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1、第八讲 汽轮机组的工作特性与故障现象的分析第一节汽轮机组的结构特性第一节汽轮机组的结构特性汽轮机组是利用蒸汽热能做功的旋转式原动机。它工作时进行两个能量汽轮机组是利用蒸汽热能做功的旋转式原动机。它工作时进行两个能量转换过程，即先使蒸汽通过喷嘴使流速提高转换过程，即先使蒸汽通过喷嘴使流速提高(而压力降低而压力降低)，将蒸汽的热能转，将蒸汽的热能转换成蒸汽的动能；然后再将蒸汽的动能在动叶栅中转换成转子的旋转机械能。换成蒸汽的动能；然后再将蒸汽的动能在动叶栅中转换成转子的旋转机械能。汽轮机组与其他动力机械相比，具有单机功率大、尺寸小、重量轻和效汽轮机组与其他动力机械相比，具有单机功率大、尺寸小、重量
2、轻和效率高等优点，并且其所用的工质成本低、无污染。所以，汽轮机组是电力工率高等优点，并且其所用的工质成本低、无污染。所以，汽轮机组是电力工业、交通运输、国防工业上应用最广泛的原动机之一。业、交通运输、国防工业上应用最广泛的原动机之一。汽轮机是火力发电厂中的三大主机之。为了提高火电机组运行的安全汽轮机是火力发电厂中的三大主机之。为了提高火电机组运行的安全性和循环效率，为汽轮机配置了一些辅助设备和系统。本书将汽轮机与相应性和循环效率，为汽轮机配置了一些辅助设备和系统。本书将汽轮机与相应的辅助设备及系统统称为汽轮机组。的辅助设备及系统统称为汽轮机组。汽轮机组由汽轮机本体、凝汽系统、回热系统、调节保安
3、系统几大部分组成。汽轮机组由汽轮机本体、凝汽系统、回热系统、调节保安系统几大部分组成。下面简单介绍汽轮机组的基本结构及结构特点。下面简单介绍汽轮机组的基本结构及结构特点。一、汽轮机组的基本培构一、汽轮机组的基本培构 (一一)汽轮机本体汽轮机本体 汽轮机本体是汽轮机组的主要组成部分，它由转动部分汽轮机本体是汽轮机组的主要组成部分，它由转动部分(转子转子)和固定部和固定部分分(静子静子)组成。转动部分包括动叶栅、叶轮、主轴和联轴器及紧固件等旋转组成。转动部分包括动叶栅、叶轮、主轴和联轴器及紧固件等旋转部件；固定部分包括汽缸、蒸汽室、喷嘴、隔板、静叶持环、汽封、轴承、部件；固定部分包括汽缸、蒸汽室、
4、喷嘴、隔板、静叶持环、汽封、轴承、轴承座、滑销系统、机座以及有关紧固零件等。轴承座、滑销系统、机座以及有关紧固零件等。1转子转子 汽轮机的转动部分总称转子，由转轴、动叶栅汽轮机的转动部分总称转子，由转轴、动叶栅 和联轴器组成。汽轮机转子和联轴器组成。汽轮机转子的结构可分为转轮式和转鼓式两种基本类型。转轮式转子具有安装叶片的叶的结构可分为转轮式和转鼓式两种基本类型。转轮式转子具有安装叶片的叶轮，一般由主轴、叶轮、动叶片和联轴器组成；而转鼓式转子没有叶轮，动轮，一般由主轴、叶轮、动叶片和联轴器组成；而转鼓式转子没有叶轮，动叶直接装在转鼓上。通常冲动式汽轮机的转子采用转轮式转子，反动式汽轮叶直接装在
5、转鼓上。通常冲动式汽轮机的转子采用转轮式转子，反动式汽轮机为避免轴向推力过大而采用转鼓式转子。机为避免轴向推力过大而采用转鼓式转子。转子工作时，高速旋转，它除了要转换能量、传递扭矩外，还要承受着叶转子工作时，高速旋转，它除了要转换能量、传递扭矩外，还要承受着叶片、叶轮、主轴本身质量离心力所引起的很大应力，以及由于温度分布不均片、叶轮、主轴本身质量离心力所引起的很大应力，以及由于温度分布不均匀引起的热应力和转子振动产生的交变应力。所以，要求转子具有很高的强匀引起的热应力和转子振动产生的交变应力。所以，要求转子具有很高的强度和均匀的质量，以保证其安全工作。运行中要特别监视转子的工作状况。度和均匀的
6、质量，以保证其安全工作。运行中要特别监视转子的工作状况。大型汽轮机组的转子分高压转子、中压转子和低压转子，它们用刚性联轴器大型汽轮机组的转子分高压转子、中压转子和低压转子，它们用刚性联轴器连成一体。连成一体。2静子静子 (1)汽缸。汽缸是汽轮机的外壳，它是汽轮机中重量大、形状复杂并且处在高温汽缸。汽缸是汽轮机的外壳，它是汽轮机中重量大、形状复杂并且处在高温高压下工作的一个部件。汽缸内安装着喷嘴室、隔板、隔板套等零部件。汽高压下工作的一个部件。汽缸内安装着喷嘴室、隔板、隔板套等零部件。汽缸外连接着进汽、排汽、抽汽等管道。在考虑汽缸结构时，除了要保证足够缸外连接着进汽、排汽、抽汽等管道。在考虑汽缸
