空冷式高参数汽轮机的总体结构及整体性能设计监控方法

摘要

本发明提供了一种空冷式高参数汽轮机的总体结构与整体性能设计监控方法通过对空冷式高参数汽轮机的总体结构进行设计，进而对其整体性能进行优化改进和监控。如果空冷式高参数汽轮机的总体结构与整体轴系动特性的设计不合格，通过在设计阶段对总体结构、轴承形式或转子结构进行优化改进，改用符合要求的总体结构、稳定性更好的轴承，或者优化转子结构的几何尺寸，使空冷式高参数汽轮机整体性能处于受控状态，达到了使用总体结构、各级流量与整体轴系动特性的设计监控系统来控制与优化空冷式高参数汽轮机整体性能的技术效果。

说明书

技术领域

本发明涉及一种空冷式高参数汽轮机的总体结构及整体性能设计监控方法，属于汽轮机技术领域。

背景技术

在缺水地区建设火力发电厂，需要采用空冷式高参数发电机组，其技术特点是耗水量为湿冷发电机组的25％，节水效果十分显著。对于空冷式高参数发电机组，锅炉、发电机、空冷系统可以采用已有产品，只有空冷式高参数汽轮机是新产品。

若空冷式高参数汽轮机新产品的总体结构及整体性能设计“先天不足”，要制造出热力性能优良与安全性高的空冷式高参数汽轮机是相当困难的。若空冷式高参数汽轮机的总体结构设计不当、各级流量与轴系动特性设计监控不当，会导致空冷式高参数汽轮机功率不足、效率下降、振动超标，影响空冷式高参数汽轮机的经济安全运行，工程上急需空冷式高参数汽轮机的总体结构与整体性能的设计监控方法。

申请人已经申请专利《超临界空冷汽轮机》申请号200310107844.8，技术特征是涉及566℃等级的超临界空冷汽轮机结构特点；已经申请专利《超超超临界空冷汽轮机》申请号200310107845.2，技术特征是涉及600℃等级的超超临界空冷汽轮机结构特点；已经申请专利《一种超高参数节水型空冷汽轮机》申请号200810040258.9，技术特征是涉及700℃等级的超超临界空冷汽轮机结构特点；史进渊在《动力工程》2007年第6期发表的论文“超临界和超超临界空冷汽轮机的技术方案及设计准则”，介绍了超临界和超超临界空冷汽轮机的技术方案、关键技术和安全设计准则，以及公开文献报道的空冷汽轮机的研究论文，大多是对空冷汽轮机的产品介绍与参数分析，其缺少空冷式高参数汽轮机的整体结构及整体性能的设计和监控。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：如何设计空冷式高参数汽轮机的总体结构以及定量评定，同时优化改进空冷式高参数汽轮机的整体性能。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种空冷式高参数汽轮机的总体结构及整体性能设计监控方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、系统集成：

空冷式高参数汽轮机进汽采用超超临界蒸汽参数，空冷式高参数汽轮机排汽采用直接空冷系统或间接空冷系统冷却；

步骤2、进汽与排汽参数设计：

空冷式高参数汽轮机的主蒸汽压力为25MPa-45MPa，空冷式高参数汽轮机的主蒸汽温度为600℃-760℃，一次再热，空冷式高参数汽轮机的再热蒸汽温度为600℃-780℃，空冷式高参数汽轮机额定工况的排汽压力为10kPa-16kPa；

步骤3、总体结构设计：

空冷式高参数汽轮机由高压缸、中压缸与低压缸组成，单轴；电功率为600MW-799MW的空冷式高参数汽轮机采用高压缸和中压缸的分缸结构与一个低压缸以及总体三缸两排汽结构；电功率为800MW-1300MW的空冷式高参数汽轮机采用高压缸和中压缸的分缸结构与两个低压缸以及总体四缸四排汽结构；

步骤4、专用末级长叶片的叶高设计：

空冷式高参数汽轮机三缸两排汽结构的专用末级长叶片的叶高设计为800mm-1150mm，空冷式高参数汽轮机四缸四排汽结构的专用末级长叶片的叶高设计为700mm-990mm；

步骤5、专用低压缸设计：

依据空冷式高参数汽轮机的专用末级长叶片的叶高，设计与专用末级长叶片配套的空冷式高参数汽轮机的专用低压缸；

步骤6、叶片材料设计：

针对空冷式高参数汽轮机的动叶片，工作温度超过600℃的动叶片材料采用镍基合金，末级叶片材料采用17-4PH，其他动叶片材料采用12％铬钢；

步骤7、转子材料设计：

针对空冷式高参数汽轮机的转子，进汽温度大于等于600℃且小于620℃的转子材料采用FB2，进汽温度大于等于620℃且小于630℃的转子材料采用FW2，进汽温度大于等于630℃且小于650℃的转子材料采用奥氏体钢或镍基合金，进汽温度大于等于650℃且小于780℃的转子材料采用镍基合金，低压转子采用30Cr2Ni4MoV钢；

步骤8、阀壳材料设计：

针对空冷式高参数汽轮机的阀壳，进汽温度大于等于600℃且小于630℃的阀壳材料采用CB2，进汽温度大于等于630℃且小于650℃的阀壳材料采用奥氏体钢或镍基合金，进汽温度大于等于650℃且小于780℃的阀壳材料采用镍基合金；

步骤9、内缸材料设计：

针对空冷式高参数汽轮机的内缸，进汽温度为大于等于600℃且小于630℃的高压内缸与中压内缸的材料采用CB2，进汽温度为大于等于630℃且小于650℃高压内缸与中压内缸的材料采用奥氏体钢或镍基合金，进汽温度大于等于650℃且小于780℃高压内缸与中压内缸的材料采用镍基合金；

步骤10、计算额定工况的流量比：

空冷式高参数汽轮机额定工况的排汽压力为10kPa-16kPa，湿冷汽轮机额定工况的排汽压力为3.9kPa-5.9kPa，在相同进汽参数的条件下，计算得出空冷式高参数汽轮机的等熵焓降H_s与相同进汽参数的湿冷汽轮机的等熵焓降H_s0，汽轮机的电功率N_e与流量G、等熵焓降H_s、汽轮机相对内效率η_0i、机械效率η_m、发电机效率η_g之间的关系式为N_e＝G×H_s×η_0i×η_m×η_g，在进汽参数、相对内效率η_0i、机械效率η_m和发电机效率η_g相同以及电功率N_e相差20％以内的条件下，额定工况的空冷式高参数汽轮机流量G与湿冷汽轮机流量G₀的流量比F_R的计算公式为：

