第三章 汽輪機(jī)組的工作特性與故障現(xiàn)象的分析.doc

第三章 汽輪機(jī)組的工作特性與故障現(xiàn)象的分析第一節(jié)汽輪機(jī)組的結(jié)構(gòu)特性汽輪機(jī)組是利用蒸汽熱能做功的旋轉(zhuǎn)式原動(dòng)機(jī)。它工作時(shí)進(jìn)行兩個(gè)能量轉(zhuǎn)換過程，即先使蒸汽通過噴嘴使流速提高(而壓力降低)，將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)換成蒸汽的動(dòng)能；然后再將蒸汽的動(dòng)能在動(dòng)葉柵中轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)機(jī)械能。 汽輪機(jī)組與其他動(dòng)力機(jī)械相比，具有單機(jī)功率大、尺寸小、重量輕和效率高等優(yōu)點(diǎn)，并且其所用的工質(zhì)成本低、無污染。所以，汽輪機(jī)組是電力工業(yè)、交通運(yùn)輸、國防工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的原動(dòng)機(jī)之一。 汽輪機(jī)是火力發(fā)電廠中的三大主機(jī)之。為了提高火電機(jī)組運(yùn)行的安全性和循環(huán)效率，為汽輪機(jī)配置了一些輔助設(shè)備和系統(tǒng)。本書將汽輪機(jī)與相應(yīng)的輔助設(shè)備及系統(tǒng)統(tǒng)稱為汽輪機(jī)組。 汽輪機(jī)組由汽輪機(jī)本體、凝汽系統(tǒng)、回?zé)嵯到y(tǒng)、調(diào)節(jié)保安系統(tǒng)幾大部分組成。下面簡單介紹汽輪機(jī)組的基本結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。一、汽輪機(jī)組的基本培構(gòu) (一)汽輪機(jī)本體 汽輪機(jī)本體是汽輪機(jī)組的主要組成部分，它由轉(zhuǎn)動(dòng)部分(轉(zhuǎn)子)和固定部分(靜子)組成。轉(zhuǎn)動(dòng)部分包括動(dòng)葉柵、葉輪、主軸和聯(lián)軸器及緊固件等旋轉(zhuǎn)部件；固定部分包括汽缸、蒸汽室、噴嘴、隔板、靜葉持環(huán)、汽封、軸承、軸承座、滑銷系統(tǒng)、機(jī)座以及有關(guān)緊固零件等。 1轉(zhuǎn)子 汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分總稱轉(zhuǎn)子，由轉(zhuǎn)軸、動(dòng)葉柵和聯(lián)軸器組成。它是汽輪機(jī)最重要的部件之一，擔(dān)負(fù)著把從噴嘴葉柵出來的蒸汽的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)檩S旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能及功率傳遞的重任。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)可分為轉(zhuǎn)輪式和轉(zhuǎn)鼓式兩種基本類型。轉(zhuǎn)輪式轉(zhuǎn)子具有安裝葉片的葉輪，一般由主軸、葉輪、動(dòng)葉片和聯(lián)軸器組成；而轉(zhuǎn)鼓式轉(zhuǎn)子沒有葉輪，動(dòng)葉直接裝在轉(zhuǎn)鼓上。通常沖動(dòng)式汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)子采用轉(zhuǎn)輪式轉(zhuǎn)子，反動(dòng)式汽輪機(jī)為避免軸向推力過大而采用轉(zhuǎn)鼓式轉(zhuǎn)子。 轉(zhuǎn)子工作時(shí)，高速旋轉(zhuǎn)，它除了要轉(zhuǎn)換能量、傳遞扭矩外，還要承受著葉片、葉輪、主軸本身質(zhì)量離心力所引起的很大應(yīng)力，以及由于溫度分布不均勻引起的熱應(yīng)力和轉(zhuǎn)子振動(dòng)產(chǎn)生的交變應(yīng)力。所以，要求轉(zhuǎn)子具有很高的強(qiáng)度和均勻的質(zhì)量，以保證其安全工作。運(yùn)行中要特別監(jiān)視轉(zhuǎn)子的工作狀況。任何設(shè)計(jì)、制造、安裝、運(yùn)行等方面的疏忽，都可能造成重大事故。 大型汽輪機(jī)組的轉(zhuǎn)子分高壓轉(zhuǎn)子、中壓轉(zhuǎn)子和低壓轉(zhuǎn)子，它們用剛性聯(lián)軸器連成一體。 動(dòng)葉片是汽輪機(jī)中數(shù)量和規(guī)格最多的零件，它裝在轉(zhuǎn)子的葉輪(沖動(dòng)式汽輪機(jī))或轉(zhuǎn)鼓(反動(dòng)式汽輪機(jī))上，構(gòu)成動(dòng)葉柵，承受來自噴嘴或靜葉柵的高速汽流的沖擊和自身兩側(cè)蒸汽的壓力差，完成一個(gè)級中蒸汽的動(dòng)能和熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的過程。 葉片的工作條件惡劣，又同時(shí)受到拉應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、擠壓應(yīng)力、剪切應(yīng)力、扭曲應(yīng)力作用，所以，葉片是汽輪機(jī)中出事故較高的零件之一。因此，葉片的結(jié)構(gòu)不但應(yīng)使動(dòng)葉柵具有良好的氣體動(dòng)力特性，以保證能量轉(zhuǎn)換的高效率，而且應(yīng)當(dāng)有足夠的強(qiáng)度和良好的振動(dòng)特性。對于在高溫區(qū)工作的葉片，應(yīng)當(dāng)考慮材料的蠕變問題；對于在濕蒸汽區(qū)工作的葉片應(yīng)當(dāng)考慮材料受濕蒸汽沖蝕的問題。在運(yùn)行和維護(hù)工作中，也要掌握不同葉片各部位的受力情況，進(jìn)行合理的運(yùn)行維護(hù)，防止葉片長期在低周波狀態(tài)下運(yùn)行。任何一個(gè)葉片在工作時(shí)斷裂都有可能造成嚴(yán)重事故，必須引起足夠的重視。 動(dòng)葉片一般由葉型部分、葉頂部分和葉根部分組成。 2靜子 (1)汽缸。汽缸是汽輪機(jī)的外殼，它是汽輪機(jī)中重量大、形狀復(fù)雜并且處在高溫高壓下工作的一個(gè)部件。汽缸內(nèi)安裝著噴嘴室、隔板、隔板套等零部件。汽缸外連接著進(jìn)汽、排汽、抽汽等管道。汽缸除了承受內(nèi)外壓差以及汽缸本身和裝在其中的各零部件的重量等靜載荷外，還要承受由于沿汽缸軸向、徑向溫度分布不均勻(尤其在啟動(dòng)、停機(jī)和工況變化時(shí))而引起的熱應(yīng)力，特別是高參數(shù)、大功率汽輪機(jī)這個(gè)問題更為突出。