AP1000汽輪機(jī)主要設(shè)備結(jié)構(gòu)淺析

摘要：AP1000核電機(jī)組汽輪機(jī)采用日本三菱重工技術(shù)，關(guān)鍵重要部件進(jìn)口，由哈爾濱汽輪機(jī)廠和三菱聯(lián)合供貨。文章介紹了AP1000汽輪機(jī)主要設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，主要從汽輪機(jī)主閥門(mén)、低壓缸、高壓缸、低壓葉片和汽輪機(jī)定位等幾個(gè)方面進(jìn)行了闡述，并在闡述過(guò)程中分析了其優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：AP1000；汽輪機(jī)；主要設(shè)備；結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；核電機(jī)組 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：TK261 文章編號(hào)：1009-2374（2016）14-0054-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.14.028

1 AP1000汽輪機(jī)設(shè)備簡(jiǎn)介

AP1000核電機(jī)組汽輪機(jī)采用日本三菱重工技術(shù)，關(guān)鍵重要部件進(jìn)口，由哈爾濱汽輪機(jī)廠和三菱聯(lián)合供貨。汽輪機(jī)為工作轉(zhuǎn)速1500轉(zhuǎn)/分的半轉(zhuǎn)速型、單軸、四缸六排汽的反動(dòng)凝汽式汽輪機(jī)，末級(jí)動(dòng)葉片長(zhǎng)1375mm，額定輸出功率為1251MW。汽輪機(jī)組由1臺(tái)高壓缸和3臺(tái)低壓缸及其輔助設(shè)備組成，輔助設(shè)備包括主汽閥和主調(diào)閥、MSR、盤(pán)車(chē)裝置、轉(zhuǎn)子軸承、潤(rùn)滑油系統(tǒng)、軸封系統(tǒng)和儀表控制等系統(tǒng)。主汽閥和主調(diào)閥布置在高壓缸兩側(cè)，高壓轉(zhuǎn)子和三個(gè)低壓轉(zhuǎn)子通過(guò)剛性聯(lián)軸器聯(lián)接成一個(gè)軸系，再通過(guò)剛性聯(lián)軸器與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子相聯(lián)。兩臺(tái)臥式汽水分離器（MSR）布置在汽輪機(jī)本體兩側(cè)，用于接收高壓缸排汽，通過(guò)二級(jí)加熱后將蒸汽輸送至三臺(tái)低壓缸中。

2 汽輪機(jī)主要設(shè)備結(jié)構(gòu)

在汽輪機(jī)組中，主汽閥和主調(diào)閥、低壓缸、高壓缸是最重要的設(shè)備，其中主汽閥和主調(diào)閥對(duì)汽輪機(jī)的控制調(diào)節(jié)和保護(hù)起著重要作用，高壓缸和低壓缸模塊是汽輪機(jī)本體最主要的組成設(shè)備。另外，低壓末級(jí)葉片結(jié)構(gòu)和防濕對(duì)機(jī)組通流效率和運(yùn)行壽命有很大影響，汽輪機(jī)滑銷(xiāo)系統(tǒng)對(duì)機(jī)組的定位和運(yùn)行安全性同樣起至關(guān)重要的作用。在這里也將對(duì)以上部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)要分析：

2.1 主汽閥和主調(diào)閥

汽輪機(jī)共有4個(gè)主汽門(mén)（MSV）和4個(gè)主調(diào)門(mén)（GV），組成2臺(tái)聯(lián)合閥組布置在高壓缸兩側(cè)，每個(gè)聯(lián)合閥組兩端為MSV，中間為2臺(tái)GV，如圖1所示。其中一個(gè)主汽閥的進(jìn)汽端用剛性支撐，另一進(jìn)汽端為撓性支撐，用于平衡閥門(mén)軸向膨脹力和振動(dòng)。4臺(tái)主汽閥為帶先導(dǎo)閥的非平衡活塞式閥門(mén)，主調(diào)閥為帶消音器的平衡活塞式閥門(mén)。

