[发明专利]空冷式高参数汽轮机高中压缸性能与结构设计及监控方法

摘要

本发明提供了空冷式高参数汽轮机高压缸与中压缸的性能与结构设计方法、性能监控方法及结构安全性监控方法。通过在设计阶段对高压缸与中压缸的进汽和排汽参数设计、流量与结构尺寸模化设计、焓降优化分配与变反动度设计等新技术来保证空冷式高参数汽轮机高压缸与中压缸的功率与热力性能优良。通过在设计阶段对高压缸与中压缸的结构设计、材料设计、动叶片强度振动设计、转子蠕变与强度及寿命设计、内缸蠕变与强度及寿命设计、汽缸严密性设计等新技术来保证空冷式高参数汽轮机高压缸与中压缸的结构安全性。达到了通过性能优化与结构改进的设计监控方法，来优化与控制空冷式高参数汽轮机高压缸与中压缸的热力性能与结构安全性能的技术效果。

主权项

1.一种空冷式高参数汽轮机高压缸与中压缸的性能与结构设计方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：设计高压缸的进汽参数；空冷式高参数汽轮机高压缸的进汽压力为25MPa‑45MPa，空冷式高参数汽轮机高压缸的进汽温度为600℃‑760℃；步骤二：设计汽轮机的再热次数；空冷式高参数汽轮机采用一次再热；步骤三：设计中压缸的一次再热进汽参数；空冷式高参数汽轮机中压缸的进汽压力为高压缸的进汽压力的15％‑25％，空冷式高参数汽轮机中压缸的进汽温度为600℃‑780℃；步骤四：设计高压缸的排汽压力；空冷式高参数汽轮机高压缸的排汽压力为中压缸的进汽压力的108％‑112％；步骤五：设计中压缸的排汽压力；空冷式高参数汽轮机中压缸的排汽压力为0.4MPa‑1.0MPa；步骤六：设计低压缸的排汽压力；额定工况下，空冷式高参数汽轮机的低压缸排汽压力为10kPa‑16kPa；步骤七：设计高压缸与中压缸的结构与布置；空冷式高参数汽轮机采用高压缸和中压缸的分缸结构，空冷式高参数汽轮机的高压缸和中压缸采用串联布置；步骤八：设计高压缸的结构；空冷式高参数汽轮机的高压缸的通流部分采用单流式的反向流动结构，高压缸的进汽侧位于中压缸侧，高压缸的排汽侧位于主油泵侧；步骤九：设计中压缸的结构；空冷式高参数汽轮机的中压缸的通流部分采用双流结构，中压缸的进汽侧位于双流中压缸的中部，中压缸的排汽侧位双流中压缸的两侧；步骤十：设计高压缸的平衡活塞；空冷式高参数汽轮机的高压转子的进汽侧的轴封部位设计平衡活塞，以平衡高压转子的轴向推力；步骤十一：设计高压汽缸结构；空冷式高参数汽轮机的高压汽缸采用高压内缸与高压外缸的双层缸结构；步骤十二：设计高压内缸结构；空冷式高参数汽轮机的高压内缸采用无中分面外伸法兰的筒形缸结构；步骤十三：设计高压外缸结构；空冷式高参数汽轮机的高压外缸采用筒形外缸，所述筒形外缸无水平中分面，所述筒形外缸具有垂直径向中分面；步骤十四：设计中压汽缸结构；空冷式高参数汽轮机的中压汽缸采用中压内缸与中压外缸的双层缸结构；步骤十五：设计叶片型线；空冷式高参数汽轮机的高压通流部分与中压通流部分采用反动式叶型和弯扭复合叶型；步骤十六：设计叶顶围带；空冷式高参数汽轮机的高压转子与中压转子的动叶片的叶顶围带，采用动叶片预扭的自带冠结构，在动叶片顶部形成预紧力；步骤十七：设计叶根结构；空冷式高参数汽轮机的高压转子与中压转子的动叶片，采用双倒T型和倒T型叶根结构，以减少叶根漏汽；高压转子与中压转子的前3级动叶片采用双倒T型叶根结构，高压转子与中压转子的其他动叶片采用倒T型叶根结构；步骤十八：设计叶顶汽封；空冷式高参数汽轮机的高压转子与中压转子的动叶片的叶顶采用