式(1)中，G为空冷式高参数汽轮机额定工况的流量，G₀为电功率相差20％以内的湿冷汽轮机额定工况的流量，N_e为空冷式高参数汽轮机额定工况的电功率，N_e0为湿冷汽轮机额定工况的电功率；

步骤11、计算夏季工况的流量比：

空冷式高参数汽轮机夏季工况的排汽压力为30kPa-36kPa，湿冷汽轮机夏季工况的排汽压力为8.8kPa-12.8kPa，在相同进汽参数的条件下，计算得出空冷式高参数汽轮机的等熵焓降H_s1与相同进汽参数的湿冷汽轮机的等熵焓降H_s01，汽轮机的电功率N_e与流量G、等熵焓降H_s、汽轮机相对内效率η_0i、机械效率η_m、发电机效率η_g之间的关系式为N_e＝G×H_s1×η_0i×η_m×η_g，在进汽参数、电功率N_e、相对内效率η_0i、机械效率η_m和发电机效率η_g相同以及电功率N_e相差20％以内的条件下，夏季工况的空冷式高参数汽轮机流量G₁与湿冷汽轮机流量G₀₁的流量比F_R1的计算公式为：

式(2)中，G₁为空冷式高参数汽轮机夏季工况的流量，G₀₁为电功率相差20％以内的湿冷汽轮机夏季工况的流量，N_e1为空冷式高参数汽轮机夏季工况的电功率，N_e01为湿冷汽轮机夏季工况的电功率；

步骤12、确定最大流量比：

空冷式高参数汽轮机的最大流量比F_Rmax的计算公式为：

F_Rmax＝max{F_R，F_R1}(3)

式(3)中，F_R为额定工况的流量比，F_R1为夏季工况的流量比；

步骤13、确定空冷式高参数汽轮机的流量：

已有相同进汽参数的湿冷汽轮机的投运业绩和各级流量G_0i，为了保证空冷式高参数汽轮机的电功率，空冷式高参数汽轮机的各级流量G_i的计算公式为：

G_i＝G_0i×F_Rmax(4)

步骤14、确定空冷式高参数汽轮机的模化比：

已知空冷式高参数汽轮机与湿冷汽轮机的最大流量比F_Rmax，空冷式高参数汽轮机的模化比S_F的计算公式为：

步骤15、空冷式高参数汽轮机高压缸与中压缸的模化放大：

空冷式高参数汽轮机的高压缸与中压缸的结构设计，在湿冷汽轮机的基础上采用模化设计法，已有相同或相近功率、进汽压力与温度相同的湿冷汽轮机的主要结构尺寸，乘以空冷式高参数汽轮机的模化比S_F，得出空冷式高参数汽轮机的高压缸与中压缸的主要结构尺寸；

步骤16、整体轴系动特性的设计监控：

通过对空冷式高参数汽轮机整体轴系动特性进行设计，对空冷式高参数汽轮机整体轴系的失稳转速、对数衰减率及临界转速进行优化设计控制，对空冷式高参数汽轮机整体轴系工作转速下、临界转速下的不平衡响应进行优化设计控制，同时对空冷式高参数汽轮机整体轴系冲击扭振、超同步扭振、扭振应力进行优化设计控制。

优选地，所述步骤5中，所述专用低压缸采用落地式轴承座。

优选地，所述步骤16中，空冷式高参数汽轮机整体轴系动特性的设计包括如下步骤：

第一步、计算轴系动特性设计量

根据空冷式高参数汽轮机的转子与轴承的设计参数，计算得出考虑不同轴承载荷且计入蒸汽激振力的空冷式高参数汽轮发电机组轴系最小失稳转速n_st、轴系最小对数衰减率δ、最接近工作转速的临界转速n_c、工作转速下轴颈最大不平衡响应y_max0、各阶临界转速下的轴颈最大不平衡响应y_max、最接近45HZ至55HZ的扭转频率f_ti1、最接近93HZ至108HZ的扭转频率f_ti2和发电机两相短路时转子最大剪应力τ_max；

