汽轮机汽缸铸件特点

汽轮机汽缸是汽轮机的外壳。

汽缸的作用主要是将汽轮机的通流部分(喷嘴、隔板、转子等)与大气隔开，保证蒸汽在汽轮机内完成做功过程。此外，它还支承汽轮机的某些静止部件(隔板、喷嘴室、汽封套等)，承受它们的重量，还要承受由于沿汽缸轴向、径向温度分布不均而产生的热应力。

汽轮机的汽缸一般制成水平对分式，即分上汽缸和下汽缸。为合理利用钢材，中小型汽轮机汽缸常以一个或两个垂直结合面分为高压段、中压段和低压段。大功率的 汽轮机根据工作特点分别设置高压缸、中压缸和低压缸。高压高温采用双层汽缸结构后，汽缸分内缸和外缸。汽轮机末级叶片以后将蒸汽排入凝汽器，这部分汽缸称 排汽缸。

1 导读

汽缸是为了将通流部分构成一个密封压力容器，以与外界大气隔绝。汽缸内安装着隔板、隔板套（持环）及许多其它静止部件。为了简化汽缸的结构，汽缸内设置隔板套（持环），利于设置抽汽腔室。汽缸通常分高压、中压、和低压汽缸。

6MW~135MW汽轮机，一般将高中低压汽缸综合成一体，以减小机组长度。但低压缸与高中压部分单独制造，在垂直结合面用螺栓进行拼缸。

700MW以上的汽轮机，为了提高单缸功率，简化进汽结构，高、中、低压缸分别独立。

大功率汽轮机都设计成多缸结构。如原国产300MW机组为四缸结构（高压缸、中压缸、低压缸A与B），国产引进型300MW机组为两缸结构（高中压合缸与低压缸）；

国产亚临界600MW机组为四缸结构，即由高压缸、中压缸、低压缸A与B组成；国产超临界600MW机组为三缸结构，即由高中压合缸、低压缸A与B组成；超超临界600MW机组为两缸结构，即由高中压合缸、低压缸组成。100万超超临界为四缸结构，即高压缸、中压缸、低压A与B组成。

2 汽缸的功能

2.1 基本要求

汽缸的受力要求：

1，承受本身和装在其内部零部件的重量

2，承受内外压差的作用力

3，承受沿汽缸轴向和径向温度分布不均匀而产生的热应力

4，承受隔板前后压差的作用力和蒸汽通过喷嘴时的反作用力

2.2 高中压汽缸设计要求

由于高中压汽缸承受着巨大的内外压差、温度梯度、汽缸本身及其内部静止部件的重量，并承担着外部管道接口的推力和推力矩，所以高中压汽缸设计的基本要求为：

(1）汽缸形状力求简单，回转体对称、壁厚均匀，在满足强度、刚度裕度要求的前提下，尽量减薄汽缸厚度。

(2）汽缸高温高压区域，尽量避免包含过多的低参数区段，以合理使用贵金属材料，要考虑具有合理的冷热工艺性。

(3)汽缸的支承方式应考虑热态下保证对中要求，并能保证汽缸胀缩可靠。

(4）与汽缸连接的进汽管、喷嘴室等必须具有良好的汽密性及足够的弹性补偿能力，减少高温部分的热变形传递到缸体上。

(5）要注意与制造设备的能力相适应，同时要保证汽缸顺利安装、揭缸以及运输。

2.3 低压缸的设计要求

由于低压外缸要承受巨大的真空载荷，所以低压外缸设计时要特别注意刚度在冷热态的变化，而低压内缸的对中、支承与低压外缸尽量减少联系或相互影响。总体而言，低压缸的设计基本要求：

(1) 结构简单，满足刚度要求。

(2) 合理分段。低压外缸的分部件设计，在保证刚度的前提下，要充分考虑选择合理的、方便工艺与运输的结构形式。

(3) 设置排大气阀及一定量的人孔门。

(4) 合理的支承方式及与其它部件的连接方式。

(5) 合理的排汽涡壳设计，以利于减小排汽总压损失，合理回收余速损失，提高整机效率。

3 汽缸的分类及结构特点

3.1 单层汽缸

单层汽缸多用于中、低参数汽轮机组。我厂生产的给水泵小机，热电联供抽汽机组等均采用单层缸结构。单层汽缸可分为两种结构：①蒸汽室与汽缸铸造成一体②蒸汽室与汽缸分开铸造