在主汽閥的結(jié)構(gòu)中，設(shè)置了一個(gè)先導(dǎo)閥（pilot valve）。在機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中，首先開(kāi)啟先導(dǎo)閥，確保汽輪機(jī)部件均勻受熱，并且在汽輪機(jī)從靜止升速至額定轉(zhuǎn)速的過(guò)程中，先導(dǎo)閥保持全開(kāi)狀態(tài)，以減小閥座附近的蒸汽速度，從而減小蒸汽對(duì)閥座的直接沖擊和腐蝕?？紤]到安裝空間的限制，MSV的油動(dòng)機(jī)垂直于閥桿運(yùn)動(dòng)方向，為此在兩者之間設(shè)置一套連桿傳遞裝置，如圖2所示。MSV容易出現(xiàn)的問(wèn)題主要有倒密封部件、閥桿與閥套之間出現(xiàn)腐蝕、十字接頭定位銷(xiāo)和閥桿定位孔不準(zhǔn)、閥芯和閥座結(jié)合面不好的問(wèn)題，后續(xù)需要定期進(jìn)行檢查維護(hù)。

4臺(tái)主調(diào)閥（GV）為帶消音器的平衡活塞式閥門(mén)，這主要是考慮到GV在汽輪機(jī)汽量調(diào)節(jié)中使用頻繁。在閥門(mén)的閥芯上開(kāi)平衡孔，降低閥門(mén)打開(kāi)所需的力度，在閥芯外層還設(shè)置有消音器，這是為了降低閥門(mén)在較小開(kāi)度時(shí)，由于汽流的沖擊而造成的噪音。

在MSR至低壓缸的每根蒸汽管道上，分別設(shè)置1臺(tái)再熱主汽閥（RSV）和1臺(tái)再熱調(diào)閥（ICV）。再熱主汽閥和再熱調(diào)閥均為蝶型閥，結(jié)構(gòu)開(kāi)關(guān)方便，且全開(kāi)時(shí)壓力損失小，在每個(gè)再熱主汽閥和再熱調(diào)閥閥桿汽封裝置處均裝有閥桿漏氣收集管理。閥板是支撐在閥桿上的，閥桿受力較大，因此閥桿上設(shè)有球面軸承以吸收閥桿的變形。同時(shí)在軸承內(nèi)表面和軸承座圈上設(shè)置有DU墊片以減小摩擦。

2.2 低壓缸

2.2.1 低壓內(nèi)、外缸結(jié)構(gòu)。AP1000低壓缸采用三菱傳統(tǒng)的低壓缸體結(jié)構(gòu)，即外缸和內(nèi)缸分別支撐在平臺(tái)基礎(chǔ)上，使內(nèi)缸和外缸相互分離。內(nèi)缸由下半部的4個(gè)撐腳水平支撐在基座上，使重量由基座直接承擔(dān)，如圖3所示：

這樣的結(jié)構(gòu)有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）使外缸和軸系互不關(guān)聯(lián)，保證低壓轉(zhuǎn)子在運(yùn)行工況改變的情況下垂直位置不發(fā)生改變，保持高度同心度；（2）低壓內(nèi)缸中靜止部件不受外缸變形影響；（3）軸封直接由位于基座上的軸承箱支撐，避免轉(zhuǎn)子和軸封之間的摩擦。

2.2.2 內(nèi)缸通流部分結(jié)構(gòu)。低壓缸內(nèi)缸通流部分采用對(duì)稱分流排汽設(shè)計(jì)，兩側(cè)各10級(jí)動(dòng)、靜葉片，其中前5級(jí)為一組蒸汽室固定在一個(gè)隔板套上，6、7級(jí)靜葉片固定在一個(gè)隔板套上，末3級(jí)葉片考慮其體積和重量都較大，因此采用獨(dú)立隔板套固定方式。

低壓轉(zhuǎn)子材料為低合金鋼（3.5%NiCrMoV 鋼）鍛件，與套裝轉(zhuǎn)子相比，可減小離心切向應(yīng)力，減小汽輪機(jī)產(chǎn)生飛射物的概率。葉輪和聯(lián)軸器與主軸鍛造為一個(gè)整體，葉輪重量減小。每個(gè)汽機(jī)轉(zhuǎn)子裝有兩個(gè)徑向滑動(dòng)軸承，均為強(qiáng)制潤(rùn)滑型。

在低壓缸與軸封之間通過(guò)金屬波紋節(jié)連接，金屬波紋節(jié)固定在低壓外缸上，用于吸收缸體變形，波紋節(jié)內(nèi)圈與汽封體相連接。低壓缸底部通過(guò)柔性膨脹接頭與冷凝器外殼連接。1號(hào)和2號(hào)低壓轉(zhuǎn)子之間以及2號(hào)和3號(hào)低壓缸轉(zhuǎn)子之間用短軸連接。