因此，在考慮汽缸結(jié)構(gòu)時(shí)，除了要保證足夠的強(qiáng)度、剛度和保證各部分受熱時(shí)自由膨脹以及通流部分有較好的流動(dòng)性能外，還應(yīng)考慮在滿足強(qiáng)度和剛度的要求下，盡量減薄汽缸壁和連接法蘭的厚度，并力求使汽缸形狀簡單、對稱，以減小熱應(yīng)力。此外，為了節(jié)省高級耐熱合金鋼還應(yīng)使高溫高壓部分限制在盡可能小的范圍內(nèi)。 (2)噴嘴組、靜葉環(huán)和靜葉持環(huán)。大功率汽輪機(jī)基本上都是采用噴嘴調(diào)節(jié)，這種調(diào)節(jié)方法具有在部分負(fù)荷下效率高的優(yōu)點(diǎn)。噴嘴調(diào)節(jié)法是在主汽門后用幾個(gè)調(diào)節(jié)汽門分別控制相對應(yīng)的幾個(gè)噴嘴弧(噴嘴組)，當(dāng)汽輪機(jī)負(fù)荷變化時(shí)，各調(diào)節(jié)汽門按規(guī)定的順序依次開或關(guān)，以改變進(jìn)汽量，調(diào)節(jié)汽輪機(jī)的出力。噴嘴調(diào)節(jié)的汽輪機(jī)的第一級稱為調(diào)節(jié)級。調(diào)節(jié)級噴嘴葉柵通常是由若干個(gè)噴嘴組成噴嘴弧段后，再固定在單獨(dú)設(shè)置的噴嘴室的圓弧形槽道中。從汽輪機(jī)的第二級開始，以后的各級噴嘴葉柵則固定在靜葉環(huán)(隔板)上，而靜葉環(huán)可直接固定在汽缸上，也可固定在靜葉持環(huán)(隔板套)上，但多半是固定在靜葉持環(huán)上，靜葉持環(huán)再固定在汽缸上。 (3)汽封。在汽輪機(jī)級內(nèi)，在靜葉環(huán)和主軸的間隙處，以及動(dòng)葉頂部與汽缸(或靜葉持環(huán))的間隙處存在漏汽。此外，在汽輪機(jī)的高壓端或高中壓缸的兩端，在主軸穿出汽缸處，蒸汽會向外泄漏。這些漏汽都將使汽輪機(jī)的效率降低，并增大工質(zhì)損失。在汽輪機(jī)低壓端或低壓缸的兩端，因汽缸內(nèi)的壓力低于大氣壓力，在主軸穿出汽缸處。會有空氣漏人汽缸，使機(jī)組真空惡化，并增大抽氣器的負(fù)荷。為了減少汽輪機(jī)各動(dòng)靜間隙處的褥汽和防止空氣從軸端漏人汽缸，保證汽輪機(jī)正常安全運(yùn)行，在汽輪機(jī)的上述間隙部位都設(shè)置了汽封。汽封的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，目前大型汽輪機(jī)組普遍采用迷官式汽封。 (4)軸承。軸承是汽輪機(jī)的一個(gè)重要組成部件。汽輪機(jī)的軸承有支持軸承和推力軸承兩種類型。前者用來承受轉(zhuǎn)子的重量、調(diào)節(jié)級部分進(jìn)汽引起的不平衡蒸汽作用力和轉(zhuǎn)子不平衡質(zhì)量的離心力，并確定轉(zhuǎn)子的徑向位置，以保證轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)中心和汽缸中心保持一致；后者是用來承受汽輪機(jī)運(yùn)行時(shí)蒸汽作用在轉(zhuǎn)子上的軸向推力和發(fā)電機(jī)傳來的軸向力，并確定轉(zhuǎn)子在汽缸中的軸向位置，以保證汽輪機(jī)的通流部分軸向動(dòng)、靜間隙在允許范圍內(nèi)。 (5)盤車裝置。在汽輪機(jī)啟動(dòng)沖轉(zhuǎn)前和停機(jī)后，使轉(zhuǎn)子以一定的轉(zhuǎn)速連續(xù)地轉(zhuǎn)動(dòng)，以保證轉(zhuǎn)子均勻受熱和冷卻的裝置稱為盤車裝置。 (二)凝汽系統(tǒng)與設(shè)備 凝汽系統(tǒng)的主要用途是在汽輪機(jī)的排汽室建立并維持要求的真空，使蒸汽在汽輪機(jī)中膨脹到指定的壓力，以提高汽輪機(jī)的可用焙降，將更多的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能；同時(shí)凝汽器將汽輪機(jī)的排汽凝結(jié)成水，達(dá)到回收工質(zhì)的目的。 圖3-1是凝汽系統(tǒng)的示意圖。它由凝汽器、循環(huán)水泵、抽氣器、凝結(jié)水泵和相應(yīng)的管道與閥門組成。汽輪機(jī)的排汽從排汽口排出進(jìn)入凝汽器，循環(huán)水泵不斷地將循環(huán)水打人凝汽器，吸收蒸汽的凝結(jié)放熱，蒸汽被冷卻并凝結(jié)成水。凝結(jié)水由凝結(jié)水泵抽走。凝汽器內(nèi)壓力很低，比較容易漏人空氣，空氣將阻礙傳熱，因此用抽氣器不斷地將空氣抽走。1凝汽器 凝汽器是凝汽系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備。凝汽器有混臺式和表面式兩種。目前，混合式凝汽器由于無法回收工質(zhì)已被淘汰。在電廠中使用的凝汽器全部為表面式。表面式凝汽器的冷卻水在管子內(nèi)部流動(dòng)，汽輪機(jī)排汽在管子外部流動(dòng)。 表面式凝汽器雖有多種型式，但其結(jié)構(gòu)大致相同，主要由喉部接管、殼體、管板和隔板、熱水井、冷卻水管等組成。 (1)喉部接管(接頸)。喉部接管是汽輪機(jī)低壓缸排汽口和凝汽器殼體之間的連接管，一般呈梯形，用低碳鋼板焊接而成。為增強(qiáng)厚度，在外部和內(nèi)部焊有大量的加強(qiáng)筋板。大型機(jī)組為了充分利用汽輪機(jī)的排汽余熱，提高機(jī)組的熱效率，在喉部接管中還布置了最末一級低壓加熱器。 (2)殼體。殼體用低碳鋼板焊接而成，為了增加強(qiáng)度，外部用了大量型鋼(槽鋼、角鋼或鋼板)加固。下部焊有支座。殼體兩端為水室。根據(jù)冷卻水在凝汽器中的流程數(shù)，可將凝汽器分為單路單流程、單路雙流程、雙路單流程和雙路雙流程凝汽器。一般來說，大型機(jī)組的凝汽器都采用雙路雙流程結(jié)構(gòu)。凝汽器殼體中部有抽氣口，以便抽出凝汽器內(nèi)集聚的不凝結(jié)氣體。(3)管板和隔板。管板和隔板在凝汽器中起固定和支持凝汽器冷卻管的作用。在凝汽器兩端起固定(脹接)冷卻管作用的叫管板，在中間起支撐冷卻管作用的叫隔板。所以凝汽器一般有管板兩塊，隔板若干塊。此外，管板和隔板還起到凝汽器的加固和支撐作用，以便增加凝汽器的強(qiáng)度。管板和隔板上管孔的布置和排列方式，是凝汽器設(shè)計(jì)和制作過程中非常重要的一環(huán)，它關(guān)系到汽流流動(dòng)阻力，傳熱效果(冷凝效果)和除氧效果。凝汽器中管子排列方式有正方形排列方式、三角形排列方式、轉(zhuǎn)移軸線排列方式和輻向排列方式四種。后兩種排列方式的傳熱效果比前兩種排列方式的傳熱效果好。 (4)冷卻管。冷卻管是凝汽器的主要傳熱元件，蒸汽的熱量通過冷卻管傳遞給冷卻水后變成凝結(jié)水。冷卻管的材料主要有銅和鋅的合金，使用海水冷卻的凝汽器用鈦合金管作冷卻管。為了減，J、傳熱阻力，一般將冷卻管制成薄壁管，壁厚在1mm左右。冷卻管兩端脹接在管板上，中間靠隔板支撐。 (5)熱水井。熱水井位于凝汽器的下部，由鋼板焊接而成，是匯集凝結(jié)水的容器。