7、结构时，除了要保证足够的强度、刚度和保证各部分受热时自由膨胀以及通流部分有较好的流动性能的强度、刚度和保证各部分受热时自由膨胀以及通流部分有较好的流动性能外，还应考虑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厚外，还应考虑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厚度，并力求使汽缸形状简单、对称，以减小热应力。此外，为了节省高级耐度，并力求使汽缸形状简单、对称，以减小热应力。此外，为了节省高级耐热合金钢还应使高温高压部分限制在尽可能小的范围内。热合金钢还应使高温高压部分限制在尽可能小的范围内。(2)喷嘴组、静叶环和静叶持环。大功率汽轮机基本上都是采用喷嘴调节，这种喷嘴组、静
8、叶环和静叶持环。大功率汽轮机基本上都是采用喷嘴调节，这种调节方法具有在部分负荷下效率高的优点。调节方法具有在部分负荷下效率高的优点。喷嘴调节法是在主汽门后用几个调节汽门分别控制相对应的几个喷嘴弧喷嘴调节法是在主汽门后用几个调节汽门分别控制相对应的几个喷嘴弧(喷嘴组喷嘴组)，当汽轮机负荷变化时，各调节汽门按规定的顺序依次开或关，以，当汽轮机负荷变化时，各调节汽门按规定的顺序依次开或关，以改变进汽量，调节汽轮机的出力。喷嘴调节的汽轮机的第一级称为调节级。改变进汽量，调节汽轮机的出力。喷嘴调节的汽轮机的第一级称为调节级。调节级喷嘴叶栅通常是由若干个喷嘴组成喷嘴弧段后，再固定在单独设置的调节级喷嘴叶栅
9、通常是由若干个喷嘴组成喷嘴弧段后，再固定在单独设置的喷嘴室的圆弧形槽道中。从汽轮机的第二级开始，以后的各级喷嘴叶栅则固喷嘴室的圆弧形槽道中。从汽轮机的第二级开始，以后的各级喷嘴叶栅则固定在静叶环定在静叶环(隔板隔板)上，而静叶环可直接固定在汽缸上，也可固定在静叶持环上，而静叶环可直接固定在汽缸上，也可固定在静叶持环(隔板套隔板套)上，但多半是固定在静叶持环上，静叶持环再固定在汽缸上。上，但多半是固定在静叶持环上，静叶持环再固定在汽缸上。(3)汽封。在汽轮机级内，在静叶环和主轴的间隙处，以及动叶顶部与汽缸汽封。在汽轮机级内，在静叶环和主轴的间隙处，以及动叶顶部与汽缸(或静或静叶持环叶持环)的间隙
10、处存在漏汽。此外，在汽轮机的高压端或高中压缸的两端，在的间隙处存在漏汽。此外，在汽轮机的高压端或高中压缸的两端，在主轴穿出汽缸处，蒸汽会向外泄漏。这些漏汽都将使汽轮机的效率降低，并主轴穿出汽缸处，蒸汽会向外泄漏。这些漏汽都将使汽轮机的效率降低，并增大工质损失。在汽轮机低压端或低压缸的两端，因汽缸内的压力低于大气增大工质损失。在汽轮机低压端或低压缸的两端，因汽缸内的压力低于大气压力，在主轴穿出汽缸处。会有空气漏人汽缸，使机组真空恶化，并增大抽压力，在主轴穿出汽缸处。会有空气漏人汽缸，使机组真空恶化，并增大抽气器的负荷。为了减少汽轮机各动静间隙处的褥汽和防止空气从轴端漏人汽气器的负荷。为了减少汽轮
11、机各动静间隙处的褥汽和防止空气从轴端漏人汽缸，保证汽轮机正常安全运行，在汽轮机的上述间隙部位都设置了汽封。汽缸，保证汽轮机正常安全运行，在汽轮机的上述间隙部位都设置了汽封。汽封的结构形式多种多样，目前大型汽轮机组普遍采用迷官式汽封。封的结构形式多种多样，目前大型汽轮机组普遍采用迷官式汽封。(4)轴承。轴承是汽轮机的一个重要组成部件。汽轮机的轴承有支持轴承和推力轴承。轴承是汽轮机的一个重要组成部件。汽轮机的轴承有支持轴承和推力轴承两种类型。前者用来承受转子的重量、调节级部分进汽引起的不平衡蒸轴承两种类型。前者用来承受转子的重量、调节级部分进汽引起的不平衡蒸汽作用力和转子不平衡质量的离心力，并确定
12、转子的径向位置，以保证转子汽作用力和转子不平衡质量的离心力，并确定转子的径向位置，以保证转子的旋转中心和汽缸中心保持一致；后者是用来承受汽轮机运行时蒸汽作用在的旋转中心和汽缸中心保持一致；后者是用来承受汽轮机运行时蒸汽作用在转子上的转子上的轴向推力和发电机传来的轴向力，并确定转子在汽缸中的轴向位置，以轴向推力和发电机传来的轴向力，并确定转子在汽缸中的轴向位置，以保证汽轮机的通流部分轴向动、静间隙在允许范围内。保证汽轮机的通流部分轴向动、静间隙在允许范围内。(5)盘车装置。在汽轮机启动冲转前和停机后，使转子以一定的转速连续地转动，盘车装置。在汽轮机启动冲转前和停机后，使转子以一定的转速连续地转动
