汽轮机技术研究现状及发展趋势-伍赛特.pdf

1、能源研究与管理2019（4）综合论述收稿日期：2019-06-01作者简介：伍赛特（1990），男，湖南邵阳人，助理工程师，工学硕士，毕业于长安大学，动力机械及工程专业，主要研究方向为内燃机与动力装置。摘要：介绍了汽轮机技术近年来的研究进展，对比了国内外的技术现状，并对发展目标及研究方向进行了展望。就目前而言，汽轮机在火力发电机组中依然占据装机容量的主要份额，其重要性不言而喻。基于当前传统化石能源迅速消耗及环境污染日益加剧的原因，针对汽轮机的节能、减排、结构优化、参数提升以及先进制造技术而开展的研究更是迫在眉睫。目前汽轮机的输出功率和工作效率仍有进一步提升的潜力，通过对相关参数的不断提升，以及

2、对材料及制造工艺的持续改良，终将实现对汽轮机的合理技术优化。关键词：汽轮机；制造；结构；材料；节能；减排中图分类号：TK26文献标志码：A文章编号：10057676（2019）04000707WU Saite（SAIC Motor,Shanghai 200438,China）This paper introduces the research progress of steam turbine technology in recent years,and compares it with thedomestic technology status and foreign countries,a

3、nd forecasts the future development goals and research directions.For themoment,thermal power generation is still the mainstream power generation method in China,and steam turbines still occupya mainstream share in thermal power generating units,and the importance is naturally self-evident.Based on

4、the current rapidconsumption of traditional fossil energy and increasing environmental pollution,The current research on energy saving,emission reduction,structural optimization,parameter improvement and advanced manufacturing technology for steamturbines is even more urgent.At present,the output po

5、wer and working efficiency of steam turbines still have the potential tobe further improved.Through the continuous improvement of relevant parameters and the continuous improvement ofmaterials and manufacturing processes,reasonable technical optimization of steam turbines will be realized.steam turb

6、ine;manufacturing;structure;material;energy saving;emission reduction汽轮机技术研究现状及发展趋势伍赛特（上海汽车集团股份有限公司，上海200438）引言早在20世纪80年代初，我国即已从美国引进了600 MW亚临界汽轮机制造技术，经过消化吸收、国产化、优化设计等阶段的科研与开发以及企业的技术改造1。在大批量生产600 MW的亚临界汽轮机领域，已具有较丰富的设计、制造经验2-3。这为制造超临界和超超临界汽轮机打下了扎实的基础。由于超临界汽轮机在经济性和适应性方面的优势，可靠性方面又与亚临界汽轮机相当，其于近年来已得以飞速发展4

7、-5。针对近年来汽轮机技术的最新研究进展进行了归纳总结，并对其发展趋势进行性了DOI：10.16056/j.1005-7676.2019.04.0037窑窑能源研究与管理2019（4）综合论述展望，以此为相关科学研究及工程应用提供必要的理论依据。1汽轮机技术的最新研究进展1.1通流部分设计技术为提高汽轮机的性能，除提高蒸汽参数和末级叶片的长叶片化外，减少汽轮机内部各种损失，包括型面损失、二次流和端部损失、排汽损失、漏气损失等，也是提高效率的重要因素。各科研院所都开展了相关工作，包括计算和试验减少整个汽轮机中的叶型损失，可有效地减少总体损失，而二次流损失在低展弦比（叶高与弦长之比）的级中具有明显

8、性6，即高压和中压缸的前几级更显突出，漏气损失在高压和中压缸的进汽区域也相对高一些。汽轮机中的流动完全呈三维的特点，特别是低展弦比的短叶片级。为了有效地减小二次流的损，失目前各制造公司普遍采用叶片弯曲或扭弯的技术，有效控制反动度、流量沿叶高的分布规律，以达到降低叶栅的二次流损失，减少隔板漏气和动叶顶的漏气，增加级的做功能力在通流部分计算中普遍采用计算流体动力学（CFD），其能有效地数值求解各种边界条件下的流体动力学方程。在近期生产的大型超临界与超超临界汽轮机中，各大汽轮机制造厂都普遍采用了先进的弯扭静、动叶片。在气动试验研究方面，各汽轮机制造企业都竞相开展了平面叶栅吹风试验、叶片的环形叶栅吹风