在熱水井的下部，有凝結(jié)水泵接口，其他排人凝汽器的疏水和補(bǔ)給水，均由凝汽器喉部進(jìn)入。 2循環(huán)水泵 循環(huán)水泵為汽輪機(jī)凝汽器輸送大量冷卻水，使汽輪機(jī)排汽凝結(jié)，并保持凝汽器的真空。 由于凝結(jié)1Kg的排汽約需要5060kg冷卻水，而且進(jìn)人凝汽器的冷卻水不需要很大的壓力，因此循環(huán)水泵的特點(diǎn)是流量大、揚(yáng)程低。 循環(huán)水系統(tǒng)有開式循環(huán)水系統(tǒng)和閉式循環(huán)水系統(tǒng)兩種型式。開式循環(huán)水系統(tǒng)是從江河上游取水，經(jīng)凝汽器后直接排人下游，在水源充足的情況下采用此種循環(huán)水系統(tǒng)。在水源不足的情況下，采用閉式循環(huán)水系統(tǒng)，即冷卻水經(jīng)凝汽器后進(jìn)人冷卻塔，通過淋水裝置，蒸發(fā)掉一部分，溫度降低后，又重新自流到循環(huán)水泵人口，如此循環(huán)使用。循環(huán)水泵有軸流泵和離心泵兩大類，采用開式循環(huán)系統(tǒng)的可使用軸流泵和離心泵；采用閉式循環(huán)系統(tǒng)的，絕大多數(shù)使用離心泵。 3抽氣器 抽氣器的作用是抽出凝汽器內(nèi)的不凝結(jié)氣體，以保持凝汽器的真空和良好的傳熱效果。抽氣器實(shí)質(zhì)上起壓氣機(jī)的作用，它將蒸汽和空氣混合物從很低的壓力壓到略高于大氣壓，以排人大氣。抽氣器的增壓比一般為1540。抽氣器有噴射式抽氣器和真空泵兩大類。噴射式抽氣器又分為射水抽氣器和射汽抽氣器。國內(nèi)電站中的小型機(jī)組一般用射汽抽氣器；大型單元再熱機(jī)組上一般用射水抽氣器；近幾年來，在300MW機(jī)組上一般應(yīng)用水環(huán)式真空泵。 4凝結(jié)水泵 凝結(jié)水泵又叫冷凝泵，它的作用是將凝汽器中的凝結(jié)水抽出，經(jīng)過兩條路線進(jìn)入除氧器。一條是經(jīng)過凝結(jié)水精處理設(shè)備處理后逐級經(jīng)過低壓加熱器，進(jìn)入除氧器；另一條是不經(jīng)過凝結(jié)水處理設(shè)備，而直接經(jīng)過低壓加熱器進(jìn)入除氧器。 由于凝汽器在運(yùn)行時(shí)具有較高的真空值，因此凝結(jié)水泵的吸人側(cè)處于高度真空狀態(tài)，而凝結(jié)水溫度又接近于該壓力下的飽和溫度，所以凝結(jié)水泵內(nèi)極易造成汽化或發(fā)生空氣謂人泵內(nèi)的現(xiàn)象。由于上述原因，凝結(jié)水泵具有一些特殊的結(jié)構(gòu)。 一般來說，凝結(jié)水泵有臥式和立式兩種結(jié)構(gòu)。 臥式凝結(jié)水泵一般只在小機(jī)組上使用。臥式凝結(jié)水泵一般采用多級對稱布置結(jié)構(gòu)。首級位于中間且采用雙吸式結(jié)構(gòu)，以降低入口流速，增強(qiáng)抗汽蝕的能力。對稱式結(jié)構(gòu)可以消除軸向推力。 大型機(jī)組普遍采用立式凝結(jié)水泵。立式凝結(jié)水泵主要由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。定子一般由下導(dǎo)軸承、推力軸承、錐形導(dǎo)流管、中段導(dǎo)葉、導(dǎo)葉接管等組成。轉(zhuǎn)子由軸、葉輪、平衡鼓、誘導(dǎo)輪等組成。整個(gè)泵體放人外簡體內(nèi)。(三) 回?zé)峒訜嵯到y(tǒng)與設(shè)備 回?zé)峒訜嵯到y(tǒng)與設(shè)備是汽輪機(jī)組的主要輔助系統(tǒng)與設(shè)備?，F(xiàn)代發(fā)電用汽輪機(jī)組的回?zé)嵯到y(tǒng)由若干個(gè)低壓加熱器(簡稱低加)、若干個(gè)高壓加熱器(簡稱高加)、除氧器、給水泵、連接管道、閥門等組成。上述設(shè)備組成一個(gè)串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。如圖3-2所示。為國產(chǎn)N300MW機(jī)組回?zé)嵯到y(tǒng)示意。在回?zé)峒訜嵯到y(tǒng)中，低壓加熱器因工作壓力和溫度都比較低，所以故障率相對來說比較低。而高壓加熱器的工作壓力是火電機(jī)組熱力系統(tǒng)中壓力最高的，并且高壓加熱器的工作溫度也比較高，所以高壓加熱器的事故率比較高，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。 (四)調(diào)節(jié)保護(hù)系統(tǒng) 大型電站汽輪機(jī)組的調(diào)節(jié)與保護(hù)系統(tǒng)由數(shù)字電液控制系統(tǒng)(DEH)、汽輪機(jī)本體安全監(jiān)視保護(hù)系統(tǒng)(TSI)以及危急保護(hù)跳閘裝置(：ETS)組成。其中，DEH控制系統(tǒng)由兩大部分組成即EH系統(tǒng)(液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu))和DEH控制裝置(計(jì)算機(jī)控制部分)。EH系統(tǒng)是DEH系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，DEH控制裝置是：DEH系統(tǒng)的指揮中心。 300MW汽輪機(jī)組DEH控制系統(tǒng)，吸收了分散系統(tǒng)可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，主要硬件都采用微處理機(jī)，從而可以簡化硬件電路，提高系統(tǒng)的可靠性該系統(tǒng)主要由五大部分組成。(1)控制裝置。主要包括數(shù)字計(jì)算機(jī)、混合數(shù)模插件、接口和電源等設(shè)備，都集中布置在四個(gè)柜內(nèi)。主要用于給定和反饋信號、邏輯運(yùn)算和發(fā)出指令進(jìn)行控制等。 (2)外圍設(shè)備。外圍設(shè)備包括DEH操作盤、信號指示盤、屏幕顯示器(CRT)及打印機(jī)等。它們是機(jī)組的控制中心，通常布置在控制室內(nèi)。操作盤和指示盤包括電指示器、按鈕開關(guān)等，主要用于顯示運(yùn)行中機(jī)組主要的狀態(tài)、顯示機(jī)組的轉(zhuǎn)速或負(fù)荷的目標(biāo)值和給定值、閥門位置和極限值。 (3)DEH執(zhí)行機(jī)構(gòu)。汽輪機(jī)所有主汽門和調(diào)節(jié)汽門的開度均由各自的執(zhí)行機(jī)構(gòu)來控制。執(zhí)行機(jī)構(gòu)則由一個(gè)液壓油缸(油動(dòng)機(jī))和彈簧組成，其開啟靠高壓抗燃油壓力，而關(guān)閉則靠彈簧壓力。