第二步、计算相对失稳转速

考虑不同轴承载荷且计入蒸汽激振力的空冷式高参数汽轮发电机组轴系的相对失稳转速R_st按照如下公式计算：

式(6)中，n₀为空冷式高参数汽轮发电机组的工作转速，n_st为轴系最小失稳转速；

第三步、计算对数衰减率比值

考虑不同轴承载荷且计入蒸汽激振力的空冷式高参数汽轮发电机组轴系的相对数衰减率比值R_δ按照如下公式计算：

式(7)中，δ为空冷式高参数汽轮发电机组轴系最小对数衰减率；

第四步、计算临界转速避开率

空冷式高参数汽轮发电机组轴系临界转速避开率Δn按照如下公式计算：

式(8)中，n_c为最接近工作转速的空冷式高参数汽轮发电机组轴系临界转速；

第五步、计算工作转速下不平衡响应比值

空冷式高参数汽轮发电机组的工作转速下不平衡响应比值R_y0按照如下公式计算：

式(9)中，y_max0为工作转速下轴颈最大不平衡响应；

第六步、计算临界转速下不平衡响应比值

空冷式高参数汽轮发电机组轴系的临界转速下不平衡响应比值R_y按照如下公式计算：

式(10)中，y_max为各阶临界转速下的轴颈最大不平衡响应；

第七步、计算避开冲击扭振的频率比值

空冷式高参数汽轮发电机组轴系避开冲击扭振的频率下限比值R_d1和频率上限比值R_u1分别按照如下公式计算：

式(11)和式(12)中，f_ti1为最接近45HZ至55HZ的扭转频率；

第八步、计算避开超同步扭振的频率比值

空冷式高参数汽轮发电机组轴系避开超同步扭振的频率下限比值R_d2和频率上限比值R_u2分别按照如下公式计算：

式(13)和式(14)中，f_ti2为最接近93HZ至108HZ的扭转频率；

第九步、计算轴系扭振应力比：

发电机发生两相短路时，空冷式高参数汽轮发电机组转子扭振应力比R_τ按照如下公式计算：

式(15)中，τ_max为发电机两相短路时转子最大剪应力，τ_s为转子材料抗扭屈服极限。

更优选地，所述步骤16中，对空冷式高参数汽轮机整体轴系的失稳转速进行优化设计控制的具体方法如下：

1)若R_st＞1.25，空冷式高参数汽轮机整体轴系动特性的失稳转速设计监控合格，表明整体轴系动特性的失稳转速处于受控状态，整体轴系失稳转速的设计监控结束；

2)若R_st≤1.25，空冷式高参数汽轮机整体轴系动特性的失稳转速设计监控不合格，表明在设计阶段需要对轴承形式或转子结构进行优化改进，改用稳定性更好的轴承，或者优化转子结构的几何尺寸，重新执行空冷式高参数汽轮机整体轴系动特性的设计，直到R_st＞1.25为止。

更优选地，所述步骤16中，对空冷式高参数汽轮机整体轴系的对数衰减率进行优化设计控制的具体方法如下：

1)若R_δ＞1，空冷式高参数汽轮机整体轴系动特性的对数衰减率的设计监控合格，表明整体轴系动特性的对数衰减率处于受控状态，整体轴系对数衰减率的设计监控结束；

2)若R_δ≤1，空冷式高参数汽轮机整体轴系动特性的对数衰减率的设计监控不合格，表明在设计阶段需要对轴承形式或转子结构进行优化改进，改用稳定性更好的轴承，或者优化转子结构的几何尺寸，重新执行空冷式高参数汽轮机整体轴系动特性的设计，直到R_δ＞1为止。

更优选地，所述步骤16中，对空冷式高参数汽轮机整体轴系的临界转速进行优化设计控制的具体方法如下：

1)若Δn＞10％，空冷式高参数汽轮机整体轴系动特性的临界转速设计监控合格，表明整体轴系动特性的临界转速处于受控状态，整体轴系临界转速的设计监控结束；

2)若Δn≤10％，空冷式高参数汽轮机整体轴系动特性的临界转速设计监控不合格，表明在设计阶段需要对轴承形式或转子结构进行优化改进，改用稳定性更好的轴承，或者优化转子结构的几何尺寸，重新执行空冷式高参数汽轮机整体轴系动特性的设计，直到Δn＞10％为止。

更优选地，所述步骤16中，对空冷式高参数汽轮机整体轴系工作转速下不平衡响应进行优化设计控制的具体方法如下：

1)若R_y0＜1，空冷式高参数汽轮机整体轴系动特性的工作转速下不平衡响应的设计监控合格，表明整体轴系动特性的工作转速下不平衡响应处于受控状态，整体轴系工作转速下不平衡响应的设计监控结束；

2)若R_y0≥1，空冷式高参数汽轮机整体轴系动特性的工作转速下不平衡响应的设计监控不合格，表明在设计阶段需要对轴承形式或转子结构进行优化改进，改用稳定性更好的轴承，或者优化转子结构的几何尺寸，重新执行空冷式高参数汽轮机整体轴系动特性的设计，直到R_y0＜1为止。

更优选地，所述步骤16中，对空冷式高参数汽轮机整体轴系临界转速下不平衡响应进行优化设计控制的具体方法如下：

1)若R_y＜1，空冷式高参数汽轮机整体轴系动特性的临界转速下不平衡响应的设计监控合格，表明整体轴系动特性的临界转速下不平衡响应处于受控状态，整体轴系临界转速下不平衡响应的设计监控结束；

2)若R_y≥1，空冷式高参数汽轮机整体轴系动特性的临界转速下不平衡响应的设计监控不合格，表明在设计阶段需要对轴承形式或转子结构进行优化改进，改用稳定性更好的轴承，或者优化转子结构的几何尺寸，重新执行空冷式高参数汽轮机整体轴系动特性的设计，直到R_y＜1为止。

更优选地，所述步骤16中，对空冷式高参数汽轮机整体轴系冲击扭振进行优化设计控制的具体方法如下：

1)若R_d1＜1或R_u1＞1，空冷式高参数汽轮机整体轴系动特性的冲击扭振的设计监控合格，表明整体轴系动特性的冲击扭振处于受控状态，整体轴系冲击扭振的设计监控结束；

2)若R_d1≥1且R_u1≤1，空冷式高参数汽轮机整体轴系动特性的冲击扭振的设计监控不合格，表明在设计阶段需要对轴承形式或转子结构进行优化改进，改用稳定性更好的轴承，或者优化转子结构的几何尺寸，重新执行空冷式高参数汽轮机整体轴系动特性的设计，直到R_d1＜1或R_u1＞1为止。

更优选地，所述步骤16中，所述步骤16中，对空冷式高参数汽轮机整体轴系超同步扭振进行优化设计控制的具体方法如下：

1)若R_d2＜1或R_u2＞1，空冷式高参数汽轮机整体轴系动特性的超同步扭振的设计监控合格，表明整体轴系动特性的超同步扭振处于受控状态，整体轴系超同步扭振的设计监控结束；

2)若R_d2≥1且R_u2≤1，空冷式高参数汽轮机整体轴系动特性的超同步扭振的设计监控不合格，表明在设计阶段需要对轴承形式或转子结构进行优化改进，改用稳定性更好的轴承，或者优化转子结构的几何尺寸，重新执行空冷式高参数汽轮机整体轴系动特性的设计，直到R_d2＜1或R_u2＞1为止。

更优选地，所述步骤16中，对空冷式高参数汽轮机整体轴系扭振应力进行优化设计控制的具体方法如下：

1)若R_τ＜1，空冷式高参数汽轮机整体轴系动特性的扭振应力的设计监控合格，表明整体轴系动特性的扭振应力处于受控状态，整体轴系扭振应力的设计监控结束；

2)若R_τ≥1，空冷式高参数汽轮机整体轴系动特性的扭振应力的设计监控不合格，表明在设计阶段需要对轴承形式或转子结构进行优化改进，改用稳定性更好的轴承，或者优化转子结构的几何尺寸，重新执行空冷式高参数汽轮机整体轴系动特性的设计，直到R_τ＜1为止。