9、试验、阀门试验等验证方式，为掌握引进技术和改进部件的气动性能打下了基础。为掌握和提高600 MW以上功率机组的高压级气动性能，制造厂与研究院所合作开展了多个单级模型级的气动性能试验，获得不同级的气动性能，包括级效率、流量系数、根、顶部反动度随速比的变化曲线，通过流场测定获得级静、动叶后的流场性能，如静、动叶出汽角沿叶高的变化，静、动叶出口绝对速度沿叶高的变化，静、动叶能量损失系数沿叶高的变化，以及反动度沿叶高的变化等7-8。试验结果为验证设计和优化机组设计提供了有力的依据。级试验的结果还与模型级的二维计算结果进行了比较，以此确定了机组高压级的优化效果。1.2长叶片增加单机功率和提高电厂效率，还

10、与增高末级叶片密切相关。随着汽轮机的大型化，汽轮机末级通过的蒸汽流量也随之增大，为了高效地将蒸汽流量的热能转化为机械功，需要更长的末级叶片。末级叶片长度的限度，应考虑离心力的增加、蒸汽流速的增加、固有频率的降低、流动的三元特性，离心应力强度和振动特性方面需要更先进的技术。长叶片化除可增大单机容量，提高效率外，还可使汽轮机紧凑化。末级长叶片的开发不仅涉及气动、强度振动，还涉及材料、结构阻尼设计、制造工艺等多种因素。末级长叶片的开发往往标志着国家汽轮机制造业的发展水平。世界上已投运的钢制末级长叶片已达到11481 220 mm，钛合金末级长叶片已达到1 4001 500 mm。我国从20世纪60年

11、代起先后开发了用于50300 MW机组的相应末级长叶片。随着亚临界机组的技术引进和超临界、超超临界600 MW及1 000 MW机组的生产和纯冷凝机组、抽凝机组及间冷、直冷式空冷机组等不同机型的应用9-10，以及末级长叶片的数量和种类增多，各汽轮机制造厂都逐渐形成了自己标准化的末级长叶片系列产品。为了确保开发长叶片的可靠性，需要优化其振动特性、动强度与颤振，采用有限元法进行数值计算，同时用实物叶片进行振动试验。同时，按比例缩小的叶片进行实际负荷下的效率验证也是必不可少的。整圈连接的叶片较其他种类的长叶片具有叶片共振频率小、动应力小、颤振敏感性大大减小等特点。国内各大公在研制各自的系列长叶片中大

12、致进行了气动、强度振动计算和整圈叶片动态调频试验等工作。采用全三维商用计算软件进行流场及气动性能的计算分析，优化叶片成型；采用有限元方法进行叶片强度性能和振动计算分析，以分析考核叶片的应力水平，较准确地获得叶片的频率和判断叶片的振型。在气动试验研究方面，各大公司进行过长叶片跨音速、超音速叶型的平面叶栅吹风试验，还开展了拉金凸台的存在对叶栅性能影响的吹风试验。对于长叶片，由于叶片加工、装配以及理论计算频率值本身均存在误差等因素，理论计算动频率值与实际值往往有一定差距。因此，为分析叶片动态振动特性和进行调频，保证叶片的安全运行，试验测量叶片的动频依然显得较为必要11。科研院所与各大汽轮机制造企业合

13、作，采用无线电遥测技术，在高速动平衡试验台对不同高度的各类长叶片进行调频试验，对自带围带的叶片一般采用车削改变围带厚度的方式进行调频。在长叶片防水蚀方面，各科研院所一直在进行各项8窑窑能源研究与管理2019（4）综合论述工艺试验研究，包括叶片顶部一段进汽边背弧钎焊硬质合金，电火花强化，高频淬火、激光淬火、等离子淬火等。1.3汽封为了减少漏气损失，提高机组的安全和经济性，最近十几年陆续出现了许多新型汽封。传统的迷官汽封是一种非接触式汽封，一般采用齿形结构，包括高低齿、平齿、斜平齿、枞树齿、镶嵌齿等几种典型结构12。由于其结构简单、技术成熟安全可靠，目前仍然广泛应用于汽轮机当中，尤其在大型汽轮机中

