超超临界660MW汽轮机设计特点 
袁永强 
（东方汽轮机有限公司） 
摘要：简要介绍东方引进型660MW超超临界汽轮机的结构以及在可靠性设计方面的技术特点，针对超超临界机组的特点做了特别设计。说明该机是采用当今先进技术开发的具有效率高，安全可靠，运行灵活和维护方便的新一代超超临界汽轮机。 
国内常用的评价指标和日立的评价方法。 
关键词：超超临界、结构、设计、可靠性 
0前言 
由于环境压力加重以及提高能源利用率的经济效益双重驱动，新建燃煤发电站逐步向高参数、大容量方向发展。并主要以超临界、超超临界参数的600MW等级以上机型为发展目标。东方引进型超超临界660MW汽轮机采用了初参数25MPa/600℃/600℃的机型，就是采用当今先进技术开发的具有效率高，安全可靠，运行灵活和维护方便等特点的新一代超超临界汽轮机。 
本文就该机型的总体结构、针对高参数、大容量汽轮机可靠性设计的要点等作一概貌性介绍。 
1 总体结构 
东方超超临界660MW汽轮机为单轴三缸四排汽型式，从机头到机尾依次串联高中压缸（逆流高压缸、顺流中压缸）及两个双流低压缸。高压缸呈反向布置（头对中压缸），由一个单流调节级与7个单流压力级组成。中压缸共有6个压力级。两个低压缸压力级总数为2×2×7级。末级叶片高度为1016mm(40″),采用一次中间再热，汽轮机总长为27.70m，汽轮发电机组总长41.3m。其纵剖面图如图1所示。 
该机型高中压模块采用日立苫东厚真超超临界700MW模块,已于2002年6月投运,曾创造日本火电机组最高热效率记录；低压模块采用600MW等级超临界机组成熟的40″低压模块，并已在国内常熟、阜阳、首阳山等工程成功投运。该机型已在国内安徽芜湖工程中使用并投入运行，因此东方引进型超超临界660MW汽轮机具有机型继承性好、技术先进、成熟可靠等特点。
图1 东方引进型超超临界660MW汽轮机纵剖面图 
2 汽轮机的设计和结构特点 
2．1 总体特点 
该机型具有超群的热力性能；优越的产品运行业绩及可靠性；高效、高可用率、容易维护、检修所花时间少、运行灵活、快速启动及调峰能力。 
汽轮机三根转子各由两只径向轴承来支承，属于传统成熟结构；安装维护方便，轴承跨距小，转子刚度高，厂内高速动平衡状态的动力特性与现场转子工作状基本相同，减少现场动平衡量；而且轴承工作比压相对较低，在一般轴承比压设计范围内，联轴器螺栓受力较小，汽机转子能平稳安全运行。 
该机型采用以下在多台相近蒸汽参数和相同容量的机组得到验证的设计和结构特征，来保证机组具有高的可靠性和运行高效率。 
●模块设计 ●采用成熟可靠结构 
●高效率冲动式叶型 ●选用合适的材料来适应高蒸汽参数 
●对高温部件作特殊精心设计 ●可靠的防止固体微粒腐蚀的技术 
●高中压缸为双层缸结构 ●汽缸采用水平中分面、窄高法兰，并采用合理的螺栓冷却加热系统 
●中心线支承方式 ●汽缸和隔板精确的同心度 
●经过验证的叶片固定方式 ●每个转子配有独立的双轴承支撑 
●对轴系稳定性进行了慎密校核 ●实心整锻转子，轮盘式转子结构 
●低压缸为三层缸结构，防止热变形 ●铁素体不锈钢汽封 
●径向汽封，动静间隙合理 ●全部隔板采用焊接结构 
●结构上有足够的疏水槽 ●钢台板支撑 
●先进的低压缸喷水系统 ●测温元件可在线更换 
●转子厂内高速动平衡和超速试验，将不平衡量降到最小 
●高效、高可靠性的阀门 ●面向用户的设计、检修维护方便 
2.2 高中压模块 
该机型为冲动式汽轮机，具有通流级数少，采用静叶强度很好的隔板结构，动叶刚度大，叶片强度安全裕度大等特点；采用高中合缸结构，如图2所示。其优点如下： 
●缩短汽轮机的总长度，有利于机组的启动过程中的顺利膨胀，缩短启动时间，节约启动费用，减小基建及厂房投资。 