在每個(gè)低壓缸外缸頂部，共有4個(gè)大汽閥組件，用于在低壓缸內(nèi)部壓力超壓時(shí)釋放壓力，爆破膜正常動(dòng)作壓力在34kPa，并與低真空機(jī)械跳機(jī)裝置連鎖。

2.3 高壓缸

2.3.1 高壓缸通流部分。高壓缸通流部分同樣為對(duì)稱分流布置，為了提高汽輪機(jī)的效率，在設(shè)計(jì)上不采用調(diào)節(jié)級(jí)。隔板套支撐于缸體的水平接合面，并在水平和底部設(shè)有定位銷(xiāo)以固定隔板套隨溫度變化膨脹或收縮過(guò)程中的軸向位置。高壓缸的10級(jí)靜葉片安裝在兩套獨(dú)立的隔板套上，但靜葉的分布為非對(duì)稱，調(diào)端前4級(jí)葉片安裝在1號(hào)隔板套上，后6級(jí)安裝在2#隔板套上，而電端為前3級(jí)安裝在1號(hào)隔板套上，后7級(jí)安裝在2#隔板套上，如圖5所示：

高壓轉(zhuǎn)子為合金鋼整鍛件且經(jīng)過(guò)精加工而制成，材料為鎳鉻鋼（ASTM A470），主軸與葉輪采用一體鍛造工藝，避免套裝轉(zhuǎn)子在高溫下葉輪和軸之間的松動(dòng)問(wèn)題，有利于機(jī)組快速啟動(dòng)。高壓轉(zhuǎn)子采用無(wú)中心孔整鍛轉(zhuǎn)子，因此維修中不必做周期性中心孔檢查，從而減少維修費(fèi)用。在高壓缸動(dòng)、靜葉片之間選擇了最佳的動(dòng)、靜葉片軸向間隙距離，使得動(dòng)葉片上飛出的水滴隨著動(dòng)、靜葉片間隙的增大而變小，從而有更長(zhǎng)的時(shí)間被再次霧化，減輕沖蝕。

2.3.2 高壓缸定梁。高壓缸通過(guò)四個(gè)貓爪支撐在汽輪機(jī)前箱以及低壓1號(hào)軸承箱上。其中高壓缸電端為固定端，通過(guò)定中心梁將高壓缸缸體的膨脹傳遞至前箱，如圖6所示。前箱相對(duì)臺(tái)板可以滑動(dòng)，通過(guò)兩者之間的軸向鍵配合，確保高壓缸與前箱只能沿軸向膨脹和收縮。

汽輪機(jī)發(fā)生膨脹時(shí)，每個(gè)低壓缸和軸承箱分別以各自的膨脹死點(diǎn)為中心向軸向兩端膨脹，并通過(guò)定中心梁將能量傳遞給高壓缸和前箱。

2.4 低壓末級(jí)葉片

2.4.1 末級(jí)動(dòng)葉片。AP1000汽輪機(jī)組采用反動(dòng)式葉片，末級(jí)葉片采用54英寸（1375mm）的三維ISB型葉片，如圖7所示。增大的葉根可降低60%的靜應(yīng)力，同時(shí)改善應(yīng)力腐蝕裂紋和腐蝕疲勞動(dòng)。葉為整體圍帶結(jié)構(gòu)，葉片的圍帶和拉筋之間留有安裝間隙，這樣可以保證機(jī)組運(yùn)行末級(jí)動(dòng)葉在發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)，圍帶和拉筋之間相互咬合，加強(qiáng)動(dòng)葉強(qiáng)度。在動(dòng)葉頂部裝有彈性汽封，可以減少漏汽損失，提高機(jī)組通流效率。