油動(dòng)機(jī)與控制塊相連，在控制塊上裝有快速卸載閥、隔離閥和逆止閥，加上相應(yīng)附件組成的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 (4)EH供油系統(tǒng)。EH供油系統(tǒng)的作用是為油動(dòng)機(jī)提供高壓動(dòng)力油。油動(dòng)機(jī)根據(jù)DEH調(diào)節(jié)器的電信號來控制各閥門的開度。高壓抗燃油采用三芳基磷酸脂，它具有良好的抗燃性能和穩(wěn)定性。 (5)ETS控制系統(tǒng)。EIS控制系統(tǒng)即危急跳閘系統(tǒng)，主要監(jiān)視汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速、推力瓦磨損、EH油壓低、凝汽器真空低等。當(dāng)這些參數(shù)超過其允許極限時(shí)，該系統(tǒng)就關(guān)閉汽輪機(jī)的進(jìn)汽閥。另外，通過隔膜閥提供一個(gè)可接受所有外部跳閘(包括機(jī)械超速和手動(dòng)停機(jī))的接口。從機(jī)械超速跳閘和手動(dòng)停機(jī)母管來的潤滑油作用在隔膜閥的上部，使其克服彈簧力將閥門關(guān)閉，同時(shí)封閉自動(dòng)停機(jī)危急跳閘母管的高壓抗燃油的泄油通道。只要機(jī)械超速跳閘和手動(dòng)停機(jī)按鈕動(dòng)作，母管中的油壓消失，彈簧就會打開隔膜閏，泄掉高壓抗燃油，使汽輪機(jī)停機(jī)。潤滑油和抗燃油彼此互不接觸。二、汽輪機(jī)組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析隨著汽輪機(jī)組容量的增大和進(jìn)汽參數(shù)的提高，汽輪機(jī)本體結(jié)構(gòu)變得越來越復(fù)雜，部件尺寸也變得龐大，為使設(shè)備在高參數(shù)下工作時(shí)金屬部件有足夠的強(qiáng)度，汽缸、法蘭、螺栓等設(shè)計(jì)制造得十分笨重。龐大的尺寸和重量，使得加工、制造及安裝非常復(fù)雜，也給運(yùn)行帶來了很多問題。概括地說，現(xiàn)代汽輪機(jī)組的結(jié)構(gòu)具有如下特點(diǎn)。 (1)采用多缸結(jié)構(gòu)。隨著汽輪機(jī)組單機(jī)功率的增大以及進(jìn)汽參數(shù)的提高，整機(jī)的理想焓降會變得很大，在保證每一級最佳速度比的前提下，需要的級數(shù)會很多。若一個(gè)汽缸中容納的級過多，則勢必增加汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的長度，這樣將使轉(zhuǎn)子的剛性降低，難以保證強(qiáng)度和振動(dòng)可靠性，因此必須將轉(zhuǎn)子分成若干段，各段分別支承，因而必須采用多缸結(jié)構(gòu)。當(dāng)然，采用多缸結(jié)構(gòu)，還利于采用再熱循環(huán)，使單機(jī)功率進(jìn)一步提高，有利于軸向推力的平衡，還可以擴(kuò)大通流能力?，F(xiàn)代大功率汽輪機(jī)均采用了多缸結(jié)構(gòu)。如國產(chǎn)N300MW汽輪機(jī)組有一個(gè)高壓缸、一個(gè)中壓缸和兩個(gè)對稱布置的低壓缸。 (2)采用多排汽口。采用多排汽口是提高汽輪機(jī)組單機(jī)功率的有效途徑。在功率不變的情況下，增加排汽口的個(gè)數(shù)，可縮短末級葉片的長度，減小末級葉片所受到的離心拉應(yīng)力。如國產(chǎn)N300MW汽輪機(jī)組采用3個(gè)排汽口；上海汽輪機(jī)廠引進(jìn)美國西屋公司技術(shù)生產(chǎn)的N300MW汽輪機(jī)組采用了四個(gè)排汽口。 (3)高中壓缸采用分流合缸方式。這種布置方式的優(yōu)點(diǎn)是：高溫區(qū)集中在汽缸中部，兩蠟的溫度和壓力均較低，從而減少了對軸承和端部汽封的影響，改善了運(yùn)行條件，并減少了部件的熱應(yīng)力；與分缸設(shè)計(jì)比較，減少了一個(gè)端部軸段，縮短了主軸長度，減少了軸封漏汽量；縮短機(jī)組軸向長度，簡化了機(jī)組結(jié)構(gòu)；平衡了部分軸向推力。 (4)采用多層汽缸結(jié)構(gòu)。如果汽缸壁太厚將會產(chǎn)生過大的熱應(yīng)力。因此，大功率汽輪機(jī)組都采用多層缸結(jié)構(gòu)。如國產(chǎn)200MW汽輪機(jī)組的高壓缸采用內(nèi)、外雙層缸；國產(chǎn)300MW。汽輪機(jī)組的高、中、低壓缸均采用雙層缸。高、中壓缸采用雙層汽缸后，內(nèi)缸主要承受高溫，需要用耐熱舍金材料制造，但承受的壓力相對較小，故內(nèi)缸尺寸較小。外缸在夾層蒸汽冷卻的作用下，溫度較低只需要一般的合金鋼制造即可。另外，雙層缸結(jié)構(gòu)對于汽輪機(jī)啟動(dòng)、停機(jī)時(shí)汽缸的加熱和冷卻均有利，可以縮短啟動(dòng)時(shí)問。對于低壓缸，由于蒸汽容積流量的增大，其尺寸較大。為了使得低壓缸巨大外殼的溫度分布均勻，不產(chǎn)生翹曲變形，低壓缸一般也采用多層缸結(jié)構(gòu)，外層缸采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)，這樣可以減輕低壓缸的重量，節(jié)約材料，增加剮度；內(nèi)缸由于形狀復(fù)雜一般采用鑄造結(jié)構(gòu)。有的大功率汽輪機(jī)組低壓缸采用三層缸結(jié)構(gòu)，這樣做的原因是低壓外缸在可能發(fā)生各種變形的情況下，減少了對通流部分間隙的影響。 (5)加長低壓級葉片長度。加長低壓級葉片長度是提高汽輪機(jī)單機(jī)功率的有效途徑。如東方汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的首臺300MW汽輪機(jī)組，末級葉片長度為1000mm，目前世界上最長的汽輪機(jī)葉片為1320mm用于1500MW、1800r/min的原子能汽輪機(jī)上。 (6)采用雙軸系結(jié)構(gòu)。為了解決大功率汽輪機(jī)排汽口增多使轉(zhuǎn)子過長的問題，可將機(jī)組設(shè)計(jì)成雙軸系結(jié)構(gòu)，圖33為日本三菱公司制造的600MW汽輪機(jī)雙軸系結(jié)構(gòu)示意圖，兩軸系的轉(zhuǎn)速均為3000r/min，第一軸系高壓缸排汽經(jīng)過一次中間再熱后進(jìn)人第二軸系的中壓缸，其排汽再分別進(jìn)人兩個(gè)軸系的低壓缸。值得提出的是，我國生產(chǎn)的大功率汽輪機(jī)組一般采用單軸系結(jié)構(gòu)。(7)機(jī)組的自動(dòng)化水平高。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，使得汽輪機(jī)組的自動(dòng)化控制水平逐漸提高。