超超临界汽轮机部件冷却技术的研究.doc

超临界和超超临界汽轮机部件
冷却技术的研究
史进渊，杨宇，邓志成，陈匀，林振坤
（上海发电设备成套设计研究所，上海，200240）

摘要：分析了超临界和超超临界汽轮机部件采用蒸汽冷却技术的重要性，介绍了超临界和超超临界汽轮机喷嘴室、高压转子、中压转子、低压转子和汽缸的冷却结构的设计特点。提出了超临界和超超临界汽轮机冷却结构设计的关键技术，内容包括冷却参数的选取、部件温度场和应力场的有限元计算分析以及冷却效果的测量和验证。采用蒸汽冷却技术，可以提高材料的使用等级，有利于延长超临界和超超临界汽轮机部件的设计寿命。
关键词：超临界和超超临界机组；汽轮机；冷却技术；可靠性设计；结构设计
1采用冷却技术的重要性
随着科学技术的进步和材料技术的发展，超超临界汽轮机的主蒸汽温度和再热蒸汽温度呈增长的趋势[1]。随着蒸汽温度的升高，材料的力学性能有所下降，为了保证超超临界汽轮机的部件有足够的强度和寿命，除了采用高温强度好的钢材之外，还应采用蒸汽冷却技术和冷却结构设计。蒸汽冷却是采用温度比较低的蒸汽（如高压排汽、高压抽汽或动叶后蒸汽）来冷却超超临界汽轮机高温部件，以降低超超临界汽轮机高温部件的工作温度。在工程实践中，对于汽轮机的高温部件，CrMoV钢应用于566℃、12%Cr钢应用于600℃、粤氏体钢应用于650℃，需要采用蒸汽冷却技术。对于蒸汽参数为16.7MPa/538℃/538℃的亚临界汽轮机，高温部件使用CrMoV钢，可以不采用蒸汽冷却技术。对于蒸汽参数为24.1MPa/566℃/566℃的超临界汽轮机，高温部件使用12%Cr钢，可以不采用蒸汽冷却技术，但使用CrMoV钢必须采用蒸汽冷却技术。对于蒸汽参数为25MPa~28MPa/600℃/600℃的超超临界汽轮机，高温部件使用12%Cr钢，需要采用蒸汽冷却技术。超超临界汽轮机的喷嘴室、转子、汽缸等部件采用蒸汽冷却技术，既可以提高现有材料使用等级，充分利用材料的机械性能，又可以延长这些部件的设计寿命。在超超临界汽轮机的启动、停机和负荷变动的过程中，汽轮机部件承受相当大的热应力，最大热应力通常位于汽轮机部件高温区域的应力集中部位。采用蒸汽冷却技术是在启停过程中降低汽轮机部件高温部位瞬态热应力的有效方法。采用蒸汽冷却技术，可以降低超超临界汽轮机高温部件的工作温度和部件的温度差，在其他条件相同的情况下可以降低这些部件的热应力，可以延长部件的设计寿命。部件的蒸汽冷却技术现已成为超超临界汽轮机研制和生产的关键技术之一[1]，通过先进的蒸汽冷却技术的研究，实现超超临界汽轮机部件高温部位工作温度的下降，是保证超超临界汽轮机安全运行的重要技术手段之一。
2部件冷却的结构特点
超超临界汽轮机采用蒸汽冷却技术的部件有高压喷嘴室、中压蒸汽室、高压转子、中压转子、高压汽缸、中压汽缸等，超超临界汽轮机不同的部件采用不同方案的冷却结构设计。
2.1喷嘴室和高压转子
（1）高压转子单流结构。超超临界汽轮机单流高压转子的蒸汽冷却常用三种方法。①把第一级叶型根部设计成负反动度，级后温度比较低的蒸汽经第一级动叶纵树型叶根底部间隙流入前轴封的高压侧。冷却蒸汽的流动使高压第一级轮缘和前轮面得到了冷却。②从汽轮机高压调节阀后引出少量主蒸汽，喷入凝结水使其温度降低后作为冷却蒸汽，通过改变喷入的凝结水量控制冷却蒸汽的温度。冷却蒸汽经高压第一级和第二级动叶叶根底部间隙以及静叶与动叶之间的间隙流入主流，使冷却蒸汽流过的转子表面得到冷却。③把高压第一级后温度比较低的蒸汽的一小部分，经喷嘴室与内缸之间的腔室，回流至高压第一级前轮面和前轴封之间的空间，使喷嘴室、内缸和第一级叶轮的前轮面得到冷却[2]。
（2）喷嘴室双流压力级单流结构。高压第一级采用双流式结构，高压第二级以后的压力级采用单流结构。采用双流第一级的优点是每只动叶片所承担的负荷减少一半，喷嘴室和动叶片的应力有所减少，对于大功率超超临界汽轮机可以使用现有实际运行经验的动叶片。但采用双流喷嘴室的缺点是叶片数目增加、造价高、轴承跨度增大。采用双流喷嘴室结构，从前轴封侧喷嘴根部流出的小部分蒸汽，经喷嘴室与转子之间的腔室流入另外一侧喷嘴后主流，冷却喷嘴室和高压转子。随着转子的转动，由于主流的抽吸作用，腔室中的蒸汽流出，使转子和喷嘴室得到冷却。
（3）高压转子双流式结构。1000MW级超超临界汽轮机通常采用高压转子双流式结构，作用在转子上的推力平衡，并有利于降低高温动叶片的应力。采用双流式高压转子结构，调节级后一小部分蒸汽经过180°转弯后，流径调节级叶轮上的冷却孔（斜孔）和喷嘴室外表面与转子之间的腔室，再流经双流喷嘴室中间小孔返回到调节级后，冷却喷嘴室和高压转子。在此流动过程中，冷却了高温喷嘴室和高压转子的外表面。调节级叶轮上打有斜孔，由于叶轮旋