中壓工業(yè)汽輪機(jī)一體式閥門的設(shè)計(jì)*

□田偉華　□何　勁　□陳先鋒上海電氣電站設(shè)備有限公司 上海汽輪機(jī)廠　上?！?00240

中壓工業(yè)汽輪機(jī)一體式閥門的設(shè)計(jì)*

□田偉華□何勁□陳先鋒
上海電氣電站設(shè)備有限公司 上海汽輪機(jī)廠上海200240

汽缸-閥殼一體化設(shè)計(jì)是機(jī)組集裝化設(shè)計(jì)的基本前提之一，中壓工業(yè)汽輪機(jī)一體式閥門的開發(fā)是一個(gè)典型的整裝、噴嘴調(diào)節(jié)、提板調(diào)節(jié)汽閥的設(shè)計(jì)案例。針對(duì)此類結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)分析，論證了其可行性和適用范圍，設(shè)計(jì)符合整裝要求，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及平衡性較好，參數(shù)適應(yīng)性較為廣泛，為同種類型工業(yè)汽輪機(jī)的閥門設(shè)計(jì)提供了新的設(shè)計(jì)思路。

集裝化設(shè)計(jì)是工業(yè)汽輪機(jī)如給水泵小機(jī)、送風(fēng)小機(jī)等類型機(jī)組的核心設(shè)計(jì)理念之一，此類機(jī)組通常不作為整個(gè)電站系統(tǒng)的主力，而是作為輔助模塊運(yùn)行。一般工程建設(shè)中此類機(jī)組不具備較長(zhǎng)的建設(shè)周期，因此集裝化設(shè)計(jì)可以大大減少技術(shù)配合、現(xiàn)場(chǎng)安裝的時(shí)間，從而保證項(xiàng)目主體進(jìn)度。

座缸式閥門的設(shè)計(jì)是機(jī)組集裝化設(shè)計(jì)的基本前提之一，結(jié)構(gòu)上一般將主汽閥和調(diào)節(jié)閥閥殼及汽缸做成一體或采用法蘭連接。閥門主要靠汽缸支撐（有時(shí)機(jī)架上設(shè)彈性支撐），閥門和汽缸之間基本沒(méi)有管道，閥門沒(méi)有落地的支撐。采用座缸式閥門設(shè)計(jì)顯然將使整個(gè)模塊變得更加緊湊，使集裝化設(shè)計(jì)容易實(shí)現(xiàn)。

工業(yè)汽輪機(jī)的集裝化設(shè)計(jì)和大機(jī)組的模塊總裝發(fā)運(yùn)的概念并不相同。即便大型機(jī)組的閥門（例如1 000 MW汽輪機(jī)組）采用座缸設(shè)計(jì)，且模塊整裝發(fā)運(yùn)，也并非是所謂的集裝化設(shè)計(jì)，因?yàn)榇髾C(jī)組模塊并沒(méi)有放到一個(gè)公共機(jī)架上，其軸承座一般也不會(huì)集裝到模塊上發(fā)運(yùn)。分模塊發(fā)運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)后，多個(gè)模塊之間仍需要安裝調(diào)整。而集裝化設(shè)計(jì)的工業(yè)汽輪機(jī)則不同，以下以驅(qū)動(dòng)鍋爐引風(fēng)機(jī)汽輪機(jī)組為例，對(duì)中壓參數(shù)機(jī)組座缸式進(jìn)汽閥門的設(shè)計(jì)進(jìn)行論述。

1　工業(yè)汽輪機(jī)一體式閥門與大型機(jī)組一體式閥門的區(qū)別

工業(yè)汽輪機(jī)一體式閥門與大型汽輪機(jī)組的閥門設(shè)計(jì)具有較大的區(qū)別，除設(shè)計(jì)參數(shù)不同外，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的差異主要表現(xiàn)如下。

工業(yè)汽輪機(jī)經(jīng)常在變工況下運(yùn)行，因此一般采用噴嘴調(diào)節(jié)，即由多個(gè)調(diào)節(jié)閥控制對(duì)應(yīng)的蒸汽室和噴嘴組進(jìn)汽，閥門數(shù)目多，每個(gè)閥門對(duì)應(yīng)單獨(dú)的蒸汽室，且互不相通。大機(jī)組往往在穩(wěn)定工況下運(yùn)行，其噴嘴調(diào)節(jié)的功能已經(jīng)逐漸弱化或取消，多采用單閥調(diào)節(jié)、全周進(jìn)汽，故調(diào)節(jié)閥的個(gè)數(shù)少，蒸汽室為全周進(jìn)汽，無(wú)分隔。

因?yàn)榇髾C(jī)組的調(diào)節(jié)汽閥數(shù)量較少，布置設(shè)計(jì)比較靈活，一般懸掛在汽缸的側(cè)面（切向進(jìn)汽）。而工業(yè)汽輪機(jī)的閥門數(shù)量很多，并且要配合不同的蒸汽室，一般布置在汽缸頂部。

調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)形式不同，為了做到結(jié)構(gòu)緊湊、控制方便，工業(yè)汽輪機(jī)將多個(gè)調(diào)節(jié)閥布置在同一個(gè)腔室內(nèi)，多個(gè)閥頭裝在一根橫擔(dān)上，由一組共用的提升桿控制?？傮w上工業(yè)汽輪機(jī)的調(diào)節(jié)閥閥頭小，蒸汽壓力低，閥門提升力小，否則是不能做成橫擔(dān)結(jié)構(gòu)的。

