AP1000汽轮机主要设备结构浅析

工作转速1500转/分的半转速型、单轴、四缸六排汽的反动凝汽式汽轮机，末级动叶片长1375mm，额定输出功率为1251MW。汽轮机组由1台高压缸和3台低压缸及其辅助设备组成，辅助设备包括主汽阀和主调阀、MSR、盘车装置、转子轴承、润滑油系统、轴封系统和仪表控制等系统。主汽阀和主调阀布置在高压缸两侧，高压转子和三个低压转子通过刚性联轴器联接成一个轴系，再通过刚性联轴器与发电机转子相联。两台卧式汽水分离器（MSR）布置在汽轮机本体两侧，用于接收高压缸排汽，通过二级加热后将蒸汽输送至三台低压缸中。

2 汽轮机主要设备结构

在汽轮机组中，主汽阀和主调阀、低压缸、高压缸是最重要的设备，其中主汽阀和主调阀对汽轮机的控制调节和保护起着重要作用，高压缸和低压缸模块是汽轮机本体最主要的组成设备。另外，低压末级叶片结构和防湿对机组通流效率和运行寿命有很大影响，汽轮机滑销系统对机组的定位和运行安全性同样起至关重要的作用。在这里也将对以上部分结构进行简要分析：

2.1 主汽阀和主调阀

汽轮机共有4个主汽门（MSV）和4个主调门（GV），组成2台联合阀组布置在高压缸两侧，每个联合阀组两端为MSV，中间为2台GV，如图1所示。其中一个主汽阀的进汽端用刚性支撑，另一进汽端为挠性支撑，用于平衡阀门轴向膨胀力和振动。4台主汽阀为带先导阀的非平衡活塞式阀门，主调阀为带消音器的平衡活塞式阀门。

在主汽阀的结构中，设置了一个先导阀（pilot valve）。在机组启动过程中，首先开启先导阀，确保汽轮机部件均匀受热，并且在汽轮机从静止升速至额定转速的过程中，先导阀保持全开状态，以减小阀座附近的蒸汽速度，从而减小蒸汽对阀座的直接冲击和腐蚀。考虑到安装空间的限制，MSV的油动机垂直于阀杆运动方向，为此在两者之间设置一套连杆传递装置，如图2所示。MSV容易出现的问题主要有倒密封部件、阀杆与阀套之间出现腐蚀、十字接头定位销和阀杆定位孔不准、阀芯和阀座结合面不好的问题，后续需要定期进行检查维护。

4台主调阀（GV）为带消音器的平衡活塞式阀门，这主要是考虑到GV在汽轮机汽量调节中使用频繁。在阀门的阀芯上开平衡孔，降低阀门打开所需的力度，在阀芯外层还设置有消音器，这是为了降低阀门在较小开度时，由于汽流的冲击而造成的噪音。

在MSR至低压缸的每根蒸汽管道上，分别设置1台再热主汽阀（RSV）和1台再热调阀（ICV）。再热主汽阀和再热调阀均为蝶型阀，结构开关方便，且全开时压力损失小，在每个再热主汽阀和再热调阀阀杆汽封装置处均装有阀杆漏气收集管理。阀板是支撑在阀杆上的，阀杆受力较大，因此阀杆上设有球面轴承以吸收阀杆的变形。同时在轴承内表面和轴承座圈上设置有DU垫片以减小摩擦。

2.2 低压缸

2.2.1 低压内、外缸结构。AP1000低压缸采用三菱传统的低压缸体结构，即外缸和内缸分别支撑在平台基础上，使内缸和外缸相互分离。内缸由下半部的4个撑脚水平支撑在基座上，使重量由基座直接承担，如图3所示：

这样的结构有如下优点：（1）使外缸和轴系互不关联，保证低压转子在运行工况改变的情况下垂直位置不发生改变，保持高度同心度；（2）低压内缸中静止部件不受外缸变形影响；（3）轴封直接由位于基座上的轴承箱支撑，避免转子和轴封之间的摩擦。

2.2.2 内缸通流部分结构。低压缸内缸通流部分采用对称分流排汽设计，两侧各10级动、静叶片，其中前5级为一组蒸汽室固定在一个隔板套上，6、7级静叶片固定在一个隔板套上，末3级叶片考虑其体积和重量都较大，因此采用独立隔板套固定方式。

低压转子材料为低合金钢（3.5%NiCrMoV 钢）锻件，与套装转子相比，可减小离心切向应力，减小汽轮机产生飞射物的概率。叶轮和联轴器与主轴锻造为一个整体，叶轮重量减小。每个汽机转子装有两个径向滑动轴承，均为强制润滑型。

在低压缸与轴封之间通过金属波纹节连接，金属波纹节固定在低压外缸上，用于吸收缸体变形，波纹节内圈与汽封体相连接。低压缸底部通过柔性膨胀接头与冷凝器外壳连接。1号和2号低压转子之间以及2号和3号低压缸转子之间用短轴连接。

在每个低压缸外缸顶部，共有4个大汽阀组件，用于在低压缸内部压力超压时释放压力，爆破膜正常动作压力在34kPa，并与低真空机械跳机装置连锁。

2.3 高压缸

2.3.1 高压缸通流部分。高压缸通流部分同样为对称分流布置，为了提高汽轮机的效率，在设计上不采用调节级。隔板套支撑于缸体的水平接合面，并在水平和底部设有定位销以固定隔板套随温度变化膨胀或收缩过程中的轴向位置。高压缸的10级静叶片安装在两套独立的隔板套上，但静叶的分布为非对称，调端前4级叶片安装在1号隔板套上，后6级安装在2#隔板套上，而电端为前3级安装在1号隔板套上，后7级安装在2#隔板套上，如图5所示：