13、，以保证转子均匀受热和冷却的装置称为盘车装置。以保证转子均匀受热和冷却的装置称为盘车装置。(二二)凝汽系统与设备凝汽系统与设备 凝汽系统由凝汽器、循环水泵、抽气器、凝结水泵和相应的管道与阀凝汽系统由凝汽器、循环水泵、抽气器、凝结水泵和相应的管道与阀门组成。汽轮机的排汽从排汽口排出进入凝汽器，循环水泵不断地将循环水门组成。汽轮机的排汽从排汽口排出进入凝汽器，循环水泵不断地将循环水打人凝汽器，吸收蒸汽的凝结放热，蒸汽被冷却并凝结成水。凝结水由凝结打人凝汽器，吸收蒸汽的凝结放热，蒸汽被冷却并凝结成水。凝结水由凝结水泵抽走。凝汽器内压力很低，比较容易漏人空气，空气将阻碍传热，因此水泵抽走。凝汽器内压力
14、很低，比较容易漏人空气，空气将阻碍传热，因此用抽气器不断地将空气抽走。用抽气器不断地将空气抽走。1凝汽器凝汽器 凝汽器是凝汽系统中的关键设备。凝汽器有混台式和表面式两种。目凝汽器是凝汽系统中的关键设备。凝汽器有混台式和表面式两种。目前，混合式凝汽器由于无法回收工质已被淘汰。在电厂中使用的凝汽器全部前，混合式凝汽器由于无法回收工质已被淘汰。在电厂中使用的凝汽器全部为表面式。表面式凝汽器的冷却水在管子内部流动，汽轮机排汽在管子外部为表面式。表面式凝汽器的冷却水在管子内部流动，汽轮机排汽在管子外部流动。流动。2循环水泵循环水泵 循环水泵为汽轮机凝汽器输送大量冷却水，使汽轮机排汽凝结，并保循环水泵为汽
15、轮机凝汽器输送大量冷却水，使汽轮机排汽凝结，并保持凝汽器的真空。持凝汽器的真空。由于凝结由于凝结1Kg的排汽约需要的排汽约需要5060kg冷却水，而且进人凝汽器的冷却冷却水，而且进人凝汽器的冷却水不需要很大的压力，因此循环水泵的特点是流量大、扬程低。水不需要很大的压力，因此循环水泵的特点是流量大、扬程低。循环水泵有轴流泵和离心泵两大类，采用开式循环系统的可使用轴流泵循环水泵有轴流泵和离心泵两大类，采用开式循环系统的可使用轴流泵和离心泵；采用闭式循环系统的，绝大多数使用离心泵。和离心泵；采用闭式循环系统的，绝大多数使用离心泵。3抽气器抽气器 抽气器的作用是抽出凝汽器内的不凝结气体，以保持凝汽器的
16、真空和良抽气器的作用是抽出凝汽器内的不凝结气体，以保持凝汽器的真空和良好的传热效果。抽气器实质上起压气机的作用，它将蒸汽和空气混合物从很好的传热效果。抽气器实质上起压气机的作用，它将蒸汽和空气混合物从很低的压力压到略高于大气压，以排人大气。抽气器的增压比一般为低的压力压到略高于大气压，以排人大气。抽气器的增压比一般为1540。抽气器有喷射式抽气器和真空泵两大类。喷射式抽气器又分为射水抽气器和抽气器有喷射式抽气器和真空泵两大类。喷射式抽气器又分为射水抽气器和射汽抽气器。射汽抽气器。国内电站中的小型机组一般用射汽抽气器；大型单元再热机组上一般用国内电站中的小型机组一般用射汽抽气器；大型单元再热机组
17、上一般用射水抽气器；近几年来，在射水抽气器；近几年来，在300MW机组上一般应用水环式真空泵。机组上一般应用水环式真空泵。4凝结水泵凝结水泵 凝结水泵又叫冷凝泵，它的作用是将凝汽器中的凝结水抽出，经过两条凝结水泵又叫冷凝泵，它的作用是将凝汽器中的凝结水抽出，经过两条路线进入除氧器。一条是经过凝结水精处理设备处理后逐级经过低压加热路线进入除氧器。一条是经过凝结水精处理设备处理后逐级经过低压加热器，进入除氧器；另一条是不经过凝结水处理设备，而直接经过低压加热器器，进入除氧器；另一条是不经过凝结水处理设备，而直接经过低压加热器进入除氧器。进入除氧器。由于凝汽器在运行时具有较高的真空值，因此凝结水泵的
18、吸人侧处于高由于凝汽器在运行时具有较高的真空值，因此凝结水泵的吸人侧处于高度真空状态，而凝结水温度又接近于该压力下的饱和温度，所以凝结水泵内度真空状态，而凝结水温度又接近于该压力下的饱和温度，所以凝结水泵内极易造成汽化或发生空气进入泵内的现象。极易造成汽化或发生空气进入泵内的现象。(三三)回热加热系统与设备回热加热系统与设备 回热加热系统与设备是汽轮机组的主要辅助系统与设备。现代发电用汽轮回热加热系统与设备是汽轮机组的主要辅助系统与设备。现代发电用汽轮机组的回热系统由若干个低压加热器机组的回热系统由若干个低压加热器(简称低加简称低加)、若干个高压加热器、若干个高压加热器(简称高简称高加加)、除
19、氧器、给水泵、连接管道、阀门等组成。上述设备组成一个串联网络。、除氧器、给水泵、连接管道、阀门等组成。上述设备组成一个串联网络。如图所示。为国产如图所示。为国产N300MW机组回热系统示意。机组回热系统示意。在回热加热系统中，低压加热器因工作压力和温度都比较低，所以故障率相在回热加热系统中，低压加热器因工作压力和温度都比较低，所以故障率相对来说比较低。而高压加热器的工作压力是火电机组热力系统中压力最高的，对来说比较低。而高压加热器的工作压力是火电机组热力系统中压力最高的，并且高压加热器的工作温度也比较高，所以高压加热器的事故率比较高，严并且高压加热器的工作温度也比较高，所以高压加热器的事故率比