●减少了支持轴承个数，可降低轴承损失，提高效率并减少维护费用。 
●将分缸机组的高压前汽封与中压前汽封合为一个中间汽封，减小了轴端汽封数量，节省了维护费用，中间汽封的漏汽进入中压进汽继续在中压部分作功，减小了漏汽损失，同时中压第一级可得到高中压间轴封漏汽的冷却作用，增加了中压第一级叶轮的安全可靠性。 
●高压进汽部分集中在汽缸中部，有利汽缸及转子形成较平坦的温度梯度，减少这些部件的变形和热应力。高中压转子的支持轴承位于汽轮机的高压及中压排汽侧，减少了高温部件对轴承的热影响，有利于提高轴承工作的可靠性。 
●两端猫爪采用水平中分面支承，避免热态时静子中心变化。 
●螺栓冷却加热系统：缸中分面高温段螺栓孔设计有小孔，利用螺栓小孔内蒸汽的自动倒流，启动过程中对螺栓进行加热，正常运行时对螺栓进行冷却，从而减少螺栓与法兰间温差,降低正常运行时螺栓使用温度，提高螺栓抗松弛性能。 
●端汽封及隔板汽封、径向汽封齿采用软态铁素体材料，不仅出厂前硬度较低，而且淬火也难以淬硬，减小了动静碰磨对机组安全运行的影响。 
●利用高压三级后蒸汽对中压转子进汽部分进行冷却，见图3。 


图3 转子冷却系统 图4 进汽部分冷却 
●为降低高中压外缸所承受的汽流温度，进汽部分结构特殊设计，使新蒸汽不通过高中压外缸缸体，直接进入内缸进汽室；因些引入冷却蒸汽对高中压外缸内壁进行隔离与冷却，见图4。 
2.3 高中压阀门 
高压主汽阀调节阀布置在机组机头正中，采用浮动悬吊支撑结构，见图5；中压联合汽阀布置在中压缸两侧，采用单支点弹簧支撑结构，见图6；阀门及操纵机构悬吊于运行平层以下，保持运行平层的整洁美观，浮动的悬吊结构方便了基础设计。 
阀门设计采用先进的阀座阀碟型线、合理的卸载防漏结构等技术。阀门具有：经济性高、阀门压损小、汽流稳定性好以及阀杆阀碟行程波动小等特点。 
高压主汽阀的设计特点主要有： 
●圆盘式卸载阀可使主汽阀快速关闭； 
●阀杆套筒和阀杆上密封凸台的配合面上堆焊有司太立合金，当阀门全开时，保证密封面接触良好，防止蒸汽漏泄，而且预防了由于阀杆和套筒结垢引起的阀杆卡涩现象； 
●设有蒸汽滤网，可防止异物通过阀门进入汽机通流部分，滤网分永久滤网、临时细目滤网。后种滤网供初期起动或锅炉检修后防止小颗粒异物进入汽机用。 
调节阀的设计特点主要有： 
●阀座与阀碟的球型密封表面堆焊有一圈司太立合金，以保证良好的密封； 
●各自的油动机具有足够的功率裕度以克服较大的阀门惯性力以及较高的初蒸汽压力； 
●通过专门设计的电气凸轮来实现“复合调节方式”的配汽。 
中压调节阀为球型阀，而中压主汽阀是套阀，两者共用一个阀座，中压调节阀和中压主汽阀能各自独立地、互不干扰地全行程移动，不受对方位置的影响。中压调节阀和中压主汽阀均为液压开启，弹簧关闭。其设计特点是： 
●圆盘式卸载阀可使用再热主汽阀快速关闭； 
●设有蒸汽滤网，以防止异物经过阀门进入汽轮机本体； 
●阀座采用螺栓固定在阀壳内，拆卸方便； 
●阀杆套筒和阀杆上密封凸台的配合面上堆焊有司太立合金，当阀门全开时，保证密封面接触良好，防止蒸汽漏泄，而且预防了由于阀杆和套筒结垢引起的阀杆卡涩现象； 
2.4 低压模块设计 
低压分ALP、BLP两个缸,均为双流，每个低压缸叶片正、反向对称布置。每个流向包括7个冲动式压力级，低压末级为1016 mm钢叶片，如图7所示。 
低压缸为分流式三层焊接结构，热应力小并避免进汽部分膨胀不畅引起内缸变形。 
为方便运输，整缸分成上，下半各四块组成，可整体组装，分块运输。 
每个低压缸上设有喷水冷却装置，当低压缸排汽超温时，自动喷水冷却；并根据温度自动控制的喷水量，减少对末叶冲击。 
低压缸台板与基础板间采用基础螺栓紧固。 