高压转子为合金钢整锻件且经过精加工而制成，材料为镍铬钢（ASTM A470），主轴与叶轮采用一体锻造工艺，避免套装转子在高温下叶轮和轴之间的松动问题，有利于机组快速启动。高压转子采用无中心孔整锻转子，因此维修中不必做周期性中心孔检查，从而减少维修费用。在高压缸动、静叶片之间选择了最佳的动、静叶片轴向间隙距离，使得动叶片上飞出的水滴随着动、静叶片间隙的增大而变小，从而有更长的时间被再次雾化，减轻冲蚀。

2.3.2 高压缸定梁。高压缸通过四个猫爪支撑在汽轮机前箱以及低压1号轴承箱上。其中高压缸电端为固定端，通过定中心梁将高压缸缸体的膨胀传递至前箱，如图6所示。前箱相对台板可以滑动，通过两者之间的轴向键配合，确保高压缸与前箱只能沿轴向膨胀和收缩。

汽轮机发生膨胀时，每个低压缸和轴承箱分别以各自的膨胀死点为中心向轴向两端膨胀，并通过定中心梁将能量传递给高压缸和前箱。

2.4 低压末级叶片

2.4.1 末级动叶片。AP1000汽轮机组采用反动式叶片，末级叶片采用54英寸（1375mm）的三维ISB型叶片，如图7所示。增大的叶根可降低60%的静应力，同时改善应力腐蚀裂纹和腐蚀疲劳动。叶为整体围带结构，叶片的围带和拉筋之间留有安装间隙，这样可以保证机组运行末级动叶在发生偏转时，围带和拉筋之间相互咬合，加强动叶强度。在动叶顶部装有弹性汽封，可以减少漏汽损失，提高机组通流效率。

若某个叶片发生振动，会产生阻尼效应，周围的叶片可以逐步将振动吸收，而不会对整个动叶栅产生影响。末级叶片的叶根也有改进，采用比常规叶片更大、更深的树形叶根，增加了叶根与叶轮的接触面积，并且叶根转角处弧度可以设计得更大，减小应力集中。同时在动叶顶部装有弹性汽封，减少漏汽损失，提高汽轮机通流效率。但是，末级叶片高度的增加也会引起叶轮旋转应力的增加，在增大末级叶片高度提高汽轮机效率的同时，为避免叶片由于旋转离心力引起的拉伸应力过大，AP1000汽轮机选择半转速（1500rpm）型。应力公式为：

б=MRw2

式中：M为动叶片的质量；R为动叶片平均旋转半径；w为角速度。

可知在理论情况下，在M和R相差不大的情况下，半转速型汽轮机叶片所受的应力为全转速的1/4，实际工况下比例在1∶1.3～1∶2之间，所以半转速的选择很好地平衡了末级叶片高度增加带来的应力变化。

2.4.2 末级静叶片。低压末级静叶片采用空心叶片，表面有吸水缝，能够破坏水膜，减少大体积水滴产生，并通过压力差使水滴进入静叶空腔，空心静叶通过环形通道与压力较低的凝汽器连通，形成负压。通过吸水缝的结构，降低了通流部分的湿度和蒸汽冲蚀，提高通流效率。另外，在LP末三级静叶片表面上设置捕水器，将水捕捉后排出，捕水器根据水珠受离心力的作用被抛向外缘的原理设计，当水珠被抛向外缘后，经过捕水口槽道进入环形捕水室，然后通过疏水孔流入凝汽器，减少蒸汽对末级叶片的冲击，如图8所示：

2.5 汽轮机定位结构

汽轮机在启动或停机过程中，汽轮机的各个零件部分的温度都会发生很大变化，为了保证汽轮机缸体等部件的正确膨胀和定位，同时保证汽轮机缸体的正确对中，汽轮机设计了合理的滑销系统。

AP1000汽轮机组配置多死点的滑销系统，包括低压外缸的滑销系统、低压内缸的滑销系统、轴承箱的滑销系统（不包含前箱轴承箱），共形成整个轴系的7个绝对死点。其中低压缸外缸的轴向中心由撑脚与台板之间的键来固定，径向中心由预埋在轴承箱两侧下部的键与外缸下半缸上的挡板固定，轴向和径向的中心线交点形成低压外缸的绝对死点；低压缸内缸也由4个销组成，位于低压缸外缸的喉部支撑梁上，形成低压内缸的绝对死点。

3 结语

AP1000作为三代百万千瓦级核电机组，汽轮机运行的安全性和经济性都尤为重要。本文从蒸汽控制主阀门、低压模块、高压模块和低压叶片等方面对汽轮机设备的结构特点进行简要阐述，这些结构经过严格的参数设计，对于提高机组运行稳定性、减小设备损耗、提高机组效率有很大作用。

参考文献

[1] 顾军.AP1000核电厂系统与设备[M].北京：原子能出版社，2010.

[2] 靳智平.电厂汽轮机原理及系统[M].北京：中国电力出版社，2006.

[3] 鞠凤鸣.大功率核电机组通流部分去湿及防侵蚀措施分析[J].汽轮机技术，2003，45（5）.

作者简介：程序，男，辽宁沈阳人，供职于三门核电有限公司，研究方向：调试计划。

（责任编辑：王 波）

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