14、，迷宫汽封仍然是主要的密封形式。针对传统迷宫汽封可能存在的问题，为确保机组运行的安全性和提高机组效率，国内外开展了针对新型汽封的结构、材料及工艺、理论计算、试验及运行特性的研究，其中研究较广泛的如蜂窝汽封、刷子汽封、接触汽封、可调汽封等13-14。同时针对旧机组传统汽封的改造热潮也在持续进行，并在降低热耗、提高真空、改善润滑油质量等方面获得一定效果。鉴于新型汽封研究和在旧机改造中获得的成功，某些新型汽封如蜂窝汽封刷子汽封等已在新机组上使用15-16。1.4强度结构设计及寿命1.4.1强度设计进入21世纪后，我国超临界600 MW汽轮机、超超临界600、1 000 MW汽轮机保有量得以快速增长。

15、为满足汽轮机行业大功率火电汽轮机强度设计的要求，科研院所与制造企业合作，开展了高温部件与大尺寸部件强度设计共性技术研究，先后研究制定了汽轮机重要部件变工况强度设计技术规范和高温部件强度设计技术规范，取得了如下新的进展。1）在温度场与应力场的有限元数值计算方面。采用先进的有限元分析技术，可以精确地计算汽轮机转子、叶轮、汽缸、阀壳等重要部件的温度场、机械应力场和热应力场。汽轮机重要部件表面的传热系数，在汽轮机的启动过程、停机过程和负荷变动过程中变化很大，既与部位有关，又同时间有关。汽轮机重要部件表面传热系数的计算值，直接影响汽轮机重要部件温度场与应力场的计算结果。汽轮机汽缸、轮缘与叶根槽传热系数的

16、研究，推动了汽轮机汽缸、转子、叶轮等部件温度场与应力场的有限元数值计算工作的技术进步。2）在稳态额定工况和瞬态变工况强度设计判据方面。基于有限元分析设计方法，提出了汽轮机稳态最大工况以及启动过程、停机过程与负荷变动等瞬态变工况的重要部件强度的设计判据。采用弹性应力的有限元数值计算方法，确定汽轮机重要部件的应力，借用塑性设计准则进行计算结果评定和强度设计安全性校核。3）在高温部件强度与刚度设计技术的研究方面。对于超临界与超超临界汽轮机的高温部件，强度设计要求在稳态额定工况和瞬态变工况强度设计合格的基础上，进行蠕变刚度设计。汽轮机高温部件蠕变刚度的设计判据，是采用有限元分析技术，计算高温部件考虑蠕

17、变运行2伊105h的等效应力和等效应变，若等效应力最大部位的等效应变小于或等于多轴应力下的许用蠕变应变，则汽轮机高温部件蠕变刚度设计是较为安全的。1.4.2结构及寿命设计超临界和超超临界汽轮机的特点是进汽参数高，高温部件采用了新结构。1）新型高压缸结构设计。以目前生产的超超临界600、1 000 MW汽轮机为例，其采用了筒形内外汽缸。外缸无中分面，采用了垂直中分面，降低了螺栓载荷。外缸内不再另设喷嘴室和持环等大型部件，内缸直径比较小，内缸水平中分面无外伸法兰，采用了圆筒形结构，水平中分面螺栓直接从圆筒缸体穿过17。高压汽缸采用圆筒形结构，设计压力达到30 MPa，结构紧凑，旋转对称，停和变负荷

18、时热应力减小。2）蒸汽冷却新技术。国内生产的超临界和超超釆临界汽轮机的转子、汽缸、喷嘴等高温部件普遍用了蒸汽冷却技术，既可以提高现有材料的使用等级，又可以延长这些部件的使用寿命。3）焊接转子优化设计。大功率汽轮机低压转子尺寸大，采用整锻或套装转子制造技术难度大，国内各大汽轮机制造厂准备采用焊接转子。科研院所与相关企业合作，在焊接转子结构优化设计方面取得重要进展。焊接转子结构安全性设计的要点包括：稳态最大负荷强度设计、启停与负荷变动瞬态变工况强度设计、高周疲劳强度设计、低周疲劳寿命设计、应力腐蚀强度与寿命设计、裂纹扩展寿命设计与缺陷尺寸评定等。焊接转子结构优化设计，是针对不同几何形状、不同焊缝部