若某個(gè)葉片發(fā)生振動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生阻尼效應(yīng)，周?chē)娜~片可以逐步將振動(dòng)吸收，而不會(huì)對(duì)整個(gè)動(dòng)葉柵產(chǎn)生影響。末級(jí)葉片的葉根也有改進(jìn)，采用比常規(guī)葉片更大、更深的樹(shù)形葉根，增加了葉根與葉輪的接觸面積，并且葉根轉(zhuǎn)角處弧度可以設(shè)計(jì)得更大，減小應(yīng)力集中。同時(shí)在動(dòng)葉頂部裝有彈性汽封，減少漏汽損失，提高汽輪機(jī)通流效率。但是，末級(jí)葉片高度的增加也會(huì)引起葉輪旋轉(zhuǎn)應(yīng)力的增加，在增大末級(jí)葉片高度提高汽輪機(jī)效率的同時(shí)，為避免葉片由于旋轉(zhuǎn)離心力引起的拉伸應(yīng)力過(guò)大，AP1000汽輪機(jī)選擇半轉(zhuǎn)速（1500rpm）型。應(yīng)力公式為：

б=MRw2

式中：M為動(dòng)葉片的質(zhì)量；R為動(dòng)葉片平均旋轉(zhuǎn)半徑；w為角速度。

可知在理論情況下，在M和R相差不大的情況下，半轉(zhuǎn)速型汽輪機(jī)葉片所受的應(yīng)力為全轉(zhuǎn)速的1/4，實(shí)際工況下比例在1∶1.3～1∶2之間，所以半轉(zhuǎn)速的選擇很好地平衡了末級(jí)葉片高度增加帶來(lái)的應(yīng)力變化。

2.4.2 末級(jí)靜葉片。低壓末級(jí)靜葉片采用空心葉片，表面有吸水縫，能夠破壞水膜，減少大體積水滴產(chǎn)生，并通過(guò)壓力差使水滴進(jìn)入靜葉空腔，空心靜葉通過(guò)環(huán)形通道與壓力較低的凝汽器連通，形成負(fù)壓。通過(guò)吸水縫的結(jié)構(gòu)，降低了通流部分的濕度和蒸汽沖蝕，提高通流效率。另外，在LP末三級(jí)靜葉片表面上設(shè)置捕水器，將水捕捉后排出，捕水器根據(jù)水珠受離心力的作用被拋向外緣的原理設(shè)計(jì)，當(dāng)水珠被拋向外緣后，經(jīng)過(guò)捕水口槽道進(jìn)入環(huán)形捕水室，然后通過(guò)疏水孔流入凝汽器，減少蒸汽對(duì)末級(jí)葉片的沖擊，如圖8所示：

2.5 汽輪機(jī)定位結(jié)構(gòu)

汽輪機(jī)在啟動(dòng)或停機(jī)過(guò)程中，汽輪機(jī)的各個(gè)零件部分的溫度都會(huì)發(fā)生很大變化，為了保證汽輪機(jī)缸體等部件的正確膨脹和定位，同時(shí)保證汽輪機(jī)缸體的正確對(duì)中，汽輪機(jī)設(shè)計(jì)了合理的滑銷(xiāo)系統(tǒng)。

AP1000汽輪機(jī)組配置多死點(diǎn)的滑銷(xiāo)系統(tǒng)，包括低壓外缸的滑銷(xiāo)系統(tǒng)、低壓內(nèi)缸的滑銷(xiāo)系統(tǒng)、軸承箱的滑銷(xiāo)系統(tǒng)（不包含前箱軸承箱），共形成整個(gè)軸系的7個(gè)絕對(duì)死點(diǎn)。其中低壓缸外缸的軸向中心由撐腳與臺(tái)板之間的鍵來(lái)固定，徑向中心由預(yù)埋在軸承箱兩側(cè)下部的鍵與外缸下半缸上的擋板固定，軸向和徑向的中心線交點(diǎn)形成低壓外缸的絕對(duì)死點(diǎn)；低壓缸內(nèi)缸也由4個(gè)銷(xiāo)組成，位于低壓缸外缸的喉部支撐梁上，形成低壓內(nèi)缸的絕對(duì)死點(diǎn)。

3 結(jié)語(yǔ)

AP1000作為三代百萬(wàn)千瓦級(jí)核電機(jī)組，汽輪機(jī)運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性都尤為重要。本文從蒸汽控制主閥門(mén)、低壓模塊、高壓模塊和低壓葉片等方面對(duì)汽輪機(jī)設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)要闡述，這些結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的參數(shù)設(shè)計(jì)，對(duì)于提高機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性、減小設(shè)備損耗、提高機(jī)組效率有很大作用。

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作者簡(jiǎn)介：程序，男，遼寧沈陽(yáng)人，供職于三門(mén)核電有限公司，研究方向：調(diào)試計(jì)劃。

（責(zé)任編輯：王 波）