利用計(jì)算機(jī)可以進(jìn)行運(yùn)行時(shí)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，性能、效率的在線計(jì)算，控制汽輪機(jī)組的自動(dòng)啟動(dòng)、升速、并網(wǎng)、帶負(fù)荷等。如300MW汽輪機(jī)組的控制可由DCS協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)完成，而汽輪機(jī)的數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)(DEH)的功能也比較完善。國外有些電廠已進(jìn)入利用故障診斷技術(shù)，以系統(tǒng)運(yùn)行管理為目標(biāo)的超自動(dòng)化運(yùn)行的火力發(fā)電時(shí)代。第二節(jié) 汽輪機(jī)組的工作特性分析汽輪機(jī)組是以蒸汽為工作介質(zhì)的原動(dòng)機(jī)，它將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能。它既可用來直接驅(qū)動(dòng)其他機(jī)械(如水泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、螺旋槳)，又可用來驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)生產(chǎn)電能。由于汽輪機(jī)組有單機(jī)功率大等優(yōu)點(diǎn)，能長期、連續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行，能量轉(zhuǎn)換效率高，目前是火力發(fā)電廠中唯一的原動(dòng)機(jī)。在我國，占總?cè)萘?0左右的發(fā)電機(jī)是由汽輪機(jī)組驅(qū)動(dòng)的。下面以發(fā)電用汽輪機(jī)為例，來說明汽輪機(jī)組的工作特點(diǎn)。一、汽輪機(jī)組在高參數(shù)條件下工作 汽輪機(jī)組根據(jù)進(jìn)汽壓力來分，可分為中壓、高壓、超高壓、亞臨界和超臨界機(jī)組。但是，即使是容量較小的中小型機(jī)組，其新蒸汽壓力和溫度也分別達(dá)到了3.43MPa和435。目前，中溫中壓機(jī)組正在逐步淘汰?，F(xiàn)代大功率機(jī)組從高溫高壓機(jī)組，發(fā)展到超高壓、亞臨界機(jī)組，以至現(xiàn)在采用了超臨界機(jī)組。從今以后，新投產(chǎn)的汽輪發(fā)電機(jī)組以亞臨界和超臨界機(jī)組為主，有少量的超高壓機(jī)組。因此，大型汽輪機(jī)組的進(jìn)汽參數(shù)非常高，并且毫不例外地采用了蒸汽中間再熱。如哈爾濱汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的300MW汽輪機(jī)的主蒸汽壓力、主蒸汽溫度、再熱蒸汽溫度分別為16.7MPa、537和537；美國GE公司生產(chǎn)的1300MW超臨界機(jī)組的主蒸汽壓力、主蒸汽溫度、再熱蒸汽溫度分別為24.13MPa、543和543。 蒸汽參數(shù)的提高，提高了機(jī)組的循環(huán)效率，但同時(shí)對機(jī)組的運(yùn)行提出了更高的要求。二、汽輪機(jī)組在大溫差、大壓差條件下的工作 現(xiàn)代大型汽輪機(jī)組的軸向尺寸和徑向尺寸都很大，在運(yùn)行時(shí)，部件承受很大的溫度差和壓力差。 在汽輪機(jī)組的徑向，汽缸內(nèi)部為蒸汽，汽缸外部為大氣。在高壓缸進(jìn)汽處，蒸汽的溫度和壓力非常高，汽缸內(nèi)與汽缸外的溫差和壓差都很大。雖然再熱蒸汽的壓力較主蒸汽壓力大為降低，但再熱蒸汽溫度與主蒸汽溫度是一樣的，因此，在中壓缸的進(jìn)汽處，汽缸內(nèi)外仍然有很大的溫差。在低壓缸的排汽口處，汽缸內(nèi)部處于真空狀態(tài)，因此，在此處存在反向的壓力差。徑向的大溫差和大壓差的存在，在部件的內(nèi)部產(chǎn)生了很大的壓力梯度和溫度梯度從而在材料內(nèi)部產(chǎn)生了很大的應(yīng)力。 在汽輪機(jī)組的軸向，進(jìn)汽處的蒸汽參數(shù)非常高，而排汽處的蒸汽壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于一個(gè)大氣壓，排汽溫度也只有數(shù)十?dāng)z氏度。因此，在機(jī)組的軸向也有很大的壓差和溫差。軸向的大壓差和大溫差的存在，使得轉(zhuǎn)子和靜子在軸向產(chǎn)生熱膨脹差(簡稱脹差)，并使轉(zhuǎn)子承受一個(gè)由高壓端指向低壓端的軸向推力。三、汽輪機(jī)組在高轉(zhuǎn)速、高應(yīng)力狀志下工作工業(yè)汽輪機(jī)的工作轉(zhuǎn)速是變化的，從每分鐘數(shù)千轉(zhuǎn)到每分鐘一萬多轉(zhuǎn)不等。但并網(wǎng)運(yùn)行的發(fā)電用汽輪機(jī)是定速運(yùn)行的，轉(zhuǎn)速一般為300rmin(原子能汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速為1500rrain)。由于大型汽輪機(jī)的部件尺寸大，當(dāng)汽輪機(jī)以3000min旋轉(zhuǎn)時(shí)，其轉(zhuǎn)動(dòng)部件的線速度非常大。如哈爾濱汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的300MW汽輪機(jī)的末級葉片的長度達(dá)到900mm，葉頂處的直徑達(dá)到3528mm，運(yùn)行時(shí)葉頂?shù)木€速度達(dá)到554.17ms。 汽輪機(jī)工作時(shí)，其轉(zhuǎn)動(dòng)部件受到的應(yīng)力有，汽流力作用產(chǎn)生的應(yīng)力、離心拉應(yīng)力、溫度應(yīng)力、壓差產(chǎn)生的應(yīng)力、振動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力。在這些應(yīng)力的合成應(yīng)力的作用下，轉(zhuǎn)動(dòng)部件處于很高的應(yīng)力狀態(tài)。值得一提的是，這個(gè)合成應(yīng)力既有恒定成分，又有交變成分。四、汽輪機(jī)組應(yīng)能長期、連續(xù)、穩(wěn)定地運(yùn)行由于電網(wǎng)的頻率要求是基本不變的，因此并網(wǎng)運(yùn)行的汽輪發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速應(yīng)恒定。同時(shí)，在保證額定主蒸汽參數(shù)、額定再熱蒸汽參數(shù)、額定排汽壓力及輔助設(shè)備和系統(tǒng)正常投入的前提下。汽輪機(jī)應(yīng)能長期、連續(xù)、穩(wěn)定地發(fā)出額定負(fù)荷。