3.2 双层汽缸

随着汽轮机初参数、以及机组容量的不断提高，为满足汽缸的强度和密封要求，汽缸壁和水平法兰尺寸必须相应增大。汽轮机启动和变工况运行时，汽缸和法兰内外壁产生很大的温差，由此产生较大的热应力，为此双层缸结构应运而生。其分为内、外两层缸，其间的夹层与内缸的排汽或某中间级相通，则内外缸分别承受一部分压差与温差。

双层汽缸的优点：

⑴合理的分配缸内外承受的压差。汽缸壁和法兰厚度减少了。

⑵合理的区分温度区域

双层缸的优势是把高温蒸汽限制在喷嘴以后的内缸内，外缸则容纳的蒸汽温度往往很低，合理的区分温度区域，减少变工况运行时的温度差，也就减少了热应力，提高机组内在部套的使用寿命。加快了快速起停的速率。（起停时，汽缸冷却和加热都可加快，减少汽缸壁厚增加带来的汽缸温差应力，缩短开机时间）

⑶合理的选择材质。

内缸其所处高温区域，可选取相应较好的材料，外缸相对而言可选用相应的一般材质即可以满足设计要求。

⑷合理的组织缸口布置

汽轮厂生产的300mw，还有国产135mw机组采用的是外缸+持环结构，分压理念与双层缸结构相似。

3.3 筒形缸

其采用双层缸结构，内缸有垂直中分面用螺栓，紧固。外缸为筒形，端部设有端盖。

筒型汽缸的优点：

Ø圆筒形汽缸结构简单，结构基本对称，蒸汽和温度变化时，热应力较小，能够明显提高机组的启动速度。

Ø由于外缸无水平中分面，解决了汽缸热变形，和法兰翘曲漏气的现象。

Ø由于外缸无水平中分面法兰和螺栓连接，其可以应用于更高的初参数中。

筒形缸的装配检修方法如下

3.4 高中压合缸

优点：

⑴它的结构紧凑．节省跨距，有效地缩短了汽轮机的长度。

⑵进汽部分在汽缸中部，高、中压级反向布置，可平衡轴向推力

⑶高温部分集中在汽缸中段，两端轴承离高位区较远热影响较小

⑷内外缸夹层用蒸汽冷却。两端汽封漏气也较分缸结构少。

缺点：

⑴合缸后结构复杂，动静部分的差胀计算复杂。

⑵转子跨局增大从而要求提高转子刚度。

⑶汽缸自身的刚度，也因跨局的增加而降低，设计都应充分考虑

⑷尤其是高、中压进汽管均集中布置于汽缸中部，使得铸件更为复杂，这也是限制它在大功率机组上应用的原因之一，目前最大的高、中压合缸机组为600MW左右。

因其结节省跨局，降低成本。国产125MW~600MW等级机组高、中压外缸广泛采用高中压合缸结构。

3.5 低压缸

①铸造结构

缸的尾部设置轴承座，铸造汽缸的轴承座与汽缸整体铸出

②焊接结构

一般应用于中等功率等级的汽轮机上。它重量较轻。可以方便的采用各种型材加强汽缸的刚度。排汽温度不宜超过80℃，缸内设有喷水降温装置。

4 其他

4.1 汽缸的支撑方式

a.上猫爪支承

①中小功率汽轮机采用此种支撑方式。

②中分面螺栓承载下缸及其它部件重量。

③安装支承与运行支承不一致

b.下猫爪支撑

①大功率机组广泛采用此种支撑方式。

②安装支承与运行支承一致。

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4.2 低压缸的喷水装置喷水装置

设置原因：

汽轮机启动、空负荷及低负荷运行时，由于蒸汽流量小，不能带走鼓风摩擦所产生的热量，使排汽缸温度升高、汽缸变形，引起机组振动或发生事故。

工作过程：

喷水管沿着末级叶根布置在下半圆周上，其上钻有两排喷水孔，将水顺着汽流呈一定的倾斜角喷入排汽缸空间，起降温作用。（温度高于80℃自动投入，或机组转速达600r/min投入，带15%负荷后自动停止）

汽轮机汽缸及热膨胀

一、汽缸的用途和构造

1、作用：

a、将汽轮机的通流部分与大气隔开，保证蒸汽在汽轮机内完成其做工过程。

b、承受汽轮机目些静止部件的重量（隔板、喷嘴、汽封套等）

2、构造：中小型汽轮机采用单层缸，呈圆筒结构，具有水平中分面，分成上、下缸，用螺栓连接：汽缸为减少优质材料的消耗，还将汽缸分为高、低压缸。高压缸内蒸汽压力、温度较高，使用较好的铸钢，低压缸内的压力、温度相对较低，用一般铸钢制造，高低压缸之间用螺丝连接并加以密封焊。汽缸水平面的严密性要求严格，结合面处用0.05mm的塞尺不能塞入。上汽缸的高压端设有进气室，下缸设有抽气口、疏水口，上下缸均车有放置隔板用的隔板槽，汽缸两端中心孔处车有放置汽封套的凹槽。

