11级后,向除氧器和给水泵小汽轮机供汽;第5段抽汽位于中压缸第17级后(即中压缸排汽),向4号低压加热器供汽。
中压缸第一级静叶采用辐流式静叶栅,布置于中压内缸进汽口的环形通道内。
从辐流式静叶栅出来的汽流,进入双流程中压缸的左、右第一级动叶。
与轴流式静叶栅相比,省了一级静叶的位置,机组长度可以短一些。
中压缸中部进汽通道采用“双旋涡”结构,汽流导向良好,流道圆滑,压力损失小,变工况时对第一级静叶的冲角变化很小,从而保证中压缸第一级有较高的效率。
中压内缸进汽段两侧法兰上各开一道能够容纳膨胀的槽缝(参看中分面视图),此槽缝可改善中压内缸进汽部位(高温段)法兰和汽缸的热膨胀性能,减小中压缸膨胀量和热应力。
中压缸进汽连接方法与高压缸的相似。
图2-1-2是典型超临界压力600MW汽轮机(ABB制造,反动式)的中压缸结构示意图。
(三)低压缸
该机组的低压缸进汽压力、温度都比较低,但蒸汽的容积流量却很大,因此低压缸的体积很大。
低压缸应注意的主要问题是刚度问题。
低压缸也采用双层缸结构,主要目的是提高低压缸的刚度。
低压缸的内外缸采用钢板焊接结构加以组装。
低压内缸主要承受汽压、温度变化;外缸作为排汽部分,处于真空状态,承受大气压力。
低压外缸下部与凝汽器相连接。
由中压缸引出的导汽管分别在两个双流程的低压缸中部与低压缸连接。
导汽管按流量相等、流动损失最小的原则设计。
每个低压缸有一个进汽口和两个排汽口,进汽口和排汽口按流动损失最小的原则设计。
低压缸内在末级动叶出口处,设置有喷水装置,在汽轮机空负荷或低负荷时,向低压缸内喷射冷却水,防止因排汽温度太高造成低压部分损坏。
图2-1-3是典型超临界压力600MW汽轮机(ABB制造,反动式)的低压缸结构示意图。
该机组的低压缸进汽口设计成“旋涡形”结构,其目的与中压缸进汽口相同。
汽流进入低压缸中部后,经导流环流向两侧各级膨胀做功。
双流低压缸有3段抽汽,其抽汽口也是非对称布置。
第6段抽汽位于机头侧第1级后,向3号低压加热器供汽;第7段抽汽位于双流低压缸机尾侧的第3级后,向2号低压加热器供汽;双流低压缸两侧第4级后的抽汽为第8段,向1号低压加热器供汽。
低压缸的上外缸装有安全膜板,当低压缸排汽压力超过一定数值时,该膜板破裂,向大气排汽,防止低压缸因超压造成损坏。
外缸还与真空破坏器相连,以便停机时打开它,使转子(此时汽轮机低压转子变成了“鼓风机转子”,由于气流阻力而迅速降速)迅速通过临界转速。
二、丰城电厂660MW超临界机组(上汽制造,西屋、西门子技术)汽缸型式
上海汽轮机有限公司与原西屋公司(WH)合资,西屋公司被西门子公司收购后,又与西门子合资的国内三大汽轮机制造商。
(一)高、中压缸
该机组的高、中压缸为双层合缸结构,以减小轴系的轴向长度。
高压缸汽流与中压缸汽流方向相反,以抵消一部分各级反动式动叶栅产生的巨大轴向推力。
高、中压缸内不设隔板,反动式的静叶栅直接装在内缸上,有一个调节级和11个反动式压力级。
高压缸有两段抽汽,第1段是向1号高压加热器供汽,第2段抽汽(即高压缸排汽处)是向2号高压加热器供汽。
中压缸有两段抽汽,第1段是向3号高压加热器供汽,第2段抽汽(即中压缸排汽处)是向除氧器供汽。
该机组高、中压缸的主要特点是:
1.高、中压内缸采用合缸结构,使得整个机组结构紧凑,轴系长度减小。
2.高、中压内缸采用合缸结构,高压缸汽流与中压缸汽流沿轴向的相反方向流动,以使高、中压转子形成的轴向推力得到平衡。