20、较高，严重影响机组的安全稳定运行。重影响机组的安全稳定运行。(四四)调节保护系统调节保护系统 大型电站汽轮机组的调节与保护系统由数字电液控制系统大型电站汽轮机组的调节与保护系统由数字电液控制系统(DEH)、汽轮、汽轮机本体安全监视保护系统机本体安全监视保护系统(TSI)以及危急保护跳闸装置以及危急保护跳闸装置(ETS)组成。其中，组成。其中，DEH控制系统由两大部分组成即控制系统由两大部分组成即EH系统系统(液压执行机构液压执行机构)和和DEH控制装置控制装置(计算机控制部分计算机控制部分)。EH系统是系统是DEH系统的执行机构，系统的执行机构，DEH控制装置是控制装置是DEH系统的指挥中心。
21、系统的指挥中心。(1)控制装置。主要包括数字计算机、混合数模插件、接口和电源等设备，都控制装置。主要包括数字计算机、混合数模插件、接口和电源等设备，都集中布置在四个柜内。主要用于给定和反馈信号、逻辑运算和发出指令进行集中布置在四个柜内。主要用于给定和反馈信号、逻辑运算和发出指令进行控制等。控制等。(2)外围设备。外围设备包括外围设备。外围设备包括DEH操作盘、信号指示盘、屏幕显示器操作盘、信号指示盘、屏幕显示器(CRT)及及打印机等。它们是机组的控制中心，通常布置在控制室内。操作盘和指示盘打印机等。它们是机组的控制中心，通常布置在控制室内。操作盘和指示盘包括电指示器、按钮开关等，主要用于显示运
22、行中机组主要的状态、显示机包括电指示器、按钮开关等，主要用于显示运行中机组主要的状态、显示机组的转速或负荷的目标值和给定值、阀门位置和极限值。组的转速或负荷的目标值和给定值、阀门位置和极限值。(3)DEH执行机构。汽轮机所有主汽门和调节汽门的开度均由各自的执行机构执行机构。汽轮机所有主汽门和调节汽门的开度均由各自的执行机构来控制。执行机构则由一个液压油缸来控制。执行机构则由一个液压油缸(油动机油动机)和弹簧组成，其开启靠高压抗和弹簧组成，其开启靠高压抗燃油压力，而关闭则靠弹簧压力。油动机与控制块相连，在控制块上装有快燃油压力，而关闭则靠弹簧压力。油动机与控制块相连，在控制块上装有快速卸载阀、隔
23、离阀和逆止阀，加上相应附件组成的执行机构。速卸载阀、隔离阀和逆止阀，加上相应附件组成的执行机构。(4)EH供油系统。供油系统。EH供油系统的作用是为油动机提供高压动力油。油动机根供油系统的作用是为油动机提供高压动力油。油动机根据据DEH调节器的电信号来控制各阀门的开度。高压抗燃油采用三芳基磷调节器的电信号来控制各阀门的开度。高压抗燃油采用三芳基磷酸脂，它具有良好的抗燃性能和稳定性。酸脂，它具有良好的抗燃性能和稳定性。(5)ETS控制系统。控制系统。EIS控制系统即危急跳闸系统，主要监视汽轮机转速、推控制系统即危急跳闸系统，主要监视汽轮机转速、推力瓦磨损、力瓦磨损、EH油压低、凝汽器真空低等。当
24、这些参数超过其允许极限时，油压低、凝汽器真空低等。当这些参数超过其允许极限时，该系统就关闭汽轮机的进汽阀。另外，通过隔膜阀提供一个可接受所有外该系统就关闭汽轮机的进汽阀。另外，通过隔膜阀提供一个可接受所有外部跳闸部跳闸(包括机械超速和手动停机包括机械超速和手动停机)的接口。从机械超速跳闸和手动停机母的接口。从机械超速跳闸和手动停机母管来的润滑油作用在隔膜阀的上部，使其克服弹簧力将阀门关闭，同时封管来的润滑油作用在隔膜阀的上部，使其克服弹簧力将阀门关闭，同时封闭自动停机危急跳闸母管的高压抗燃油的泄油通道。只要机械超速跳闸和闭自动停机危急跳闸母管的高压抗燃油的泄油通道。只要机械超速跳闸和手动停机按
25、钮动作，母管中的油压消失，弹簧就会打开隔膜闰，泄掉高压手动停机按钮动作，母管中的油压消失，弹簧就会打开隔膜闰，泄掉高压抗燃油，使汽轮机停机。润滑油和抗燃油彼此互不接触。抗燃油，使汽轮机停机。润滑油和抗燃油彼此互不接触。二、汽轮机组的结构特点分析二、汽轮机组的结构特点分析 随着汽轮机组容量的增大和进汽参数的提高，汽轮机本体结构变得越随着汽轮机组容量的增大和进汽参数的提高，汽轮机本体结构变得越来越复杂，部件尺寸也变得庞大，为使设备在高参数下工作时金属部件有来越复杂，部件尺寸也变得庞大，为使设备在高参数下工作时金属部件有足够的强度，汽缸、法兰、螺栓等设计制造得十分笨重。庞大的尺寸和重足够的强度，汽缸