二、汽缸受力分析

1、由于汽缸内外的压力差，是汽缸壁上承受一定的作用力

2、隔板和喷嘴加于汽缸的力

3、汽缸及汽缸上固定部件的重量

4、轴承座与汽缸铸为一体或轴承座与螺栓连接下汽缸的机组，转子的重量和转子转动是得不平衡力

5、小型机组的主气门、新蒸汽管道与汽缸连接，对汽缸盖的作用力

6、汽缸在运行中存在温度差引起的热应力

三、汽缸所承受的热应力

1、当负荷变化，机组各级温度、压力都要变化，于是汽缸沿长度方向产生温度差，使汽缸材料的热应力增大

2、由于汽缸内外的温度差，造成汽缸壁上的热应力

3、由于汽机高压端采用部分进气，使汽缸壁沿横断面方向的温度不同，从而造成材料内部的热应力

4、启动、停机，上下汽缸存在温差，形成汽缸沿横断面方向的热应力和热变形

5、汽机的热应力和热变形，在负荷剧烈波动时最大，也最危险，如迅速停机、急速启动、暖机不良等

四、汽缸的热膨胀及滑销系统

1、汽缸膨胀不合理的进行，造成问题

a、汽缸热应力过大，引起汽缸变形和裂纹，造成汽轮机振动加剧，汽缸漏气，

严重时使汽缸无法工作

b、汽缸内轴向和径向间隙改变，有时会造成汽封和动、静叶碰撞的严重事故

2、为满足运行要求，汽缸的热膨胀应满足以下

a、温度变化，汽缸和转子的中心必须始终保持一致，不能引起振动和动静部件的摩擦

b、温度变化，不会引起汽缸、轴承座等有关部件的变形、裂纹

c、汽轮机转子和静止部分的轴向间隙合乎要求，保证运行的安全、经济。

为满足以上要求，所以设置了滑销系统

横销：引导汽缸沿横向膨胀

纵销：引导汽缸沿轴向膨胀并推动前轴承座轴向移动，并保持轴承座与汽缸中心线一致

立销：引导汽缸沿垂直向膨胀，并保持汽缸和轴承中心一致

悬臂横销（猫爪）：保证汽缸在横向方向自由而正确的膨胀，同时随着汽缸在轴向的膨胀和收缩推动前轴承座前后移动，保持转子与汽缸的轴向相对位移

角销：代替连接前轴承箱与基础台版的螺丝，它还有和纵销相同的作用

斜销：一种辅助滑销，能起纵向和横向的双重作用

死点：位于横销与纵销中心线的交叉点。这个点在机组运行中是始终不动的，所以称为死点。

五、怎样在运行中发现汽缸变形

1、汽缸变形，可能造成汽缸水平或垂直接合面不严密而漏气，多发生在高、低压端轴封附近，有时因蒸汽漏入轴承而破坏润滑

2、低压缸变形严重，空气会漏入凝结器破坏真空

3、汽缸变形严重时，会造成轴封的磨损和气缸内动、静部分的碰撞，并是震动加大

六、造成汽缸变形的原因

1、运行中，汽缸温度长时间超过材料允许的温度

2、汽缸隔板与汽缸壁间隙过小，使隔板膨胀时抵住汽缸壁

3、汽缸外部的保温不好或部分脱落，造成汽缸各部温度偏差过大

4、滑销系统卡涩，不能保证机组正常膨胀

七、怎样发现汽缸裂纹

汽缸出现裂纹时，首先是汽缸保温材料局部潮湿、渗水，然后是逐渐漏气，低压缸裂纹会漏入空气，破坏真空

八、汽缸裂纹的原因

1、汽缸材料质量不好

2、机组运行方式不合理，如暖及不良开机，负荷剧烈波动，汽机长受水击、排气温度过高、汽缸突然遇冷

3、汽轮机长时间剧烈震动

4、转动部件损伤后，强力冲击汽缸

九、运行中怎样预防汽缸裂纹和变形

1、根据汽缸材料和特点，科学的制定其工作最高点，运行中严格注意，不允许长时间超过此温度

2、尽量防止汽轮机运行方式剧烈变化

3、定期监视汽缸各处的热膨胀值

4、保持滑销的清洁

5、监视汽缸接合面有无漏气、渗水现象

6、保持汽缸保温的完好

7、注意机组各处的振动和异音，发现异常及时分析处理