19、位、不同叶根槽尺寸，进行焊接转子安全性设计与评价，以确定焊接转子优化设计方案。4）寿命设计。近年来科研院所同国内汽轮机制造企业及电力企业合作，开展了汽轮机关键部件寿命评定寿命设计与寿命管理的技术研究，汽轮机部9窑窑能源研究与管理2019（4）综合论述件寿命预测技术的研究取得了重要进展。1.5轴承、轴系及基础1.5.1轴承大型机组的转子系统中滑动轴承分为径向滑动轴承和推力轴承，从机组容量来看，已重点发展600 MW、1 000 MW乃至1 250 MW机组，汽轮机仍采用3缸或2缸型机型，较以往小容量机组对大机组轴系的动力稳定性要求更高，支撑机组转子系统的滑动轴承是大型机组开发研究中关注的重点之一

20、，新机型的开发注重设计或选配油膜动态性能优良、低功耗、低油耗的轴承，同时注重其油膜动力学特性系数和静态参数理论计算模型的完善化。对于超临界及超超临界机组，目前国产机组均选用了4瓦块为主的可倾瓦轴承，部分引进技术也有性能与转子结构更加匹配的3块或5块可倾瓦轴承，其中技术水平较高的当属带边缘导向槽的可倾瓦轴承（LEG轴承），其除了具有优良的稳定性外，LEG轴承的功率损耗比油浴式轴承和飞溅润滑轴承的功率损耗都要低，由于大部分新鲜的润滑油流入油楔，降低了瓦温，同时提高了承载能力，保证了润滑油直接通过边缘导向槽达到油膜，相比而言使径向轴承的运行温度及流量需求均有所降低，功率损失减少，承载能力增加，在60

21、0 MW等级的机组中无论是径向轴还是推力轴承均有广泛应用。釆对于用单支撑结构的超超临界机组、百万等级核电机组，尤其是600 MW以上等级的两缸型机组，其轴承支撑处的转轴直径明显增大，并有较大的圆周速度，为维持油膜优良的流态和高承载特性，这些机组常采用带有特殊槽、楔的固定瓦（如：圆瓦、椭圆瓦）轴承，并对轴承进行结构优化，如优化的袋式圆瓦轴承等。径向滑动轴油膜特性的计算分析研究方面，工程设计应用上目前主要是以8个油膜刚度阻尼系数近似线性计算模型的基础上进行，对于大型轴承大偏心下的非线性特性增强的特点，随着计算机技术发展，部分高校针对一些特殊轴承建立非线性模型下进行油膜特性计算，并逐步开展工程化应用

22、方面研究18-19。轴承支撑结构也可根据机组的设计特点满足支撑刚性的要求，呈现落地、坐缸或半落地等多种形式，由于大型机组为编短转子长度而采用的坐缸式轴承座结构，目前的技术发展和趋势是已开始应用三维有限元技术进行结构刚性的分析，并结合气动特性的要求进行支座结构的进行综合完善。1.5.2轴系近5年来单轴机组的最大容量已发展到1 000MW，一般600 MW等级以上机组其汽轮机有2缸、3缸或4缸型机型，对3缸机组整个轴系以双支撑为主，高蒸汽参数带来机组高效率的同时，对大机组轴系的动力稳定性带来一定的影响，此外大容量远距离送电带来的电气故障的影响等，因此大机组设计需要考虑的因素较以往小容量机组更宽泛，

23、多种影响因素已纳入到新型机组开发的轴系动力特性设计技术体系的研究中，并涵盖以下方面。1）转子的横向振动和扭转振动等效刚度分析模型20。转子结构大型化后，以往忽略的径向效应，以及大型套件、大型分支结构带来的刚性效应的变化，近5年来通过使用三维有限元分析技术逐步完善等效模型和等效公式，已在百万等级火电、核电机组上，如汽轮机低压转子，发电机套件护环、风扇等部件，针对以往经验公式或引进技术进行了修正改进，使新的等效模型能更准确地反映转子的固有特性。2）轴系的静态设计。包括轴承负荷分配及对标高变化的敏感性分析（对于大型室冷机组等大负荷变动下轴承的稳定性和承载能力设计提出更高的要求，即要同时满足轴承自身及