26、、法兰、螺栓等设计制造得十分笨重。庞大的尺寸和重量，使得加工、制造及安装非常复杂，也给运行带来了很多问题。概括地量，使得加工、制造及安装非常复杂，也给运行带来了很多问题。概括地说，现代汽轮机组的结构具有如下特点。说，现代汽轮机组的结构具有如下特点。(1)采用多缸结构。随着汽轮机组单机功率的增大以及进汽参数的提高，整机的采用多缸结构。随着汽轮机组单机功率的增大以及进汽参数的提高，整机的理想焓降会变得很大，在保证每一级最佳速度比的前提下，需要的级数会很理想焓降会变得很大，在保证每一级最佳速度比的前提下，需要的级数会很多。若一个汽缸中容纳的级过多，则势必增加汽轮机转子的长度，这样将使多。若一个汽缸中
27、容纳的级过多，则势必增加汽轮机转子的长度，这样将使转子的刚性降低，难以保证强度和振动可靠性，因此必须将转子分成若干段，转子的刚性降低，难以保证强度和振动可靠性，因此必须将转子分成若干段，各段分别支承，因而必须采用多缸结构。当然，采用多缸结构，还利于采用各段分别支承，因而必须采用多缸结构。当然，采用多缸结构，还利于采用再热循环，使单机功率进一步提高，有利于轴向推力的平衡，还可以扩大通再热循环，使单机功率进一步提高，有利于轴向推力的平衡，还可以扩大通流能力。现代大功率汽轮机均采用了多缸结构。如国产流能力。现代大功率汽轮机均采用了多缸结构。如国产N300MW汽轮机组有汽轮机组有一个高压缸、一个中压缸
28、和两个对称布置的低压缸。一个高压缸、一个中压缸和两个对称布置的低压缸。(2)采用多排汽口。采用多排汽口是提高汽轮机组单机功率的有效途径。在功率采用多排汽口。采用多排汽口是提高汽轮机组单机功率的有效途径。在功率不变的情况下，增加排汽口的个数，可缩短末级叶片的长度，减小末级叶片不变的情况下，增加排汽口的个数，可缩短末级叶片的长度，减小末级叶片所受到的离心拉应力。如国产所受到的离心拉应力。如国产N300MW汽轮机组采用汽轮机组采用3个排汽口；上海汽轮机个排汽口；上海汽轮机厂引进美国西屋公司技术生产的厂引进美国西屋公司技术生产的N300MW汽轮机组采用了四个排汽口。汽轮机组采用了四个排汽口。(3)高中
29、压缸采用分流合缸方式。这种布置方式的优点是：高中压缸采用分流合缸方式。这种布置方式的优点是：高温区集中在汽缸中部，两蜡的温度和压力均较低，从而减少了对轴承和高温区集中在汽缸中部，两蜡的温度和压力均较低，从而减少了对轴承和端部汽封的影响，改善了运行条件，并减少了部件的热应力；端部汽封的影响，改善了运行条件，并减少了部件的热应力；与分缸设计与分缸设计比较，减少了一个端部轴段，缩短了主轴长度，减少了轴封漏汽量；比较，减少了一个端部轴段，缩短了主轴长度，减少了轴封漏汽量；缩短缩短机组轴向长度，简化了机组结构；机组轴向长度，简化了机组结构；平衡了部分轴向推力。平衡了部分轴向推力。(4)采用多层汽缸结构。
30、如果汽缸壁太厚将会产生过大的热应力。因此，大功率采用多层汽缸结构。如果汽缸壁太厚将会产生过大的热应力。因此，大功率汽轮机组都采用多层缸结构。汽轮机组的高、中、低压缸均采用双层缸。高、汽轮机组都采用多层缸结构。汽轮机组的高、中、低压缸均采用双层缸。高、中压缸采用双层汽缸后，内缸主要承受高温，需要用耐热合金材料制造，但中压缸采用双层汽缸后，内缸主要承受高温，需要用耐热合金材料制造，但承受的压力相对较小，故内缸尺寸较小。外缸在夹层蒸汽冷却的作用下，温承受的压力相对较小，故内缸尺寸较小。外缸在夹层蒸汽冷却的作用下，温度较低只需要一般的合金钢制造即可。另外，双层缸结构对于汽轮机启动、度较低只需要一般的合
31、金钢制造即可。另外，双层缸结构对于汽轮机启动、停机时汽缸的加热和冷却均有利，可以缩短启动时间。对于低压缸，由于蒸停机时汽缸的加热和冷却均有利，可以缩短启动时间。对于低压缸，由于蒸汽容积流量的增大，其尺寸较大，一般也采用多层缸结构，外层缸采用钢板汽容积流量的增大，其尺寸较大，一般也采用多层缸结构，外层缸采用钢板焊接结构，这样可以减轻低压缸的重量，节约材料，增加刚度；内缸由于形焊接结构，这样可以减轻低压缸的重量，节约材料，增加刚度；内缸由于形状复杂一般采用铸造结构。有的大功率汽轮机组低压缸采用三层缸结构，这状复杂一般采用铸造结构。有的大功率汽轮机组低压缸采用三层缸结构，这样做的原因是低压外缸在可能