低压缸与凝汽器为弹性连接，采用不锈钢膨胀节。低压缸在结构上有足够的疏水槽，如图8所示。 
低压缸靠近发电机处备有盘车装置。 
2.5 滑销系统 
机组共设有两个绝对死点，分别位于A低压缸前部和B低压缸中心线附近，转子死点位于中间轴承箱内。两死点处设有横键，限制汽缸的轴向位移；在轴承箱及低压缸的纵向中心线前后设纵向键，引导汽缸沿轴向自由膨胀并防止横向跑偏，滑销系统见图9。 
 图9 滑销系统图 
机组前轴承箱与基架间采用低摩擦自润滑滑块，见图10，机组膨胀或收缩时，前轴承箱可沿轴向自由顺畅地滑动。 
2.6 轴承 
1#-2#轴承为可倾瓦块式，可倾瓦块采用松配合螺纹挂销固定在瓦套上，防止旋转。 
每个瓦块可随转子方向自由摆动、自动找中，获取最佳油楔、获得最佳位置；自位能力好、稳定性高。 
3#-6#轴承为椭圆型，具有较高稳定性和可靠性。 
推力轴承采用斜面式推力轴承，外部采用球面配合。装配简单、占据空间小、轴承刚度大、承载能力高、使用寿命长、自位能力好。 
2.7 电动盘车装置 
盘车装置是带动转子低速旋转，使转子均匀加热或冷却，减少变形；检修维护时检查转子。安装在汽轮机和发电机之间，由电动机和齿轮系组成，见图11。通过可移动小齿轮与汽轮机转子联轴器法兰上的齿圈啮合。冲转时小齿轮借助于碰击齿轮在没有冲击的情况下立即脱开，并闭锁，不再投入。该装置为传统结构，结构简单、性能可靠。 图11 盘车装置 
2.8 轴系设计稳定性高 
在轴系动力特性设计方面具有以下特点： 
采用被证明成熟可靠的设计计算分析方法和设计准则 
选用稳定性比较好的轴承-可倾瓦轴承和椭圆轴承 
每根转子双支承，跨度明显小、转子刚性高、临界转速高 
转子厂内高速动平衡动力状态与现场运行状态基本相同 
采用有利于轴系稳定性的高压进汽阀门开启顺序，彻底消除汽隙激振源 
轮盘式转子结构，汽封直径小，有利于减少汽隙激振 
主油泵采用刚性联接 
轴颈堆焊结构：高、中压转子采用改良12Cr锻钢，为防止运行时油中杂质划伤轴颈，在12Cr钢转子轴颈部位支承段基材上堆焊强度高的Cr-Mo-V合金层 
2.9 面向用户的设计、检修维护方便 
汽轮机在设计上充分考虑了从电站设计到检修维护各环节向使用者提供方便，使机组得以及时维修，损失少，热效率高，经济性高。具体措施如下： 
总图、系统图工程化设计，方便电站设计工作。 
汽缸采用中分平面结构，并配有中分面顶开平台。 
转子采用双支承结构，方便轴系找中和联接。 
低压缸设有观察孔，可不开缸对末级叶片进行检查。 
钢台板、可调垫片，方便机组的现场安装。 
解体前可向结合部位注入润滑、松动剂，方便检修。 
测量元件自带接线盒，可在线更换，方便维护。 
高中压转子和低压转子均可不开缸进行现场动平衡。 
滑销系统采用自润滑滑块,运行中不需注入润滑剂。 
3、通流设计特点 
东方超超临界660MW汽轮机采用了当代世界上最先进的通流优化设计技术, 主要如下:
先进的低型损层流静叶型线技术（SCH叶型） 
分流叶栅技术 
平衡扭曲动叶（BV叶型） 
高负荷静、动叶片型线技术 
小的攻角损失 
先进汽封技术,减少漏汽量 
汽封齿采用铁素体不锈钢材料。 
动叶采用自带冠技术，动叶顶部叶冠采用城墙结构，见图12和图13，使叶顶的汽封齿数由两个增加到四个高低齿，减少漏汽量,提高缸效率。 
图12 自带冠叶顶 图13 自带冠叶顶多齿汽封 
椭圆汽封 
考虑到汽缸热变形主要在垂直方向上，椭圆汽封间隙在上下方向的间隙较大，而两侧间隙相对较小。这样，由于磨擦引起的转子振动发生的可能性就大大减小。 
焓降优化及静动匹配设计 