即使在主蒸汽參數(shù)、再熱蒸汽參數(shù)、排汽參數(shù)稍微偏離設(shè)計(jì)值時(shí)，機(jī)組也應(yīng)維持長期、連續(xù)、穩(wěn)定地運(yùn)行。五、汽輪機(jī)組應(yīng)具有變工況運(yùn)行的能力汽輪機(jī)組除了應(yīng)滿足長期、連續(xù)、穩(wěn)定地發(fā)出額定負(fù)荷的要求外，還應(yīng)具有變工況運(yùn)行及承受一些極限工況的能力。如蒸汽參數(shù)偏離設(shè)計(jì)值、低真空運(yùn)行、機(jī)組甩負(fù)荷、發(fā)電機(jī)出口母線短路、低頻率運(yùn)行、冷態(tài)啟動(dòng)、詞蜂運(yùn)行等。在這些變動(dòng)工況和極限工況條件下，機(jī)組部件的應(yīng)力水平不得超過允許值。六、汽輪機(jī)組應(yīng)具有較高的經(jīng)濟(jì)性汽輪機(jī)組是一種能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，在確保安全性和可靠性的前提下，機(jī)組應(yīng)具有較高的經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)然，沒有安全性就談不上經(jīng)濟(jì)性，因此，機(jī)組在使用過程中首先應(yīng)樹立“安全第一”的思想。一旦機(jī)組的可靠性降低，甚至發(fā)生了故障，將導(dǎo)致重大的經(jīng)濟(jì)損失。在確保安全性和可靠性的前提下，機(jī)組應(yīng)有良好的熱力性能具有較高的熱效率。 提高機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的主要措施有：提高機(jī)組的可靠性，提高可用率；減少工質(zhì)泄漏，對泄漏的工質(zhì)進(jìn)行回收；輔助設(shè)備正常投入使用；維持額定進(jìn)汽和排汽參數(shù)；采取合適的啟停機(jī)操作方式；改善通流部分的流動(dòng)特性。第三節(jié)汽輪機(jī)組的故障與結(jié)構(gòu)因素之間的關(guān)系導(dǎo)致汽輪機(jī)組故障的原因很多，總的來說有設(shè)計(jì)、材質(zhì)、制造工藝、安裝與維護(hù)、運(yùn)行等方面的原因。本節(jié)簡單討論汽輪機(jī)組的故障與結(jié)構(gòu)因素之間的關(guān)系。一、機(jī)組故障與機(jī)組結(jié)構(gòu)復(fù)雜性之間的關(guān)系現(xiàn)代大型汽輪機(jī)組是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)的復(fù)雜度隨機(jī)組容量的增加而增加。系統(tǒng)復(fù)雜度的提高，增加了可能發(fā)生故障的設(shè)備和部件的數(shù)量，同時(shí)還增加了部件間的接口或接頭的數(shù)量，水和蒸汽管道數(shù)量的增加，將增加可能發(fā)生故障的數(shù)量和種類。例如，機(jī)組的很多機(jī)械故障涉及到焊縫和螺栓，而大部分電氣或電子故障涉及到元件的接頭，這種焊縫、螺栓和接頭越多，故障也就越多。水和蒸汽管道數(shù)量的增加，將使工質(zhì)泄漏的可能性增加。 另外，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度越大，勢必要減少各部件原始性能與期望性能間的裕度(即設(shè)備的所“能”離人們的“想要”更近)，這就減少了故障發(fā)生前的劣化余地。 系統(tǒng)的復(fù)雜度提高后，不但系統(tǒng)的故障率提高，同時(shí)系統(tǒng)的故障模型也會發(fā)生變化，由原來簡單系統(tǒng)的與工齡有關(guān)的確定性故障模型逐步演變成隨機(jī)性故障模型，使得對系統(tǒng)故障的預(yù)測更加困難。二、機(jī)組振動(dòng)故障與軸系結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系 汽輪機(jī)組容量越大，組成軸系的轉(zhuǎn)子數(shù)越多，軸系的長度越長，橫向振動(dòng)的臨界轉(zhuǎn)速和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的臨界轉(zhuǎn)速越低，即轉(zhuǎn)子系統(tǒng)顯得更加“軟”。將會帶來如下幾個(gè)方面的問題：(1)容易發(fā)生轉(zhuǎn)子不對中故障。若軸系是由若干個(gè)轉(zhuǎn)子經(jīng)靠背輪連接而成，在連接時(shí)可能因靠背輪偏差或轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子之間的中心偏差而使得軸系產(chǎn)生預(yù)載荷。這種預(yù)載荷大到一定程度時(shí)，將使得軸系在靜態(tài)時(shí)產(chǎn)生撓曲變形，在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)。 (2)容易產(chǎn)生不平衡故障。對于大型汽輪機(jī)組而言，轉(zhuǎn)子軸向的尺寸越大，轉(zhuǎn)子上的輪盤數(shù)越多，發(fā)生轉(zhuǎn)子原始質(zhì)量不平衡故障的可能性就越大，并使不平衡質(zhì)量在空間上連續(xù)分布。因此，一旦出現(xiàn)轉(zhuǎn)子不平衡故障，消除不平街故障的難度和代價(jià)將相應(yīng)增加。 (3)增加了產(chǎn)生油膜振蕩故障的可能性。眾所周知，只有工作轉(zhuǎn)速高于第一階臨界轉(zhuǎn)速兩倍以上時(shí)，轉(zhuǎn)子兩端軸承才可能發(fā)生油膜振蕩。隨著軸系長度的增加，其相應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)速值將降低?，F(xiàn)代大型汽輪發(fā)電機(jī)組各轉(zhuǎn)子的第一階臨界轉(zhuǎn)速都低于其工作轉(zhuǎn)速，個(gè)別轉(zhuǎn)子的第一階臨界轉(zhuǎn)速的兩倍比工作轉(zhuǎn)速還低，這大大增加了轉(zhuǎn)子產(chǎn)生油膜振蕩故障的可能性。一旦其他條件成熟時(shí)，轉(zhuǎn)子將產(chǎn)生油膜振蕩故障，導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。 (4)容易產(chǎn)生軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)故障。軸系長度增加后，抗扭轉(zhuǎn)剛度降低，扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的阻尼也降低，只要電網(wǎng)有一點(diǎn)電氣擾動(dòng)或汽輪機(jī)有一點(diǎn)機(jī)械擾動(dòng)，就可能激起軸系的劇烈扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，輕則縮短軸系的壽命，重則引起轉(zhuǎn)動(dòng)部件的疲勞損壞，甚至轉(zhuǎn)子的斷裂。