32、发生各种变形的情况下，减少了对通流部分间样做的原因是低压外缸在可能发生各种变形的情况下，减少了对通流部分间隙的影响。隙的影响。(5)加长低压级叶片长度。加长低压级叶片长度是提高汽轮机单机功率的有效途加长低压级叶片长度。加长低压级叶片长度是提高汽轮机单机功率的有效途径。如东方汽轮机厂生产的首台径。如东方汽轮机厂生产的首台300MW汽轮机组，末级叶片长度为汽轮机组，末级叶片长度为1000mm，目前世界上最长的汽轮机叶片为，目前世界上最长的汽轮机叶片为1320mm用于用于1500MW、1800r/min的原的原子能汽轮机上。子能汽轮机上。(6)采用双轴系结构。为了解决大功率汽轮机排汽口增多使转子过长
33、的问题，可采用双轴系结构。为了解决大功率汽轮机排汽口增多使转子过长的问题，可将机组设计成双轴系结构，第一轴系高压缸排汽经过一次中间再热后进人第将机组设计成双轴系结构，第一轴系高压缸排汽经过一次中间再热后进人第二轴系的中压缸，其排汽再分别进人两个轴系的低压缸。二轴系的中压缸，其排汽再分别进人两个轴系的低压缸。(7)机组的自动化水平高。随着计算机技术的发展和应用，使得汽轮机组的自动机组的自动化水平高。随着计算机技术的发展和应用，使得汽轮机组的自动化控制水平逐渐提高。利用计算机可以进行运行时的实时监控，性能、效率化控制水平逐渐提高。利用计算机可以进行运行时的实时监控，性能、效率的在线计算，控制汽轮机
34、组的自动启动、升速、并网、带负荷等。如的在线计算，控制汽轮机组的自动启动、升速、并网、带负荷等。如300MW汽轮机组的控制可由汽轮机组的控制可由DCS协调控制系统完成，而汽轮机的数字电液调节系统协调控制系统完成，而汽轮机的数字电液调节系统(DEH)的功能也比较完善。国外有些电厂已进入利用故障诊断技术，以系统运的功能也比较完善。国外有些电厂已进入利用故障诊断技术，以系统运行管理为目标的超自动化运行的火力发电时代。行管理为目标的超自动化运行的火力发电时代。第二节第二节 汽轮机组的工作特性分析汽轮机组的工作特性分析一、汽轮机组在高参数条件下工作一、汽轮机组在高参数条件下工作新投产的汽轮发电机组以亚临
35、界和超临界机组为主，有少量的超高压机新投产的汽轮发电机组以亚临界和超临界机组为主，有少量的超高压机组，并且采用了蒸汽中间再热。如哈尔滨汽轮机厂生产的组，并且采用了蒸汽中间再热。如哈尔滨汽轮机厂生产的300MW汽轮机的主汽轮机的主蒸汽压力、主蒸汽温度、再热蒸汽温度分别为蒸汽压力、主蒸汽温度、再热蒸汽温度分别为16.7MPa、537和和537；美；美国国GE公司生产的公司生产的1300MW超临界机组的主蒸汽压力、主蒸汽温度、再热蒸汽超临界机组的主蒸汽压力、主蒸汽温度、再热蒸汽温度分别为温度分别为24.13MPa、543和和543。蒸汽参数的提高，提高了机组的循环效率，但同时对机组的运行提出了蒸汽参
36、数的提高，提高了机组的循环效率，但同时对机组的运行提出了更高的要求。更高的要求。二、汽轮机组在大温差、大压差条件下的工作二、汽轮机组在大温差、大压差条件下的工作 现代大型汽轮机组的轴向尺寸和径向尺寸都很大，在运行时，部件承受很现代大型汽轮机组的轴向尺寸和径向尺寸都很大，在运行时，部件承受很大的温度差和压力差。大的温度差和压力差。在高压缸进汽处，汽缸内与汽缸外的温差和压差都很大。在中压缸的进在高压缸进汽处，汽缸内与汽缸外的温差和压差都很大。在中压缸的进汽处，汽缸内外有很大的温差。在低压缸的排汽口处，汽缸内部处于真空状汽处，汽缸内外有很大的温差。在低压缸的排汽口处，汽缸内部处于真空状态，因此，在此
37、处存在反向的压力差。径向的大温差和大压差的存在，在部态，因此，在此处存在反向的压力差。径向的大温差和大压差的存在，在部件的内部产生了很大的压力梯度和温度梯度从而在材料内部产生了很大的件的内部产生了很大的压力梯度和温度梯度从而在材料内部产生了很大的应力。应力。在机组的轴向也有很大的压差和温差。轴向的大压差和大温差的存在，在机组的轴向也有很大的压差和温差。轴向的大压差和大温差的存在，使得转子和静子在轴向产生热膨胀差使得转子和静子在轴向产生热膨胀差(简称胀差简称胀差)，并使转子承受一个由高压，并使转子承受一个由高压端指向低压端的轴向推力。端指向低压端的轴向推力。三、汽轮机组在高转速、高应力状志下工作