曲径汽封，以减少叶顶漏汽；步骤十九：设计静叶环汽封；空冷式高参数汽轮机的高压缸与中压缸的静叶环的转子侧采用曲径汽封，以减少静叶环漏汽；步骤二十：动叶片材料；针对空冷式高参数汽轮机高压缸与中压缸的动叶片，工作温度超过600℃的动叶片材料采用镍基合金，其他动叶片材料采用12％铬钢；步骤二十一：转子材料设计；针对空冷式高参数汽轮机的高压转子和中压转子，进汽温度为600℃‑620℃的转子材料采用FB2，进汽温度为620℃‑630℃的转子材料采用FW2，进汽温度为630℃‑650℃的转子材料采用奥氏体钢或镍基合金，进汽温度超过650℃‑780℃的转子材料采用镍基合金；步骤二十二：阀壳材料设计；针对空冷式高参数汽轮机的高压阀壳和中压阀壳，进汽温度为600℃‑630℃的阀壳材料采用CB2，进汽温度为630℃‑650℃的阀壳材料采用奥氏体钢或镍基合金，进汽温度超过650℃‑780℃的阀壳材料采用镍基合金；步骤二十三：转子与汽缸的材料匹配；对于空冷式高参数汽轮机的高压缸与中压缸，将内缸材料与转子材料设计为同类钢种，以保证瞬态工况高压缸与中压缸的动静间隙；步骤二十四：级的焓降分配；对于空冷式高参数汽轮机的高压缸与中压缸，各级等熵焓降按照焓降多项式分布规律分配；步骤二十五：级的反动度设计；对于高参数空冷式汽轮机的高压缸与中压缸，各级反动度按照反动度多项式分布规律设计；步骤二十六：计算夏季工况的流量比；空冷式高参数汽轮机夏季工况的排汽压力为30kPa‑36kPa，湿冷汽轮机夏季工况的排汽压力为8.8kPa‑12.8kPa，在相同进汽参数的条件下，计算得出空冷式高参数汽轮机的等熵焓降H_s1与相同进汽参数的湿冷汽轮机的等熵焓降H_s01，汽轮机的电功率N_e与流量G、等熵焓降H_s、汽轮机相对内效率η_0i、机械效率η_m、发电机效率η_g之间的关系式为N_e＝G×H_s1×η_0i×η_m×η_g，在进汽参数、电功率N_e、相对内效率η_0i、机械效率η_m和发电机效率η_g相同以及电功率N_e相差20％以内的条件下，夏季工况的空冷式高参数汽轮机流量G₁与湿冷汽轮机流量G₀₁的流量比F_R1的计算公式为：式(1)中，G₁为空冷式高参数汽轮机夏季工况的流量，G₀₁为电功率相差20％以内的湿冷汽轮机夏季工况的流量，N_e1为空冷式高参数汽轮机夏季工况的电功率，N_e01为湿冷汽轮机夏季工况的电功率；步骤二十七：确定空冷式高参数汽轮机的流量；已有相同进汽参数的湿冷汽轮机的投运业绩和高压缸与中压缸各级流量G_0i，为了保证空冷式高参数汽轮机的电功率，空冷式高参数汽轮机的各级流量G_i的计算公式为：G_i＝G_0i×F_R1  (2)式(2)中，F_R1为空冷式高参数汽轮机夏季工况的流量比；步骤二十八：确定空冷式高参数汽轮机的模化比；已知空冷式高参数汽轮机夏季工况的流量比F_R1，空冷式高参数汽轮机的模化比S_F的计算公式为：步骤二十九：空冷式高参数汽轮机高压缸的模化放大；空冷式高参数汽轮机的高压缸的结构设计，在湿冷汽轮机的基础上采用模化设计法，已有相同或相近功率、进汽压力与温度相同的湿冷汽轮机高压缸的主要结构尺寸，乘以空冷式高参数汽轮机的模化比S_F，得出空冷式高参数汽轮机的高压缸的主要结构尺寸；步骤三十：空冷式高参数汽轮机中压缸的模化放大；空冷式高参数汽轮机的中压缸的结构设计，在湿冷汽轮机的基础上采用模化设计法，已有相同或相近功率、进汽压力与温度相同的湿冷汽轮机中压缸的主要结构尺寸，乘以空冷式高参数汽轮机的模化比S_F，得出空冷式高参数汽轮机的中压缸的主要结构尺寸。