汽轮机结构的基本特点

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汽轮机结构的基本特点


大功率汽轮机的运行特性除了与汽轮机的热力特性有关外，还受

其结构特点及系统特性的影响，尤其是转子、汽缸、动叶栅、静叶栅、轴

承、阀门等部件的性能，对运行的安全及经济性均产生重大影响。因此下

面将分析大功率汽轮机的结构特点。 随着汽轮机容量的增大，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足够的强度，汽缸、法兰、螺栓等设计制造

得十分笨重。以100MW汽轮机为例，汽缸壁厚达120mm，法兰水平宽度和厚

度分别达到320mm和400mm。

国产某200MW汽轮机高压转子长7.711m，重22.04t,低压转子长达

6.735m，重21.37t。如此尺寸和重量，使得加工、制造及安装非常复杂，

给运行也带来很多问题，如汽轮机启动时，将这些部件加热均匀是非常困

难的。概括起来，汽轮机结构具有以下特点：



一、采用多汽缸结构
随着汽轮机单机功率的增大以及进汽参数的提高，整机的理想焓降

会变得较大，在保证每一级最佳速比的前提下，则需要的级数会很多。如

果一个汽缸中容纳过多的级，则势必增加汽轮机转子的长度，这使转子的

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，

各段分别支承，因而也必须采用多汽缸结构。当然，采用多汽缸结构，还

有利与采用再热循环，使单机功率进一步提高；有利于机组轴向推力的平

衡；还可以扩大通流能力。现代大功率汽轮机均采用了多汽缸结构，而且

随着单机功率的增大，汽缸数会增加。必须指出，对于一定容量的机组，

采用汽缸的数目与整个机组的总体设计指导思想有关，还与采用的末级叶

片高度及叶片型式有关。

　

二、采用多排汽口
这是提高汽轮机单机功率的有效途径。例如，国产300MW汽轮机，

上海汽轮机厂采用的末级叶片高度为700mm，采用四排汽口，东方汽轮机

采用了1000mm的末级叶片(首台300MW汽轮机)，采用三排汽口结构。在末

级几何尺寸不变的情况下，可把低压缸设计成分流形式，这样可以成倍地

增加汽轮机的功率。
三、采用双轴系结构
为解决大功率汽轮机排汽口增多使转子过长的困难，可以设计成双

轴系结构，图1-7(f)为日本三菱公司制造的600MW汽轮机双轴系结构，两

轴系的转速均为3000r/min，第一轴系高压缸排汽经过一次再热后进入第

二轴系的中压缸，其排汽再分别引入两个轴系的低压缸。

需要指出的是，现代大功率双轴机组大多采用双转速。在相同的进

汽参数下，汽轮机的极限功率与转速的平方成反比，而汽轮机的单机功率

重量与转速成反比。因此，降低转速，可以有效地提高汽轮机的功率，但

又增加了汽轮机的重量。如果采用双转速，即大约一半功率由转速为3000

r/min的转子带动一台二极发电机承担，另外一半功率由转速为1500r/min

的转子带动一四极发电机承担，这样既提高了单机功率，而只有机组的低

速部分的材料消耗相对增加了目前我国设计制造的机组均为单轴系结构。

双轴系结构汽轮机曾在美国、日本等少数国家在一个时期内发展较

快，但它与单轴系汽轮机相比，造价较高，电站建设费用大，运行控制困

难，因此，近年来随着汽轮机制造水平的不断提高和完善，尤其是末级较

长叶片的研制成功，双轴系结构以较少采用。目前世界上最大的单轴系汽

轮机为1200MW机组，末级采用1200mm长的钛叶片。

四、高中压缸采用分流合缸方式
当一次再热机组的功率不是很大时，可把高压、中压通流部分配置

在一个共同的汽缸内，国产125MW机组、国产双排汽口300MW机组和引进美

国西屋公司技术生产的300MW机组均采用了这种结构，此种布置方式的优

点是：

1、高温区集中在汽缸中部，两端的温度、压力均较低，从而减少了

对轴承和端部汽封的影响，因而可以改善运行条件，并可减少部件

的热应力。

2、与分缸设计比较，由于减少了一个端部轴段，可以缩短主轴长

度， 减少了轴封漏汽量。

3、减少一个汽缸和一个中间轴承座，缩短机组长度，简化了机组

结构。

4、可平衡部分轴向推力。

五、采用单独阀体结构
大功率汽轮机采用了把蒸汽室和调解阀从高压缸的缸体上分离出去

，设计成单独的蒸汽室-调节阀体的结构型式，并布置于汽轮机两侧的

基础之上。阀体与汽缸之间可采用大半径弯管连接，并采用铰链支架将其

支承在基座上，如法国250MW机组和德国600MW机组，均为此种结构。某32

5MW超临界参数汽轮机，进汽管从固定与汽轮机两侧的四组主汽阀、调节

阀接出后，在进入汽轮机之前，先转过四个90度的大弯，然后两根从上面

，两根从下部与高压缸相连。在调节阀和汽缸之间的蒸汽管道上都有用螺

栓联接的法兰，这样不但可以减少奥氏体钢蒸汽管道上的焊缝数量，而且

便于开缸检修。

采用单独阀体结构，可以简化汽缸形状，减薄汽缸壁厚且使汽缸具

有良好的对称性，使汽缸能有均匀的温度分布，同时并可避免或较少运行

中产生的热应力和热变形。调节阀和主汽阀可以做成一个整体，使结构更

加紧凑，便于检修。

六、多层汽缸结构
太厚的汽缸壁会产生过大的热应力，因此，大容量机组均采用了此

种结构，如国产200MW汽轮机的高压缸采用内、外双层缸，国产300MW汽轮

机的高、中、低压缸均采用了双层缸。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，只需一般的合金

钢制造即可。双层缸结构对于汽轮机启动、停机时汽缸的加热与冷却均有

利，可以缩短启动时间。

低压缸也采用多层缸结构，一般为双层缸。对于低压缸，由于蒸汽

容积流量的增大其尺寸较大，并要保证其有足够的强度以及排汽通道有合

理的形状，以利用排汽余速。为了使得低压缸巨大外壳温度分布均匀，不

产生翅曲变形，低压缸一般采用了双层缸结构，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。内缸由于形状复杂

一般采用铸造结构。有的大功率机组三层低压缸的结构，这样做的原因是

低压外缸在可能发生各种变形的情况下，减小对流通部分间隙的影响。低

压缸采用双层缸也有其缺点，主要是低压缸受抽汽室内的蒸汽冷却，而抽

汽室又受排汽冷却，在一定程度上降低了热效率。

七、加长低压级叶片长度
各制造厂对末级叶片的开发极为重视，这是提高单机功率的有效途

径，但末级叶片的工作环境恶劣，长期处于最大湿度的蒸汽环境下，而且

易诱发颤振，工作应力又高，因此应特别考虑其强度问题。叶片的长度取

决于两个因素，一为冶金水平，是否能提供重量更轻、强度更高的叶片材

料，二为叶片设计的完善性，满足气体动力条件、振动强度等技术条件，

还要考虑叶片变工况运行特性，在最小允许流量下安全运行。当然，叶片

的长度还与汽轮机的额定转速有关。我国大机组一般额定转速为3000r/mi

n，实用最长的叶片为1000mm，用于东方汽轮机厂生产的首台300MW机上。

目前，世界上最长的汽轮机叶片为1320mm，用于1500MW、1800r/min的原

子能汽轮机上。下表列出了国内外某些汽轮机制造厂末级叶片的数据。

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