更优选地，最后根据需要打印输出空冷式高参数汽轮机整体轴系动特性的计算结果与优化控制措施。

相比现有技术，本发明提供的空冷式高参数汽轮机的总体结构与整体性能设计监控方法具有如下有益效果：

1、实现了空冷式高参数汽轮机的总体结构与整体性能的优化改进和设计监控；

2、如果空冷式高参数汽轮机的总体结构与整体轴系动特性的设计不合格，通过在设计阶段对总体结构、轴承形式或转子结构进行优化改进，改用符合要求的总体结构、稳定性更好的轴承，或者优化转子结构的几何尺寸，使空冷式高参数汽轮机整体性能处于受控状态，达到了使用总体结构、各级流量与整体轴系动特性的设计监控系统来控制与优化空冷式高参数汽轮机整体性能的技术效果。

附图说明

图1为本实施例提供的空冷式高参数汽轮机的总体结构及整体性能设计监控方法流程图；

图2为本实施例提供的空冷式高参数汽轮机的总体结构及整体性能设计监控系统方框图；

图3为本发明总体结构与整体性能设计监控的计算机软件框图；

图4为某型号660MW汽轮机总体结构示意图；

图5为某型号660MW汽轮机轴系示意图；

图6为某型号1000MW汽轮机总体结构示意图；

图7为某型号1000MW汽轮机轴系示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。

实施例1

如图1所示，为本实施例所采用的空冷式高参数汽轮机的总体结构与整体性能设计监控方法的流程图。如图2所示，为本实施例所采用的空冷式高参数汽轮机的总体结构与整体性能设计监控系统的方框图，所述的空冷式高参数汽轮机的总体结构与整体性能设计监控系统由在线计算服务器、数据库服务器、网页服务器和用户端浏览器组成，计算服务器与数据库服务器和网页服务器连接，网页服务器与用户端浏览器连接，数据库服务器中贮存材料的物理性能数据和力学性能数据、湿冷汽轮机的设计图纸和空冷式高参数汽轮的设计图纸。如图3所示，为本实施例总体结构与整体性能设计监控的在线计算服务器所采用的计算机软件框图，该软件安装在空冷式高参数汽轮机整体性能的计算服务器上，应用于空冷式高参数汽轮机的总体结构与整体性能的设计监控。

某型号空冷式高参数700MW汽轮机的总体结构如图4所示，该型号空冷式高参数700MW汽轮机的轴系如图5所示，使用图1所示的流程、图2所示的系统和图3所示的计算机软件，开展空冷式高参数700MW汽轮机的总体结构与整体性能的设计监控，具体如下：

一、系统集成：

空冷式高参数700MW汽轮机进汽采用超超临界蒸汽参数27MPa/600℃/600℃，空冷式高参数700MW汽轮机排汽采用直接空冷系统冷却；

二、进汽与排汽参数：

空冷式高参数700MW汽轮机的主蒸汽压力为27MPa，空冷式高参数700MW汽轮机的主蒸汽温度为600℃，一次再热，空冷式高参数700MW汽轮机的再热蒸汽温度为600℃，空冷式高参数700MW汽轮机额定工况的排汽压力为12kPa；

三、总体结构：

空冷式高参数700MW汽轮机由高压缸1、中压缸2与低压缸3组成，单轴，采用高压缸1和中压缸2的分缸结构与一个低压缸3以及总体三缸两排汽结构；

四、专用末级长叶片5的叶高：

空冷式高参数700MW汽轮机三缸两排汽结构的专用末级长叶片5的叶高设计为925mm；

五、设计专用低压缸3：

依据空冷式高参数700MW汽轮机的专用末级长叶片5的叶高，重新设计与专用末级长叶片5配套的空冷式高参数700MW汽轮机的专用低压缸3，低压缸3采用落地式轴承座；

六、叶片材料设计：

空冷式高参数700MW汽轮机的动叶片，高压转子6与中压转子7的前面两级工作温度接近600℃的动叶片材料采用镍基合金，末级叶片材料采用17-4PH，其他动叶片材料采用12％铬钢；

七、转子材料设计：

空冷式高参数700MW汽轮机的转子，进汽温度为600℃的高压转子6与中压转子7的材料采用FB2，低压转子8采用30Cr2Ni4MoV钢；

八、阀壳材料设计：

空冷式高参数700MW汽轮机的阀壳，进汽温度为600℃的高压阀壳与中压阀壳的材料采用CB2；

九、内缸材料设计：

空冷式高参数700MW汽轮机的内缸，进汽温度为600℃的高压内缸10与中压内缸11的材料采用CB2；

十、计算额定工况的流量比：

空冷式高参数700MW汽轮机额定工况的排汽压力为12kPa，湿冷汽轮机额定工况的排汽压力为4.9kPa，在相同进汽参数27MPa/600℃/600℃的条件下，可以计算得出空冷式高参数700MW汽轮机的等熵焓降H_s为1827.62kJ/kg，与相同进汽参数的湿冷汽轮机的等熵焓降H_s0为1939.98kJ/kg，汽轮机的电功率N_e与流量G、等熵焓降H_s、汽轮机相对内效率η_0i、机械效率η_m、发电机效率η_g之间的关系式为N_e＝G×H_s×η_0i×η_m×η_g，在进汽参数、相对内效率η_0i、机械效率η_m和发电机效率η_g相同以及电功率N_e相差20％以内的条件下，额定工况的空冷式高参数为700MW汽轮机流量G与湿冷660MW汽轮机流量G₀的流量比F_R的计算公式为：

上式中，G为空冷式高参数700MW汽轮机额定工况的流量，G₀为电功率相差20％以内的湿冷660MW汽轮机额定工况的流量，N_e为空冷式高参数700MW汽轮机额定工况的电功率，N_e0为湿冷660MW汽轮机额定工况的电功率；