根据不同相对叶高的级试验结果确定了最佳速比范围，合理提高各级根部反动度，实现反动度和最佳速比协调，优化级焓降分配。各级实现了轴向排汽设计，排汽角α2在88°～95°的最佳范围。 
全三维多级设计 
在低压通流设计中，广泛采用了全三维多级设计技术。此项技术是当代叶片设计领域中最先进的设计技术，这种叶片各截面沿叶高三维空间成型，在叶道内沿径向形成“C”型压力分布，即：压力两端高，中间低（C型），二次流由两侧向中间流动汇入主流，从而减小了端部二次流损失。 
采用AVN设计技术是在大量计算分析及典型级的试验验证基础上完成的，该项技术已成为提高机组效率的成熟的先进技术。 
新型叶片根部边界层设计技术 
低压排汽缸优化 
对660MW机组的低压排汽缸进行优化设计，主要措施如下： 
优化导流环型线，防止汽流在导流环上产生分离，改善扩压管的扩压效果，见图15。 
增加低压外缸导流环背后的导汽墙，隔离导流 
扩压管出口汽流流向下半缸，改善汽流的流动状况，并增加了低压外缸上半的刚性。 
适当增加排汽缸的径向尺寸，使流动更顺畅。 
优化排汽缸中的轴承圆锥体，在直线型锥体外增加曲线型导流板，顺应汽流的流线，降低流动损失。 
优化排汽缸中支撑筋板的布置，增加低压缸刚性、加强内缸和轴承座支撑，同时使筋板布置顺应汽流的流动，并尽量采用圆形撑管减小流动损失。 
在垂直连接面上，除了垂直法兰面外，特别增加了“U”形法兰、圆法兰和中间垂直法兰，这样有效加强了连接后汽缸的刚性。 
低压轴承座落在低压外缸上，增加排汽缸的轴向长度，增加扩压管的轴向扩压长度，使汽流在扩压管中轴向充分扩压，降低汽流的转弯速度和在涡壳内的速度，防止汽流在导流环上产生脱离，大大降低了流动损失。同时排汽缸轴向长度的增加，使排汽缸的排汽面积增大，整个汽缸的扩压比增加，增强了汽缸的扩压能力，使低压排汽缸具有良好的静压恢复能力,减少能量损失。 
成熟可靠、性能优良的40”末级叶片 
4 可靠性设计的要点 
初参数提升到600℃，材料问题凸现。选择高温持久、蠕变强度良好的材料以及应用的部件范围，在高温区域采用冷却措施提高材料使用强度都是非常必要的措施。 
针对超超临界660MW汽轮机可靠性设计的要点主要有以下几点。 
4.1材料 
超超临界660MW汽轮机采用25MPa/600℃/600℃高进汽参数，因而对关键高温部套的材料及结构设计提出了极高的要求。这类部套主要有：
高中压转子、低压转子； 
高、中压汽缸； 
高、中压进汽段部件—喷嘴室、进汽阀门及第一级叶片。 
所有这些关键部套的结构与选材都经过多年的实验室试验验证与数台机组多年的电厂运行考验，各主要部件材料见图16。 
图16 高中压主要部件材料 
超超临界机组低压缸进汽温度因再热温度的提高而随之提高，达到393℃。原先允许的材料最高使用温度为350℃，已远不能满足要求。为此须改用高纯度（尽可能降低P、Sn、Sb等杂质含量）、低合金Mn、Si含量的NiCrMoV锻钢，牌号为30Cr2Ni4MoV。它可以在保持很低的脆性转变温度（FATT）同时防止等温回火脆化。 
其与600MW超临界汽轮机材料对比见表1。 
表1 600MW等级汽轮机材料对比 

序号 主要零部件 超超临界 超临界 
1高中压转子 12Cr钢 改良型Cr-Mo-V 
2低压转子 Ni-Cr-Mo-V钢（超纯净） Ni-Cr-Mo-V钢 
3高中压外缸 Cr-Mo-V钢 Cr-Mo-V钢 
4高中压内缸 12Cr钢 Cr-Mo-V钢 
5喷嘴室 12Cr钢 Cr-Mo-V钢 
13汽缸高温螺栓 Cr-Mo-Nb-V-W-NCr-Mo-W-V钢 
14高压主汽阀壳 12Cr钢 12Cr钢 
15高压调节阀壳 12Cr钢 Cr-Mo-V钢 
16联合汽阀壳 12Cr钢 Cr-Mo-V钢 

4.2 高中压进汽部分冷却 