3.上下半中分面设有法兰,上下缸法兰由螺栓施加一定的预紧力,将上下缸紧密地结合在一起,并能够保证内缸在稳定和不稳定工况下长期运行而不泄漏。
4.丰城电厂超临界660MW汽轮机(上汽制造,反动式)机组的高、中压缸布置是典型的美国西屋公司布置方式。
其缺点是合缸后的汽缸形状复杂,转子和汽缸的几何尺寸相对较大,管道布置困难。
(二)低压缸
低压缸分为低压缸A、低压缸B,低压缸A、B的汽流均分为两股排汽,流动方向相反,故称为四排汽。
与大多数600MW级汽轮机组的布置相同,这样可以减小末级叶片的长度,但增加了机组轴系的长度。
低压缸有四段抽汽,第1段是A、B缸抽汽合并后向5号低压加热器供汽,第2段抽汽是A、B缸抽汽合并后向6号低压加热器供汽。
第3段抽汽是A、B缸抽汽分别向7A、7B号低压加热器供汽,第4段抽汽是A、B缸抽汽分别向8A、8B号低压加热器供汽。
图2-1-0典型冲动式汽轮机高、中压缸结构示意图
图2-1-1典型超临界压力600MW汽轮机(ABB制造,反动式)的高压缸结构示意图
(图中数码含义见本节尾)
图2-1-2典型超临界压力600MW汽轮机(ABB制造,反动式)的中压缸结构示意图
图2-1-3低压缸结构示意(ABB超临界反动式600MW汽轮机)
图2-1-3低压缸结构示意(ABB超临界反动式600MW汽轮机)
图中数码含义:
1-上外缸;2-下外缸;3-上内缸;4-下内缸;5-低压转子;6,8,10-上静叶环;7,19,11-下静叶环;12-上导流环;13-下导流环;16-盖板;17-垫圈;18,48-六角螺钉;47-环;49-锁定片;50-调整螺钉;51-滑片;70-上外壳;80-汽封体、下外壳;907-探测规;
—进汽口;
-前轴封供汽腔室;
-后轴封供汽腔室;
-前轴封回汽腔室;
-后轴封回汽腔室;
-前喷水管;
-后喷水管;
-较平衡时打开
图2-1-1典型超临界压力600MW汽轮机(ABB制造,反动式)的高压缸结构示意图
图中数码含义:
1-上外缸;2-下外缸;3-上内缸;4-下内缸;5-高压转子;6-钢套环;15,16-上隔热罩;
17,46,54,61,67,72,156-内六角螺钉;18-盖板;19-垫圈;21-六角螺栓;22,24,27,38-螺塞;23,25,39-密封圈;26-喷嘴环;28,40,47-支承销;29,77,82,907-六角螺钉;30,901,905-锥形销;32-平衡螺塞;41-平衡扇块;42-侧向螺栓;43-电线套管;44-立销;45-轴向销;48-短平衡扇块;53,60-球形座;55,62,63-垫片;56,66-薄垫片;57-支架;58,73,78,83-双头螺栓;59,85-六角螺母;64-中间部件;65-支承块;68-圆柱销;71-侧向销;74,80-螺母;75,79-支撑圈;76,81-护罩;84-加长套筒;122-锁定螺钉;128,129,130,131-调整垫片;155-滑板;159,160-阀壳;161-右侧进汽管;162-左侧进汽管;902,918-顶开螺杆;906-安装环;916-导向销;917-套筒扳手;946-探测规;
(1),(3)-左进汽口;
(2),(4)-右进汽口;(11)-左排汽口;(12)-右排汽口;(20),(21)-轴封供汽室;(25),(26)-轴封回汽室;(27),(28)-泄汽室;(A)-较平衡时打开;(B)-用内规镜探测内缸时打开
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