十一、计算夏季工况的流量比：

空冷式高参数700MW汽轮机夏季工况的排汽压力为32kPa，湿冷660MW汽轮机夏季工况的排汽压力为11.8kPa，在相同进汽参数27MPa/600℃/600℃的条件下，可以计算得出空冷式高参数700MW汽轮机的等熵焓降H_s1为1691.91kJ/kg，相同进汽参数的湿冷汽轮机的等熵焓降H_s01为1829.73kJ/kg，汽轮机的电功率N_e与流量G、等熵焓降H_s、汽轮机相对内效率η_0i、机械效率η_m、发电机效率η_g之间的关系式为N_e＝G×H_s1×η_0i×η_m×η_g，在进汽参数、电功率N_e、相对内效率η_0i、机械效率η_m和发电机效率η_g相同以及电功率N_e相差20％以内的条件下，夏季工况的空冷式高参数700MW汽轮机流量G₁与湿冷660MW汽轮机流量G₀₁的流量比F_R1的计算公式为：

上式中，G₁为空冷式高参数700MW汽轮机夏季工况的流量，G₀₁为电功率相差20％以内的湿冷660MW汽轮机夏季工况的流量，N_e1为空冷式高参数700MW汽轮机夏季工况的电功率，N_e01为湿冷660MW汽轮机夏季工况的电功率；

十二、确定最大流量比：

空冷式高参数700MW汽轮机的最大流量比F_Rmax的计算公式为：

F_Rmax＝max{F_R，F_R1}＝max{1.1258，1.1740}＝1.1740

上式中，F_R为额定工况的流量比，F_R1为夏季工况的流量比；

十三、确定空冷式高参数汽轮机的流量：

已有相同进汽参数的湿冷660MW汽轮机的投运业绩和各级流量G_0i，为了保证空冷式高参数700MW汽轮机的电功率，空冷式高参数700MW汽轮机的各级流量G_i的计算公式为：

G_i＝G_0i×F_Rmax＝G_0i×1.1470

十四、空冷式高参数汽轮机的模化比：

已知空冷式高参数700MW汽轮机与湿冷660MW汽轮机的最大流量比F_Rmax，空冷式高参数700MW汽轮机的模化比S_F的计算公式为：

十五、空冷式高参数汽轮机高压缸与中压缸的模化放大：

空冷式高参数700MW汽轮机的高压缸与中压缸的结构设计，在湿冷660MW汽轮机的基础上采用模化设计法，已有相同或相近功率、进汽压力与温度相同的湿冷660MW汽轮机的主要结构尺寸，乘以空冷式高参数700MW汽轮机的模化比S_F＝1.0710，得出空冷式高参数700MW汽轮机的高压缸与中压缸的主要结构尺寸；

十六、整体轴系动特性设计监控系统：

采用C语言编写空冷式高参数汽轮机整体轴系动特性的计算机软件，运行在汽轮机整体轴系动特性计算服务器上，应用于空冷式高参数700MW汽轮机整体轴系动特性的设计监控，其具体步骤为：

第一步、计算轴系动特性设计量

输入空冷式高参数700MW汽轮机的转子与轴承的设计参数，使用空冷式高参数汽轮机整体轴系动特性的计算机软件，计算得出考虑不同轴承载荷且计入蒸汽激振力的空冷式高参数700MW汽轮发电机组轴系最小失稳转速n_st、轴系最小对数衰减率δ、最接近工作转速的临界转速n_c、工作转速下轴颈最大不平衡响应y_max0、各阶临界转速下的轴颈最大不平衡响应y_max、最接近45HZ至55HZ的扭转频率f_ti1、最接近93HZ至108HZ的扭转频率f_ti2和发电机两相短路时转子最大剪应力τ_max；

第二步、计算相对失稳转速

考虑不同轴承载荷且计入蒸汽激振力的空冷式高参数700MW汽轮发电机组轴系的相对失稳转速R_st按照如下公式计算：

上式中，n₀为空冷式高参数700MW汽轮发电机组的工作转速，n_st为轴系最小失稳转速；

第三步、计算对数衰减率比值

考虑不同轴承载荷且计入蒸汽激振力的空冷式700MW高参数汽轮发电机组轴系的相对数衰减率比值R_δ按照如下公式计算：

上式中，δ为空冷式高参数700MW汽轮发电机组轴系最小对数衰减率；

第四步、计算临界转速避开率

空冷式高参数700MW汽轮发电机组轴系临界转速避开率Δn按照如下公式计算：

上式中，n_c为最接近工作转速的空冷式700MW高参数汽轮发电机组轴系临界转速；

第五步、计算工作转速下不平衡响应比值

空冷式高参数700MW汽轮发电机组的工作转速下不平衡响应比值R_y0按照如下公式计算：

上式中，y_max0为工作转速下轴颈最大不平衡响应；

第六步、计算临界转速下不平衡响应比值

空冷式高参数700MW汽轮发电机组轴系的临界转速下不平衡响应比值R_y按照如下公式计算：

上式中，y_max为各阶临界转速下的轴颈最大不平衡响应；

第七步、计算避开冲击扭振的频率比值

空冷式高参数700MW汽轮发电机组轴系避开冲击扭振的频率下限比值R_d1和频率上限比值R_u1分别按照如下公式计算：

上式中，f_ti1为最接近45HZ至55HZ的扭转频率；

第八步、计算避开超同步扭振的频率比值

空冷式高参数700MW汽轮发电机组轴系避开超同步扭振的频率下限比值R_d2和频率上限比值R_u2分别按照如下公式计算：

上式中，f_ti2为最接近93HZ至108HZ的扭转频率；

第九步、计算轴系扭振应力比：

发电机发生两相短路时，空冷式高参数700MW汽轮发电机组转子扭振应力比R_τ按照如下公式计算：

上式中，τ_max为发电机两相短路时转子最大剪应力，τ_s为转子材料抗扭屈服极限；

第十步、整体轴系失稳转速的优化控制：

通过空冷式高参数汽轮机整体轴系动特性的设计监控系统，对于空冷式高参数700MW汽轮机整体轴系失稳转速进行优化设计控制：

R_st＝1.30＞1.25，空冷式高参数700MW汽轮机整体轴系动特性的失稳转速设计监控合格，表明整体轴系动特性的失稳转速处于受控状态，整体轴系失稳转速的设计监控结束，进入第十一步；

第十一步、整体轴系对数衰减率的优化控制：

通过空冷式高参数汽轮机整体轴系动特性的设计监控系统，对于空冷式高参数700MW汽轮机整体轴系对数衰减率进行优化设计控制：

R_δ＝1.06＞1，空冷式高参数700MW汽轮机整体轴系动特性的对数衰减率的设计监控合格，表明整体轴系动特性的对数衰减率处于受控状态，整体轴系对数衰减率的设计监控结束，进入第十二步；