三、油膜失穩(wěn)故與軸承結(jié)構(gòu)型式及支承方式之間的關(guān)系 汽輪機(jī)組的轉(zhuǎn)子是靠支持軸承支承起來進(jìn)行工作(旋轉(zhuǎn))的。支持軸承的特性對轉(zhuǎn)子工作的穩(wěn)定性具有重要的影響。也就是說，油膜失穩(wěn)故障與軸承的結(jié)構(gòu)型式、結(jié)構(gòu)參數(shù)及軸承的支承方式有著密切的關(guān)系。 1軸瓦的型式對油膜穩(wěn)定性的影響 目前，在現(xiàn)場使用的軸瓦有圓筒瓦、橢圓瓦、三油楔瓦和可傾瓦。在汽輪機(jī)組上使用歷史最長的軸瓦是圓筒瓦和橢圓瓦。但是，圓筒瓦最容易導(dǎo)致油膜失穩(wěn)；橢圓瓦的油膜穩(wěn)定性好于圓筒瓦。根據(jù)有關(guān)資料介紹，使用在汽輪發(fā)電機(jī)組上穩(wěn)定性最好的是可傾瓦其次是橢圓瓦，再次是三油楔瓦，最后是圓筒瓦。 2軸瓦的結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)油膜穩(wěn)定性的影響 即使是同一種型式的軸瓦，采用不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)(長徑比)，油膜的穩(wěn)定性也將不同。一般來說，減小長徑比可以提高軸瓦的工作穩(wěn)定性。原因是，減小長徑比后，一方面提高了軸承的比壓；另一方面使下瓦的油膜力減小，軸瓦偏心率增大。這兩方面都會使油膜的穩(wěn)定性提高。但是，并不是長徑比越小越好，長徑比太，J、，就會導(dǎo)致單位面積軸瓦上的載荷太大，危及軸瓦的安全。因此，每一種型式軸瓦的長徑比都有一個(gè)最佳范圍。 3軸承的標(biāo)高及標(biāo)高變化對油膜穩(wěn)定性的影響 支承軸系的各軸承在靜態(tài)條件下有一個(gè)載荷分配，在動(dòng)態(tài)條件下，各軸承的動(dòng)態(tài)載荷將發(fā)生改變。在靜態(tài)條件下，若各軸承的標(biāo)高設(shè)置不合理，使得有些軸承的載荷太重，而有些軸承的載荷太輕，那些載荷輕的軸承在動(dòng)態(tài)情況下可能失穩(wěn)，而那些載荷過重的軸承在動(dòng)態(tài)條件下可能燒瓦。在動(dòng)態(tài)條件下。各軸承的動(dòng)態(tài)載荷與靜態(tài)載荷相比是不一樣的。這種改變一方面來自轉(zhuǎn)子的動(dòng)態(tài)力，另一方面來自各軸承的標(biāo)高變化。引起軸承動(dòng)態(tài)標(biāo)高變化的原因較多，其中主要原因是溫度變化和軸承基礎(chǔ)的變化。 機(jī)組在運(yùn)行時(shí)，可通過導(dǎo)熱、對流(熱空氣、軸封漏汽)和輻射的形式將熱量傳至軸承座上，使得軸承座的溫度較冷態(tài)時(shí)的溫度要高。但是，各軸承的溫度場是不一樣的，從而導(dǎo)致各軸承座在垂直方向的熱膨脹量有較大差異，引起軸系揚(yáng)度曲線的變化，導(dǎo)致一部分軸承的動(dòng)態(tài)載荷減輕，一部分軸承的動(dòng)態(tài)載荷增加。 大型汽輪機(jī)組的軸承有些直接固定在基礎(chǔ)框架上，有些固定在汽缸上。如國產(chǎn)300MW汽輪機(jī)組的#1軸承固定在前軸承箱的箱體上，#2軸承固定在基礎(chǔ)框架上，#3和#4軸承固定在排汽缸上。凝汽器抽真空后，#3和#4軸承將隨低壓缸一起下沉，此時(shí)，#2軸承的載荷將明顯增加，而轉(zhuǎn)子在#l軸承處上翹，使#1軸承的載荷降低。四、動(dòng)靜間隙與機(jī)組故障之間的關(guān)系為了防止機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部件和靜止部件之間發(fā)生接觸摩擦，在轉(zhuǎn)動(dòng)部件和靜止部件之間設(shè)置了一定的徑向間隙和軸向間隙。如果動(dòng)靜同隙的選擇不恰當(dāng)，將給機(jī)組運(yùn)行造成以下幾個(gè)方面的影響： (1)動(dòng)靜間隙過大，造成工質(zhì)泄漏。如果軸封的問隙太大，將有大量的工作介質(zhì)從軸端漏出，使得做功的工作介質(zhì)量減少；若靜葉環(huán)汽封的間隙太大，將有大量的蒸汽從靜葉前漏至靜葉后，擾亂了做功蒸汽的主流；如果動(dòng)葉頂部汽封間隙太大，將有較多舶蒸汽從靜葉和動(dòng)葉間隙處精至級后，減少了級的做功蒸汽量。由此可知，動(dòng)靜間隙過大，將降低機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。 (2)動(dòng)靜間隙過小，引起動(dòng)靜碰磨。若動(dòng)靜間隙設(shè)置過小，在熱態(tài)條件下，由于部件熱膨脹的原因，可能使得部分動(dòng)靜間隙為零甚至為負(fù)，此時(shí)機(jī)組會發(fā)生動(dòng)靜碰磨，引起機(jī)組劇烈振動(dòng)，嚴(yán)重危及機(jī)組的安全。動(dòng)靜碰磨是汽輪機(jī)組的常見故障。 (3)動(dòng)靜間隙周向不均勻，引起蒸汽渦動(dòng)。機(jī)組若因安裝或檢修的原因造成動(dòng)靜間隙周向不均勻，在運(yùn)行時(shí)，將在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生一個(gè)渦動(dòng)力，此渦動(dòng)力推動(dòng)轉(zhuǎn)子作渦動(dòng)運(yùn)動(dòng)。此種渦動(dòng)運(yùn)動(dòng)是一種自激振蕩，渦動(dòng)的頻率低于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)額率。轉(zhuǎn)子的這種渦動(dòng)運(yùn)動(dòng)將導(dǎo)致機(jī)組劇烈振動(dòng)，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全。第四節(jié)汽輪機(jī)組的故障與運(yùn)行因素之間的關(guān)系運(yùn)行因素是導(dǎo)致汽輪機(jī)組故障的重要外因。導(dǎo)致機(jī)組故障的運(yùn)行原因很多，且很復(fù)雜，本節(jié)只簡單討論導(dǎo)致汽輪機(jī)組故障的運(yùn)行原因。 一、機(jī)組故障與主蒸汽狀態(tài)和凝汽器真空之間的關(guān)系 1主蒸汽狀態(tài)與機(jī)組故障之間的關(guān)系 主蒸汽(包括再熱蒸汽)的狀態(tài)對機(jī)組運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性都有很大的影響。