24、轴系的静动特性设计要求），目前基于轴颈弯矩为零和联轴器弯矩为零技术下的负荷分配、标高分析等均在新机型中得以应用。根据引进技术针对不同材料转子，综合考虑其静态挠度、弯应力等因素考核其高周疲劳下是否满足其许用值要求，这些对于大跨度的挠性转子或大容量重载荷的焊接转子均是否需进行进一步研究的内容。3）轴系的横向振动特性设计21。除轴系进行阻尼临界转速、不平衡响应、失稳转速等规范设计内容外，近年大容量高参数新机组开发中，已将考察计算分析不平衡进汽，特别是高参数蒸汽带来的气流激振力，对轴系稳定性（尤其是高中压转子）带来的影响计入到设计研究中；气流激振力的计算分析方法或手段近年也呈现多样化，除直接使用引进技

25、术中固有的几种汽封结构下的动力学特性系数曲线，还有有关高校研究院所基于弱非线性模型研制的专用计算软件（主要以平齿，高低齿为主），特别是使用大型有限元商用软件直接进行汽封中流场和气流力的计算分析，可较真实地反映具有非线性特征的流体激振力，但使用维有限元分析手段时由于流体计算工作量大，故目前在工程设计中还是应用10窑窑能源研究与管理2019（4）综合论述汽封动力学特性系数曲线，或专用计算软件的近似模化偏安全计算，重点考察汽封动力学特性系数中的交又刚度来预测转子系统的稳定性，或作为动态边界进行转子系统的稳定性分析。4）轴系的扭转振动特性设计。机组大型化使得常规的轴系扭振固有频率计算和机端两相短路下的

26、扭应力计算考核外，计入了低压长叶片等大型分支结构耦合振动的影响。部分高校对转子的弯扭耦合振动的研究已达到相当的深度22-24，建立了较完善的分析模型和开发了理论计算程序，但目前尚未在大型的汽轮发电机组工程设计上应用。机组容量的不断增加、电力系统复杂化及远距离大容量送电导致电气故障和次同步谐振对机组影响的问题。为保证机组的安全性，典型电气故障下对轴系的扭振寿命损耗的计算的研究也逐步纳入到新机型设计开发中。1.5.3基础引进技术的多样化带来机组基础设计的多样化，以600 MW等级机组基础为例：有刚性的和柔性设计的固定基础以及立柱与顶台板间用弹簧连接的弹簧基础，其中柔性固定基础及弹簧基础当属近五年中

27、新应用的基础形式，这些同属柔性类机组基础的应用，对机组轴系与基础的匹配性设计研究提出了前瞻性预测分析的要求。自2006年开始，国内有关院所联合制造厂、设计院和电厂，开始对600 MW等级的机组进行机组与固定基础联合振动条件下的轴系动力特性设计研究，开发了相关的计算分析软件，将固定基础作为一个子结构，模化成梁单元组成的框架结构，形成机组静子、转子轴承、轴承座及框架固定基础系统计算模型，进行机组与基础联合振动条件下的轴系动力特性计算分析，机组设计阶段实现了轴系动力特性与固定基础匹配性预测，此技术将向百万等级机组扩展，尤其是要向弹簧基础机组系统研究扩展。影响大机组轴系静动特性的因素繁多，除转子自身的

28、结构外，发展的趋势是需综合研究分析并能较准确地把握真实的转子相关边界条件，如大轴承油膜的特性、轴承座的特性、高参数下密封中气流的特性以及各种形式基础动力特性。三维有限元分析技术和先进的振动测试技术的引入，为大机组轴系动力特性的设计优化提供了良好的技术手段，通过三维有限元分析（包括一些非线性分析模型建立）和现场实测试验研究，为大机组多模块下的轴系工程设计计算软件的开发提供验证的基础，并使相关设计规范得以完善。1.6机械材料汽轮机所用材料主要有铁素体钢和奥氏体钢，此外还有一些合金（铁基、镍基和钻基合金）。在当前基础上发展出来的奥氏体钢可获得较高的热强性和塑性，但由于奥氏体钢高的热膨胀系数和低的热传