第十二步、整体轴系临界转速的优化控制：

通过空冷式高参数汽轮机整体轴系动特性的设计监控系统，对于空冷式高参数700MW汽轮机整体轴系临界转速进行优化设计控制：

Δn＝12.47％＞10％，空冷式高参数700MW汽轮机整体轴系动特性的临界转速设计监控合格，表明整体轴系动特性的临界转速处于受控状态，整体轴系临界转速的设计监控结束，进入第十三步；

第十三步、整体轴系工作转速下不平衡响应的优化控制：

通过空冷式高参数汽轮机整体轴系动特性的设计监控系统，对于空冷式高参数700MW汽轮机整体轴系工作转速下不平衡响应进行优化设计控制：

R_y0＝0.88＜1，空冷式高参数700MW汽轮机整体轴系动特性的工作转速下不平衡响应的设计监控合格，表明整体轴系动特性的工作转速下不平衡响应处于受控状态，整体轴系工作转速下不平衡响应的设计监控结束，进入第十四步；

第十四步、整体轴系临界转速下不平衡响应的优化控制：

通过空冷式高参数汽轮机整体轴系动特性的设计监控系统，对于空冷式高参数700MW汽轮机整体轴系临界转速下不平衡响应进行优化设计控制：

R_y＝0.56＜1，空冷式高参数700MW汽轮机整体轴系动特性的临界转速下不平衡响应的设计监控合格，表明整体轴系动特性的临界转速下不平衡响应处于受控状态，整体轴系临界转速下不平衡响应的设计监控结束，进入第十五步；

第十五步、整体轴系冲击扭振的优化控制：

通过空冷式高参数汽轮机整体轴系动特性的设计监控系统，对于空冷式高参数700MW汽轮机整体轴系冲击扭振进行优化设计控制：

R_d1＝0.81＜1或R_u1＝1.17＞1，空冷式高参数700MW汽轮机整体轴系动特性的冲击扭振的设计监控合格，表明整体轴系动特性的冲击扭振处于受控状态，整体轴系冲击扭振的设计监控结束，进入第十六步；

第十六步、整体轴系超同步扭振的优化控制：

通过空冷式高参数汽轮机整体轴系动特性的设计监控系统，对于空冷式高参数700MW汽轮机整体轴系超同步扭振进行优化设计控制：

R_d2＝0.69＜1或R_u2＝1.02＞1，空冷式高参数700MW汽轮机整体轴系动特性的超同步扭振的设计监控合格，表明整体轴系动特性的超同步扭振处于受控状态，整体轴系超同步扭振的设计监控结束，进入第十七步；

第十七步、整体轴系扭振应力的优化控制：

通过空冷式高参数汽轮机整体轴系动特性的设计监控系统，对于空冷式高参数700MW汽轮机整体轴系扭振应力进行优化设计控制：

R_τ＝0.46＜1，空冷式高参数700MW汽轮机整体轴系动特性的扭振应力的设计监控合格，表明整体轴系动特性的扭振应力处于受控状态，整体轴系扭振应力的设计监控结束，进入第十八步；

第十八步、打印输出结果

根据需要打印输出空冷式高参数700MW汽轮机整体轴系动特性的计算结果与优化控制措施。

本实施例提供了空冷式高参数700MW汽轮机的总体结构与整体性能的设计监控系统，实现了空冷式高参数700MW汽轮机的总体结构与整体性能的优化改进和设计监控。如果空冷式高参数700MW汽轮机的总体结构与整体轴系动特性的设计不合格，通过在设计阶段需要对总体结构、轴承形式或转子结构进行优化改进，改用符合要求的总体结构、稳定性更好的轴承，或者优化转子结构的几何尺寸，使空冷式高参数700MW汽轮机整体性能处于受控状态，达到了使用总体结构、各级流量与整体轴系动特性的设计监控系统来控制与优化空冷式高参数700MW汽轮机整体性能的技术效果。

实施例2

某型号空冷式高参数1100MW汽轮机的总体结构如图6所示，该型号空冷式高参数1100MW汽轮机的轴系如图7所示，使用图1所示的流程、图2所示的系统和图3所示的计算机软件，开展空冷式高参数1100MW汽轮机的总体结构与整体性能的设计监控。

一、系统集成：

空冷式高参数1100MW汽轮机进汽采用超超临界蒸汽参数28MPa/600℃/620℃，空冷式高参数1100MW汽轮机排汽采用间接空冷系统冷却；

二、进汽与排汽参数：

空冷式高参数1100MW汽轮机的主蒸汽压力为28MPa，空冷式高参数1100MW汽轮机的主蒸汽温度为600℃，一次再热，空冷式高参数1100MW汽轮机的再热蒸汽温度为620℃，空冷式高参数1100MW汽轮机额定工况的排汽压力为10kPa；

三、总体结构：

空冷式高参数1100MW汽轮机由高压缸1、中压缸2、低压缸3与低压缸4组成，单轴，采用高压缸1和中压缸2的分缸结构与两个低压缸3与低压缸4以及总体三缸两排汽结构；

四、专用末级长叶片5的叶高：

空冷式高参数1100MW汽轮机三缸两排汽结构的专用末级长叶片5的叶高设计为800mm；

五、设计专用低压缸：

依据空冷式高参数1100MW汽轮机的专用末级长叶片5的叶高，重新设计与专用末级长叶片5配套的空冷式高参数1100MW汽轮机的专用低压缸3和低压缸4，低压缸3和低压缸4采用落地式轴承座；

六、叶片材料设计：

空冷式高参数1100MW汽轮机的动叶片，高压转子6与中压转子7的前面三级工作温度接近或超过600℃的动叶片材料采用镍基合金，专用末级长叶片5材料采用17-4PH，其他动叶片材料采用12％铬钢；

七、转子材料设计：

空冷式高参数1100MW汽轮机的转子，进汽温度为600℃的高压转子6与进汽温度为620℃的中压转子7的材料采用FB2，低压转子8和低压转子9采用30Cr2Ni4MoV钢；