當(dāng)主蒸汽狀態(tài)偏離設(shè)計(jì)狀態(tài)時(shí)，將導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性下降，并對機(jī)組運(yùn)行的安全產(chǎn)生如下幾種可能的影響。 (1)蒸汽溫度的影響。每臺汽輪機(jī)組都有額定的主蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度，汽輪機(jī)組關(guān)鍵部件(如進(jìn)汽部分、噴嘴、動(dòng)葉、轉(zhuǎn)子、汽缸等)的選材均應(yīng)與蒸汽溫度相匹配。如果主蒸汽溫度(或再熱蒸汽溫度)長期高于額定值，則關(guān)鍵部件的材料長期處在較高的熱應(yīng)力作用下而產(chǎn)生高溫蠕變，引起機(jī)組故障，并縮短材料的使用壽命。如果主蒸汽溫度特別是再熱蒸汽溫度低于額定值，而蒸汽的壓力維持額定值，將使得排汽的濕度增加，低壓缸的最末幾級在濕蒸汽區(qū)工作，輕則引起動(dòng)葉汽蝕，重則使動(dòng)葉產(chǎn)生疲勞裂紋甚至動(dòng)葉斷裂，且產(chǎn)生過大的軸向推力，影響推力軸承的安全。在機(jī)組啟動(dòng)過程中，進(jìn)人汽缸后的蒸汽溫度應(yīng)比高壓汽缸內(nèi)缸下壁溫度高5060如果進(jìn)人汽輪機(jī)的蒸汽溫度低于汽缸金屬溫度，不僅使轉(zhuǎn)子脹差負(fù)值過大，還可能引起上、下汽缸溫差過大，汽缸產(chǎn)生拱背彎曲，造成機(jī)組動(dòng)靜部分發(fā)生摩擦引起大軸彎曲。 (2)蒸汽溫度變化率的影響。主蒸汽(或再熱蒸汽)溫度變化率的大小對機(jī)組的安全有重大影響，特別是在機(jī)組啟動(dòng)或停機(jī)過程中更是如此。大型汽輪機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)部件和靜止部件的體積和質(zhì)量都比較大，熱容量也比較大，當(dāng)蒸汽溫度的變化率較大時(shí)，材料表面的溫度隨蒸汽溫度的變化較快，而部件內(nèi)部材料的溫度變化較慢，從而在部件中產(chǎn)生溫度應(yīng)力。溫度應(yīng)力的效應(yīng)是使靜止部件(如汽缸)變形，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生熱態(tài)彎曲，導(dǎo)致機(jī)組振動(dòng)。如果蒸汽溫度經(jīng)?？焖俚卦黾雍徒档?，則會使部件產(chǎn)生交變的熱應(yīng)力，導(dǎo)致材料出現(xiàn)裂紋，并使裂紋不斷地?cái)U(kuò)展，最終使材料破壞，縮短機(jī)組壽命，并可能引起嚴(yán)重的故障。 (3)蒸汽中帶水的影響。蒸汽攜帶水或冷蒸汽(低溫的飽和蒸汽)進(jìn)入汽輪機(jī)，會導(dǎo)致嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)損壞、機(jī)械故障和非計(jì)劃停機(jī)。蒸汽帶水產(chǎn)生的影響有：使葉片特別是較長的葉片受到水沖擊而損傷或斷裂；使轉(zhuǎn)子永久彎曲、汽缸變形、相對脹差急劇變化，并導(dǎo)致動(dòng)靜部分軸向和徑向碰磨，機(jī)組產(chǎn)生劇烈的振動(dòng)；引起金屬裂紋；閱門或汽缸結(jié)合面漏汽；軸向推力急劇增加，甚至推力瓦燒壞。 (4)主蒸汽品質(zhì)的影響。如果蒸汽品質(zhì)長期不合格，蒸汽攜帶的鹽分會沉積在動(dòng)葉表面，這種現(xiàn)象稱為通流部分結(jié)垢。動(dòng)葉汽道結(jié)垢使汽道的通流面積減少，從而導(dǎo)致級的做功能力下降，級效率降低，軸向推力增加。如果動(dòng)葉結(jié)垢不均勻，將使機(jī)組產(chǎn)生振動(dòng)。 2凝汽器真空與機(jī)姐故障之間的關(guān)系 凝汽器的真空度有一個(gè)最佳值，若將凝汽器真空值維持在最佳值附近，機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性和安全性將大為提高。如果真空度偏離最佳值較遠(yuǎn)，不但會降低機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)還會降低機(jī)組運(yùn)行的安全性。凝汽器真空度太低，意味著排汽壓力和排汽溫度都會提高，引起排汽缸變形，導(dǎo)致機(jī)組振動(dòng)。凝汽器真空度太高，除了增加抽氣系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，降低抽氣系統(tǒng)的可靠性外，還會使蒸汽在最末級動(dòng)葉外膨脹，擾亂排汽流場，給末級動(dòng)葉增加一個(gè)擾動(dòng)源。二、機(jī)組故障與電氣擾動(dòng)之間的關(guān)系 發(fā)電用的汽輪機(jī)組的轉(zhuǎn)子通過聯(lián)軸器與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子連接在一起成為一個(gè)軸系。若發(fā)電機(jī)或電力系統(tǒng)出現(xiàn)電氣擾動(dòng)，必然通過發(fā)電機(jī)將擾動(dòng)以一定的方式作用到汽輪機(jī)上，給汽輪機(jī)的工作帶來影響。電氣擾動(dòng)主要有電氣故障和電氣操作。電力系統(tǒng)中的電氣故障包括單相短路、兩相短路、三相短路、負(fù)荷不對稱等。電力系統(tǒng)出現(xiàn)電氣故障時(shí)，將在發(fā)電機(jī)上產(chǎn)生交變電流，從而在發(fā)電機(jī)上產(chǎn)生交變的阻力矩，激起軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，在軸系中產(chǎn)生很大的交變扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力。發(fā)電機(jī)的電氣故障有氣隙不均勻和發(fā)電機(jī)匝間短路，這些故障將使軸系產(chǎn)生橫向振動(dòng)。 電氣操作(包括故障切除和重合閘)也會在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生短時(shí)間的交變電流，在發(fā)電機(jī)上產(chǎn)生交變的阻力矩，激起軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。三、機(jī)組調(diào)峰與機(jī)組故障之間的關(guān)系 汽輪機(jī)組的調(diào)峰運(yùn)行是指機(jī)組用于驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的一種運(yùn)行方式。隨著電網(wǎng)峰谷差的增大，火電機(jī)組參與調(diào)峰勢在盼行。國外火電機(jī)