高、中压外缸在进汽区段的冷却结构见图4，在外缸靠近主汽管处有一小口，引入一小股冷却蒸汽，流经外缸与导汽管之间及外缸与内缸之间形成的狭小间隙，对外缸内壁进行隔离与冷却。冷却蒸汽来自高压1段回热抽汽。 4.3 防止汽流激振措施 
随着机组单机容量的增大、蒸汽参数的提高，轴系转子和轴承数目也增多，因此在机组设计阶段不仅对轴系要进行常规的横向振动特性和扭转振动特性分析，而且对“汽流激振”也要进行分析研究，并在考虑汽流力的前提下，进行轴系稳定性计算，保证最佳的汽封结构设计和优良的轴系稳定性。 
汽流激振对轴系稳定性的影响取决于汽封的类型和汽封的结构尺寸，以及运行状态和蒸汽参数。汽封的动特性系数与压降、汽封齿宽度（齿数和节距）成正比，与转子汽封间隙、汽封齿高度成反比。 
对于该机在避免汽流激振方面主要有以下几项设计准则。 
A 转子刚度设计准则: 
当转子的重量较轻，刚度较小（挠度大）时，通过转子动静汽封间的汽流激励容易引起转子的激振。因些在设计时,通过限制“强迫挠度系数”方法来避免产生气流激振。强迫挠度系数是由每根转子的重量、挠度和出力确定的。其定义如下： 

强迫挠度= 转子静挠度×转子输出力矩 
转子重量×动叶平均半径 
设计时，使各转子的强迫挠度系数在允许范围内。 
B选择合理的汽封间隙 
为了避免汽流激振，选择适当的汽封间隙是极为重要的。在设计时采用计算“汽流激振系数”的设计准则，以选取合适的汽封间隙。该准则已用于所有450MW以上的超临界汽轮机。 
汽流激振系数可通过各转子的重量、临界转速、汽封直径、汽封间隙、汽封宽度和级的压差计算得出。如果该系数值小于1，则汽流激振即可得以避免。 
超超临界660MW汽轮机转子的汽流激振系数计算结果为0.6，远小于1，因此汽流激振问题可以避免。 
C 轴系稳定性计算分析 
在轴系稳定性计算时考虑汽隙激振的影响，使高中压转子的最小对数衰减率大于0.20，本机组的最小对数衰减率为0.296，具有足够的稳定性裕度。 
从转子振动和稳定性分析可知，要消除汽流激振一般可从增大系统阻尼和减小汽流激振力着手。主要措施有： 
增大系统阻尼的办法就是采用稳定性比较好的轴承，本机组高中压转子轴承采用可倾瓦轴承就可很好地防止汽隙激振的发生； 
增大高中转子刚度，提高高中压转子的临界转速； 
合理设计汽封结构，选用合理的汽封间隙，以减小汽流激振力； 
采用有利于轴系稳定性的高压进汽阀门开启顺序。 
4.4防止固体微粒腐蚀（SPE）的措施 
针对SPE侵蚀的机理，在超超临界机型上采用了以下防止SPE侵蚀的技术措施： 
采用新的斜面喷嘴型线（SPE叶型）技术 
保护涂层技术，对静叶出汽边热喷涂Cr-C抗冲刷涂层，见图17和18。 
优化设计再热第1级静叶，设计合理的动静叶轴向间隙，使动叶反射的SPE不能打在静叶背弧上，彻底切断SPE多重反射的途径，从而有效防止SPE，实现再热第1级的无老化设计，提高持久效率； 
对喷嘴、调节级和再热第1级动静叶采用含铌钢材料KT5330A，该材料的耐冲蚀性能良好，国内外大型机组广泛采用，实践表明具有优良的运行业绩。 
在主汽阀上安装滤网，防止大颗粒固粒进入通流部分； 
要求新机组安装及机组大修时需对锅炉蒸汽发生器、再热器及主要管道和主蒸汽管道、再热蒸汽管道进行必要的清洗去除残留物。 
 
图17 喷涂Cr-C的喷嘴 图18 中压第1级涂层 
5 结论 
综上所述，东方－日立型超超临界660MW汽轮机具有当代世界先进水平，在设计上针对超超临界汽轮机的特点都做了详细的考虑，并且都是建立在有大量工程应用业绩基础上的；特别是在轴系稳定性、汽流激振方面，利用了有丰富类似工程验证的判据指标，更具备工程实用价值；同时充分考虑了机组的安装、检修和维护及长期投运的经济性。