29、导性，容易导致高的热应力和疲劳断裂，在600益以下的汽轮机组中应该尽量少用铁素体钢包括珠光体、贝氏体和马氏体钢。珠光体钢和贝氏体钢的合金元素含量较少热强性、组织稳定性和抗氧化性较低，无法在550益温度以上长期运行，而原先传统的马氏体钢最高使用温度在570益以下。近年来我国汽轮机用钢的研究主要在提高改良型马氏体钢的高温性能，目标是胜任2426 MPa、600680益超超临界汽轮机零部件长期服役的条件。同时研制和投产超纯低压转子和长叶片用钢。经过多年实验，我国汽轮机材料和工艺技术得以长足进步，铁素体钢的使用温度提高了3050益。2汽轮机国内外研究进展对比1）超超临界汽轮机是且前世界上投运的最高参数

30、的汽轮机，虽然我国生产的超超临界汽轮机与国外机组相比，就参数、容量、热耗而言不一定是最高的，但已处于与国外同水平2）我国目前能生产并投入机组运行的钢制长叶片，与国际上处于同一水平。3）通过技贸结合、引进技术、合作生产等，至今我国已能大批量生产1 000 MW级的超临界、超超临界汽轮机，基本上掌握了加工、制造技术。但从全面消化掌握设计等技术方面还有一定差距，有待进一步消化、吸收，并在此基础上对机组有所改进、创新。4）先进的超超临界汽轮机是国际公认的汽轮机发展方向，我国与欧盟、日本、美国等已开展这方面研究的国家相比存在着差距。针对先进的超超临界汽轮机，国外已开展不少研究，具体有：开展大量镍基材料的

31、长期（10万h）高温蠕变试验；镍基材料铸、锻件的大型化；转子、汽缸的镍基铸、锻件与其他材料的焊接与连接技术的研究及结构强度优化设计；二次再热循环的相关技术；超高压（VHP）缸通流部分的设计。5）国外十分重视各方面的试验研究，特别是高温蒸汽下的通流部分或部件的试验；国内不够重视试验研究，且缺乏各种试验设备11窑窑能源研究与管理2019（4）综合论述6）与汽轮机设计相关的商用计算机软件在国内已得到普遍使用，但大部分软件是国外的。计算软件必须通过充实大量试验或经验数据以提高计算精度，过分依赖国外商用软件的现状应得到改变。3未来汽轮机的发展目标及展望我国汽轮机的发展目标应围绕先进的超超临界压力的汽轮机

32、研制。目前欧盟、日本、美国等先进国家基本上瞄准燃煤发电系统的商用化，目标发电净效率达到46%48%（HHV），与亚临界燃煤电厂相比，CO的排放量减少3%左右。这对缓解世界能源短缺和环境保护是具有显著意义的25。提高燃煤电厂的蒸汽参数，增效减排也是我国燃煤发电技术的发展方向。国家有关部分应组织各方力量，尽快启动这方面的研究，在学习国外已取得的一些经验基础上，自力更生，产学研结合，加快科研步伐，增效减排的前景是广阔而美好的。3.1大型铸锻件的生产在汽轮机结构设计时，应考采用新设计方法，使结构紧凑，尽量减少镍基合金使用量。要达到这一点，在电厂设计和透平的结构上应有一个完全的新概念。同时，在材料的研究

33、上也要使铁素体钢的强度达到最大。大型铸锻件汽缸、转子等整体采用镍基材料不但难度大，且费用十分昂贵，解决镍基材料与铁素体钢的焊接或连接方式也成为突出的问题。另外，镍基高温合金的无损探伤检查技术也是当前正在重点研究和发展的项目。3.2热力循环随着初温的提高对原超临界机组的热力循环进行改动，以达到提高热效率的目的显得特别必要。釆首先应考虑取二次再热循环。由于采用中间再热将使汽轮机、锅炉等结构复杂，调节系统要求提高，电站设备的金属消耗量和维护费用增加。在目前的参数下，机组采用一次中间再热，收益较为显著，而采用二次再热，收益就较小；但目前仍有少量的二次再热机组在运行。由于当前机组初始温度、压力的明显提高，采用二次中间再热显得十分必要和合理。对二次再热的先进超超临界汽轮机，在高中低压缸的基础上要增加配置一个超高压缸（VHP）。当机型容量较大时，中压缸可采用双流、低压缸采用二缸四流26，另一种是采用1个