38、三、汽轮机组在高转速、高应力状志下工作 工业汽轮机的工作转速是变化的，从每分钟数千转到每分钟一万多转不等。但并网工业汽轮机的工作转速是变化的，从每分钟数千转到每分钟一万多转不等。但并网运行的发电用汽轮机是定速运行的，转速一般为运行的发电用汽轮机是定速运行的，转速一般为300rmin(原子能汽轮机的转速为原子能汽轮机的转速为1500rrain)，其转动部件的线速度非常大。如哈尔滨汽轮机厂生产的，其转动部件的线速度非常大。如哈尔滨汽轮机厂生产的300MW汽轮机汽轮机的末级叶片的长度达到的末级叶片的长度达到900mm，叶顶处的直径达到，叶顶处的直径达到3528mm，运行时叶顶的线速度达，运行时叶顶的
39、线速度达到到554.17ms。汽轮机工作时，其转动部件受到的应力有，汽流力作用产生的应力、离心拉应力、汽轮机工作时，其转动部件受到的应力有，汽流力作用产生的应力、离心拉应力、温度应力、压差产生的应力、振动产生的动应力。在这些应力的合成应力的作用下，温度应力、压差产生的应力、振动产生的动应力。在这些应力的合成应力的作用下，转动部件处于很高的应力状态。值得一提的是，这个合成应力既有恒定成分，又有交转动部件处于很高的应力状态。值得一提的是，这个合成应力既有恒定成分，又有交变成分。变成分。四、汽轮机组应能长期、连续、稳定地运行四、汽轮机组应能长期、连续、稳定地运行 由于电网的频率要求是基本不变的，因此
40、并网运行的汽轮发电机组的转速应恒定。即由于电网的频率要求是基本不变的，因此并网运行的汽轮发电机组的转速应恒定。即使在主蒸汽参数、再热蒸汽参数、排汽参数稍微偏离设计值时，机组也应维持长期、使在主蒸汽参数、再热蒸汽参数、排汽参数稍微偏离设计值时，机组也应维持长期、连续、稳定地运行。连续、稳定地运行。五、汽轮机组应具有变工况运行的能力五、汽轮机组应具有变工况运行的能力 汽轮机组除了应满足长期、连续、稳定地发出额定负荷的要求外，还应具有变工况汽轮机组除了应满足长期、连续、稳定地发出额定负荷的要求外，还应具有变工况运行及承受一些极限工况的能力。如蒸汽参数偏离设计值、低真空运行、机组甩负荷、运行及承受一些
41、极限工况的能力。如蒸汽参数偏离设计值、低真空运行、机组甩负荷、发电机出口母线短路、低频率运行、冷态启动、词蜂运行等。在这些变动工况和极限发电机出口母线短路、低频率运行、冷态启动、词蜂运行等。在这些变动工况和极限工况条件下，机组部件的应力水平不得超过允许值。工况条件下，机组部件的应力水平不得超过允许值。六、汽轮机组应具有较高的经济性六、汽轮机组应具有较高的经济性汽轮机组是一种能量转换设备，在确保安全性和可靠性的前提下，机组汽轮机组是一种能量转换设备，在确保安全性和可靠性的前提下，机组应具有较高的经济性。当然，没有安全性就谈不上经济性，因此，机组在使应具有较高的经济性。当然，没有安全性就谈不上经济
42、性，因此，机组在使用过程中首先应树立用过程中首先应树立“安全第一安全第一”的思想。一旦机组的可靠性降低，甚至发的思想。一旦机组的可靠性降低，甚至发生了故障，将导致重大的经济损失。在确保安全性和可靠性的前提下，机组生了故障，将导致重大的经济损失。在确保安全性和可靠性的前提下，机组应有良好的热力性能具有较高的热效率。应有良好的热力性能具有较高的热效率。提高机组运行经济性的主要措施有：提高机组运行经济性的主要措施有：提高机组的可靠性，提高可用率；提高机组的可靠性，提高可用率；减少工质泄漏，对泄漏的工质进行回收；减少工质泄漏，对泄漏的工质进行回收；辅助设备正常投入使用；辅助设备正常投入使用；维维持额定
43、进汽和排汽参数；持额定进汽和排汽参数；采取合适的启停机操作方式；采取合适的启停机操作方式；改善通流部分的改善通流部分的流动特性。流动特性。第三节汽轮机组的故障与结构因素之间的关系第三节汽轮机组的故障与结构因素之间的关系 导致汽轮机组故障的原因很多，总的来说有设计、材质、制造工艺、安导致汽轮机组故障的原因很多，总的来说有设计、材质、制造工艺、安装与维护、运行等方面的原因。本节简单讨论汽轮机组的故障与结构因素之装与维护、运行等方面的原因。本节简单讨论汽轮机组的故障与结构因素之间的关系。间的关系。一、机组故障与机组结构复杂性之间的关系一、机组故障与机组结构复杂性之间的关系 现代大型汽轮机组是一个复杂
44、的机电系统。该系统的复杂度随机组容量的现代大型汽轮机组是一个复杂的机电系统。该系统的复杂度随机组容量的增加而增加。系统复杂度的提高，增加了可能发生故障的设备和部件的数量，增加而增加。系统复杂度的提高，增加了可能发生故障的设备和部件的数量，同时还增加了部件间的接口或接头的数量，水和蒸汽管道数量的增加，将增同时还增加了部件间的接口或接头的数量，水和蒸汽管道数量的增加，将增加可能发生故障的数量和种类。例如，机组的很多机械故障涉及到焊缝和螺加可能发生故障的数量和种类。例如，机组的很多机械故障涉及到焊缝和螺栓，而大部分电气或电子故障涉及到元件的接头，这种焊缝、螺栓和接头越栓，而大部分电气或电子故障涉及到