八、阀壳材料设计：

空冷式高参数1100MW汽轮机的阀壳，进汽温度为600℃的高压阀壳与进汽温度为620℃的中压阀壳的材料采用CB2；

九、内缸材料设计：

空冷式高参数1100MW汽轮机的内缸，进汽温度为600℃的高压内缸10与与进汽温度为620℃的中压内缸11的材料采用CB2；

十、计算额定工况的流量比：

空冷式高参数1100MW汽轮机额定工况的排汽压力为10kPa，湿冷汽轮机额定工况的排汽压力为4.9kPa，在相同进汽参数28MPa/600℃/620℃的条件下，可以计算得出空冷式高参数1100MW汽轮机的等熵焓降H_s为1873.55kJ/kg，与相同进汽参数的湿冷汽轮机的等熵焓降H_s0为1962.30kJ/kg，汽轮机的电功率N_e与流量G、等熵焓降H_s、汽轮机相对内效率η_0i、机械效率η_m、发电机效率η_g之间的关系式为N_e＝G×H_s×η_0i×η_m×η_g，在进汽参数、相对内效率η_0i、机械效率η_m和发电机效率η_g相同以及电功率N_e相差20％以内的条件下，额定工况的空冷式高参数为1100MW汽轮机流量G与湿冷1000MW汽轮机流量G₀的流量比F_R的计算公式为：

上式中，G为空冷式高参数1100MW汽轮机额定工况的流量，G₀为电功率相差20％以内的湿冷1000MW汽轮机额定工况的流量，N_e为空冷式高参数1100MW汽轮机额定工况的电功率，N_e0为湿冷1000MW汽轮机额定工况的电功率；

十一、计算夏季工况的流量比：

空冷式高参数1100MW汽轮机夏季工况的排汽压力为30kPa，湿冷1000MW汽轮机夏季工况的排汽压力为11.8kPa，在相同进汽参数28MPa/600℃/620℃的条件下，可以计算得出空冷式高参数1100MW汽轮机的等熵焓降H_s1为1723.58kJ/kg，相同进汽参数的湿冷汽轮机的等熵焓降H_s01为1852.04kJ/kg，汽轮机的电功率N_e与流量G、等熵焓降H_s、汽轮机相对内效率η_0i、机械效率η_m、发电机效率η_g之间的关系式为N_e＝G×H_s1×η_0i×η_m×η_g，在进汽参数、电功率N_e、相对内效率η_0i、机械效率η_m和发电机效率η_g相同以及电功率N_e相差20％以内的条件下，夏季工况的空冷式高参数1100MW汽轮机流量G₁与湿冷1000MW汽轮机流量G₀₁的流量比F_R1的计算公式为：

上式中，G₁为空冷式高参数1100MW汽轮机夏季工况的流量，G₀₁为电功率相差20％以内的湿冷1000MW汽轮机夏季工况的流量，N_e1为空冷式高参数1100MW汽轮机夏季工况的电功率，N_e01为湿冷1000MW汽轮机夏季工况的电功率；

十二、确定最大流量比：

空冷式高参数1100MW汽轮机的最大流量比F_Rmax的计算公式为：

F_Rmax＝max{F_R，F_R1}＝max{1.1521，1.1820}＝1.1820

上式中，F_R为额定工况的流量比，F_R1为夏季工况的流量比；

十三、确定空冷式高参数汽轮机的流量：

已有相同进汽参数的湿冷1000MW汽轮机的投运业绩和各级流量G_0i，为了保证空冷式高参数1100MW汽轮机的电功率，空冷式高参数1100MW汽轮机的各级流量G_i的计算公式为：

G_i＝G_0i×F_Rmax＝G_0i×1.1820

十四、空冷式高参数汽轮机的模化比：

已知空冷式高参数1100MW汽轮机与湿冷1000MW汽轮机的最大流量比F_Rmax，空冷式高参数1100MW汽轮机的模化比S_F的计算公式为：

十五、空冷式高参数汽轮机高压缸与中压缸的模化放大：

空冷式高参数1100MW汽轮机的高压缸与中压缸的结构设计，在湿冷1000MW汽轮机的基础上采用模化设计的方法，已有相同或相近功率、进汽压力与温度相同的湿冷1000MW汽轮机的主要结构尺寸，乘以空冷式高参数1100MW汽轮机的模化比S_F＝1.0872，得出空冷式高参数1100MW汽轮机的高压缸与中压缸的主要结构尺寸；

十六、整体轴系动特性设计监控系统：

采用C语言编写空冷式高参数汽轮机整体轴系动特性的计算机软件，运行在汽轮机整体轴系动特性计算服务器上，应用于空冷式高参数1100MW汽轮机整体轴系动特性的设计监控，其具体步骤为：

第一步、计算轴系动特性设计量

输入空冷式高参数1100MW汽轮机的转子与轴承的设计参数，使用空冷式高参数汽轮机整体轴系动特性的计算机软件，计算得出考虑不同轴承载荷且计入蒸汽激振力的空冷式高参数1100MW汽轮发电机组轴系最小失稳转速n_st、轴系最小对数衰减率δ、最接近工作转速的临界转速n_c、工作转速下轴颈最大不平衡响应y_max0、各阶临界转速下的轴颈最大不平衡响应y_max、最接近45HZ至55HZ的扭转频率f_ti1、最接近93HZ至108HZ的扭转频率f_ti2和发电机两相短路时转子最大剪应力τ_max；