45、元件的接头，这种焊缝、螺栓和接头越多，故障也就越多。水和蒸汽管道数量的增加，将使工质泄漏的可能性增加。多，故障也就越多。水和蒸汽管道数量的增加，将使工质泄漏的可能性增加。另外，系统结构的复杂度越大，势必要减少各部件原始性能与期望性能另外，系统结构的复杂度越大，势必要减少各部件原始性能与期望性能间的裕度间的裕度(即设备的所即设备的所“能能”离人们的离人们的“想要想要”更近更近)，这就减少了故障发生，这就减少了故障发生前的劣化余地。前的劣化余地。系统的复杂度提高后，不但系统的故障率提高，同时系统的故障模型也系统的复杂度提高后，不但系统的故障率提高，同时系统的故障模型也会发生变化，由原来简单系统的与
46、工龄有关的确定性故障模型逐步演变成随会发生变化，由原来简单系统的与工龄有关的确定性故障模型逐步演变成随机性故障模型，使得对系统故障的预测更加困难。机性故障模型，使得对系统故障的预测更加困难。二、机组振动故障与轴系结构之间的关系二、机组振动故障与轴系结构之间的关系 机组容量越大，组成轴系的转子数越多，轴系的长度越长，横向振动的临机组容量越大，组成轴系的转子数越多，轴系的长度越长，横向振动的临界转速和扭转振动的临界转速越低，即转子系统显得更加界转速和扭转振动的临界转速越低，即转子系统显得更加“软软”。将会带来。将会带来如下几个方面的问题：如下几个方面的问题：(1)容易发生转子不对中故障。若轴系是由
47、若干个转子经靠背轮连接而成，在容易发生转子不对中故障。若轴系是由若干个转子经靠背轮连接而成，在连接时可能因靠背轮偏差或转子与转子之间的中心偏差而使得轴系产生预载连接时可能因靠背轮偏差或转子与转子之间的中心偏差而使得轴系产生预载荷。这种预载荷大到一定程度时，将使得轴系在静态时产生挠曲变形，在高荷。这种预载荷大到一定程度时，将使得轴系在静态时产生挠曲变形，在高速旋转时产生振动。速旋转时产生振动。(2)容易产生不平衡故障。对于大型机组而言，转子轴向的尺寸越大，转子上容易产生不平衡故障。对于大型机组而言，转子轴向的尺寸越大，转子上的轮盘数越多，发生转子原始质量不平衡故障的可能性就越大，并使不平衡的轮盘
48、数越多，发生转子原始质量不平衡故障的可能性就越大，并使不平衡质量在空间上连续分布。质量在空间上连续分布。(3)增加了产生油膜振荡故障的可能性。轴系长度增加，其相应的临界转速值增加了产生油膜振荡故障的可能性。轴系长度增加，其相应的临界转速值将降低。现代大型汽轮发电机组各转子的第一阶临界转速都低于其工作转速，将降低。现代大型汽轮发电机组各转子的第一阶临界转速都低于其工作转速，个别转子的第一阶临界转速的两倍比工作转速还低，这大大增加了转子产生个别转子的第一阶临界转速的两倍比工作转速还低，这大大增加了转子产生油膜振荡故障的可能性。油膜振荡故障的可能性。(4)容易产生轴系扭转振动故障。轴系长度增加后，抗
49、扭转刚度与降低，阻尼容易产生轴系扭转振动故障。轴系长度增加后，抗扭转刚度与降低，阻尼也降低，只要电网有一点电气扰动或汽轮机有一点机械扰动，就可能激起轴也降低，只要电网有一点电气扰动或汽轮机有一点机械扰动，就可能激起轴系的剧烈扭转振动。系的剧烈扭转振动。三、油膜失稳故障与轴承结构型式及支承方式之间的关系三、油膜失稳故障与轴承结构型式及支承方式之间的关系 汽轮机组的转子是靠支持轴承支承起来进行工作汽轮机组的转子是靠支持轴承支承起来进行工作(旋转旋转)的。油膜失稳故障的。油膜失稳故障与轴承的结构型式、结构参数及轴承的支承方式有着密切的关系。与轴承的结构型式、结构参数及轴承的支承方式有着密切的关系。1
50、轴瓦的型式对油膜稳定性的影响轴瓦的型式对油膜稳定性的影响 目前，在现场使用的轴瓦有圆筒瓦、椭圆瓦、三油楔瓦和可倾瓦。使用在目前，在现场使用的轴瓦有圆筒瓦、椭圆瓦、三油楔瓦和可倾瓦。使用在汽轮发电机组上稳定性最好的是可倾瓦其次是椭圆瓦，再次是三油楔瓦，汽轮发电机组上稳定性最好的是可倾瓦其次是椭圆瓦，再次是三油楔瓦，最后是圆筒瓦。最后是圆筒瓦。2轴瓦的结构参数时油膜稳定性的影响轴瓦的结构参数时油膜稳定性的影响 一般来说，减小长径比可以提高轴瓦的工作稳定性。原因：一是提高了轴一般来说，减小长径比可以提高轴瓦的工作稳定性。原因：一是提高了轴承的比压；二是使下瓦的油膜力减小，轴瓦偏心率增大。长径比太小，