第二步、计算相对失稳转速

考虑不同轴承载荷且计入蒸汽激振力的空冷式高参数1100MW汽轮发电机组轴系的相对失稳转速R_st按照如下公式计算：

上式中，n₀为空冷式高参数1100MW汽轮发电机组的工作转速，n_st为轴系最小失稳转速；

第三步、计算对数衰减率比值

考虑不同轴承载荷且计入蒸汽激振力的空冷式1100MW高参数汽轮发电机组轴系的相对数衰减率比值R_δ按照如下公式计算：

上式中，δ为空冷式高参数1100MW汽轮发电机组轴系最小对数衰减率；

第四步、计算临界转速避开率

空冷式高参数1100MW汽轮发电机组轴系临界转速避开率Δn按照如下公式计算：

上式中，n_c为最接近工作转速的空冷式1100MW高参数汽轮发电机组轴系临界转速；

第五步、计算工作转速下不平衡响应比值

空冷式高参数1100MW汽轮发电机组的工作转速下不平衡响应比值R_y0按照如下公式计算：

上式中，y_max0为工作转速下轴颈最大不平衡响应；

第六步、计算临界转速下不平衡响应比值

空冷式高参数1100MW汽轮发电机组轴系的临界转速下不平衡响应比值R_y按照如下公式计算：

上式中，y_max为各阶临界转速下的轴颈最大不平衡响应；

第七步、计算避开冲击扭振的频率比值

空冷式高参数1100MW汽轮发电机组轴系避开冲击扭振的频率下限比值R_d1和频率上限比值R_u1分别按照如下公式计算：

上式中，f_ti1为最接近45HZ至55HZ的扭转频率；

第八步、计算避开超同步扭振的频率比值

空冷式高参数1100MW汽轮发电机组轴系避开超同步扭振的频率下限比值R_d2和频率上限比值R_u2分别按照如下公式计算：

上式中，f_ti2为最接近93HZ至108HZ的扭转频率；

第九步、计算轴系扭振应力比：

发电机发生两相短路时，空冷式高参数1100MW汽轮发电机组转子扭振应力比R_τ按照如下公式计算：

上式中，τ_max为发电机两相短路时转子最大剪应力，τ_s为转子材料抗扭屈服极限；

第十步、整体轴系失稳转速的优化控制：

通过空冷式高参数汽轮机整体轴系动特性的设计监控系统，对于空冷式高参数1100MW汽轮机整体轴系失稳转速进行优化设计控制：

R_st＝1.33＞1.25，空冷式高参数1100MW汽轮机整体轴系动特性的失稳转速设计监控合格，表明整体轴系动特性的失稳转速处于受控状态，整体轴系失稳转速的设计监控结束，进入第十一步；

第十一步、整体轴系对数衰减率的优化控制：

通过空冷式高参数汽轮机整体轴系动特性的设计监控系统，对于空冷式高参数1100MW汽轮机整体轴系对数衰减率进行优化设计控制：

R_δ＝1.71＞1，空冷式高参数1100MW汽轮机整体轴系动特性的对数衰减率的设计监控合格，表明整体轴系动特性的对数衰减率处于受控状态，整体轴系对数衰减率的设计监控结束，进入第十二步；

第十二步、整体轴系临界转速的优化控制：

通过空冷式高参数汽轮机整体轴系动特性的设计监控系统，对于空冷式高参数1100MW汽轮机整体轴系临界转速进行优化设计控制：

Δn＝13.10％＞10％，空冷式高参数1100MW汽轮机整体轴系动特性的临界转速设计监控合格，表明整体轴系动特性的临界转速处于受控状态，整体轴系临界转速的设计监控结束，进入第十三步；

第十三步、整体轴系工作转速下不平衡响应的优化控制：

通过空冷式高参数汽轮机整体轴系动特性的设计监控系统，对于空冷式高参数1100MW汽轮机整体轴系工作转速下不平衡响应进行优化设计控制：

R_y0＝0.70＜1，空冷式高参数1100MW汽轮机整体轴系动特性的工作转速下不平衡响应的设计监控合格，表明整体轴系动特性的工作转速下不平衡响应处于受控状态，整体轴系工作转速下不平衡响应的设计监控结束，进入第十四步；

第十四步、整体轴系临界转速下不平衡响应的优化控制：

通过空冷式高参数汽轮机整体轴系动特性的设计监控系统，对于空冷式高参数1100MW汽轮机整体轴系临界转速下不平衡响应进行优化设计控制：

R_y＝0.82＜1，空冷式高参数1100MW汽轮机整体轴系动特性的临界转速下不平衡响应的设计监控合格，表明整体轴系动特性的临界转速下不平衡响应处于受控状态，整体轴系临界转速下不平衡响应的设计监控结束，进入第十五步；

第十五步、整体轴系冲击扭振的优化控制：

通过空冷式高参数汽轮机整体轴系动特性的设计监控系统，对于空冷式高参数1100MW汽轮机整体轴系冲击扭振进行优化设计控制：

R_d1＝0.68＜1或R_u1＝1.13＞1，空冷式高参数1100MW汽轮机整体轴系动特性的冲击扭振的设计监控合格，表明整体轴系动特性的冲击扭振处于受控状态，整体轴系冲击扭振的设计监控结束，进入第十六步；

第十六步、整体轴系超同步扭振的优化控制：

通过空冷式高参数汽轮机整体轴系动特性的设计监控系统，对于空冷式高参数1100MW汽轮机整体轴系超同步扭振进行优化设计控制：

R_d2＝0.77＜1，R_u2＝1.46＞1，空冷式高参数1100MW汽轮机整体轴系动特性的超同步扭振的设计监控合格，表明整体轴系动特性的超同步扭振处于受控状态，整体轴系超同步扭振的设计监控结束，进入第十七步；

第十七步、整体轴系扭振应力的优化控制：

通过空冷式高参数汽轮机整体轴系动特性的设计监控系统，对于空冷式高参数1100MW汽轮机整体轴系扭振应力进行优化设计控制：

R_τ＝0.63＜1，空冷式高参数1100MW汽轮机整体轴系动特性的扭振应力的设计监控合格，表明整体轴系动特性的扭振应力处于受控状态，整体轴系扭振应力的设计监控结束，进入第十八步；

第十八步、打印输出结果

根据需要打印输出空冷式1100MW高参数汽轮机整体轴系动特性的计算结果与优化控制措施。

本实施例提供了空冷式高参数1100MW汽轮机的总体结构与整体性能的设计监控系统，实现了空冷式高参数1100MW汽轮机的总体结构与整体性能的优化改进和设计监控。如果空冷式高参数1100MW汽轮机的总体结构与整体轴系动特性的设计不合格，通过在设计阶段需要对总体结构、轴承形式或转子结构进行优化改进，改用符合本发明专利给出总体结构、稳定性更好的轴承，或者优化转子结构的几何尺寸，使空冷式高参数1100MW汽轮机整体性能处于受控状态，达到了使用总体结构、各级流量与整体轴系动特性的设计监控系统来控制与优化空冷式高参数1100MW汽轮机整体性能的技术效果。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。