大型機(jī)組一體式閥門結(jié)構(gòu)如圖1所示，中壓汽輪機(jī)汽輪一體式閥門結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1　大型汽輪機(jī)組一體式閥門結(jié)構(gòu)

圖2　中壓汽輪機(jī)一體式閥門結(jié)構(gòu)

因?yàn)闄C(jī)型的差異，這兩種結(jié)構(gòu)難于調(diào)和。中壓機(jī)型從總體上說(shuō)應(yīng)屬于中小機(jī)型，因此傾向于用中小機(jī)型的一體式閥門設(shè)計(jì)方案來(lái)進(jìn)行中壓進(jìn)汽機(jī)組一體式閥門的方案設(shè)計(jì)，筆者只針對(duì)這種方案進(jìn)行論述。

2　一體式閥門的蒸汽室結(jié)構(gòu)方案

汽輪機(jī)進(jìn)汽部分由汽缸、蒸汽室、調(diào)節(jié)閥和主汽閥組成，其中蒸汽室基本置于汽缸內(nèi)部，蒸汽室和汽缸一般不可能一體鑄造出來(lái)，只能采用焊接或法蘭連接到汽缸上。汽缸、主汽閥閥殼、調(diào)節(jié)閥閥殼幾乎不可能成一個(gè)整體鑄造出來(lái)，在總體結(jié)構(gòu)的劃分上有兩種方式，其一是將調(diào)節(jié)閥閥殼在汽缸上鑄造出來(lái)，主汽閥懸掛在調(diào)節(jié)閥殼的一側(cè)，以給水泵汽輪機(jī)組為代表，這種結(jié)構(gòu)幾乎沒(méi)有辦法進(jìn)行蒸汽室安裝，因此只適用于單層進(jìn)汽結(jié)構(gòu)上，如圖3（a）所示。其二是將調(diào)節(jié)閥殼和主汽閥殼做成一體，調(diào)節(jié)閥部分閥殼采用倒扣的方式，通過(guò)法蘭連接到汽缸上，這種結(jié)構(gòu)在汽缸頂部有一個(gè)比較開放的接口，便于采用不同的蒸汽室結(jié)構(gòu)，如圖3（b）所示。

圖3　閥門蒸汽室結(jié)構(gòu)形式

如圖3（b）所示的汽缸進(jìn)汽雙層結(jié)構(gòu)在高壓以上的機(jī)組上是普遍使用的，但適用于進(jìn)汽閥布置在汽缸頂上的一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)卻不常見(jiàn)。如前所述，高壓以上機(jī)組作用在閥桿上的蒸汽力較大，多采用單閥-單油動(dòng)機(jī)-全周進(jìn)汽的結(jié)構(gòu)，因此很容易通過(guò)鐘罩或密封環(huán)等措施解決雙層缸的密封問(wèn)題。而中壓以下的工業(yè)汽輪機(jī)的噴嘴調(diào)節(jié)往往設(shè)置多個(gè)調(diào)節(jié)汽閥，由于蒸汽力較小，每個(gè)調(diào)節(jié)汽閥設(shè)置單獨(dú)油動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)方案并沒(méi)有必要，也不利于機(jī)組小型化。鑒于此，有必要開發(fā)進(jìn)汽閥頂部座缸、雙層缸的成套結(jié)構(gòu)。

汽缸、蒸汽室、閥殼形成的三重結(jié)合面，這種配合方式常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)方案如圖4所示。

圖4（a）和4（c）的蒸汽室均采用三片法蘭的結(jié)構(gòu)，形成了兩個(gè)密封面。不同的是（a）方案中間法蘭完全夾在另外兩片法蘭內(nèi)部，密封面較小，三層結(jié)構(gòu)之間相互制約，同時(shí)保證兩個(gè)面的密封比較困難，在中壓條件下使用，可靠性不能保證。圖4（b）采用了焊接結(jié)構(gòu)，比較好地解決了密封問(wèn)題，而且為蒸汽室提供了準(zhǔn)確定位（因調(diào)節(jié)閥的閥碟實(shí)際上是裝在蒸汽室上的，蒸汽室的定位要求是比較高的）。

蒸汽室和汽缸采用焊接結(jié)構(gòu)之后，需要考慮以下問(wèn)題。

（1）結(jié)構(gòu)焊接后應(yīng)進(jìn)行熱處理，再加工中分面。調(diào)節(jié)閥閥座如果是焊接之前套入蒸汽室，則焊后熱處理，紅套量會(huì)消失；如果熱處理后紅套，則無(wú)法裝入閥座的固定銷。一般設(shè)計(jì)優(yōu)先采用閥座直接在蒸汽室加工并堆焊硬質(zhì)合金。

（2）焊接和熱處理變形會(huì)對(duì)噴嘴安裝位置產(chǎn)生影響，焊接時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮汽缸和蒸汽室之間的準(zhǔn)確限位，例如設(shè)置限位鍵，如圖5所示。

圖4　三重結(jié)合面配合方式

圖5　蒸汽室限位措施

3　一體式閥門本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1提板式閥門流量特性

采用噴嘴調(diào)節(jié)方式的汽輪機(jī)，調(diào)節(jié)閥的配置與調(diào)節(jié)級(jí)效率、強(qiáng)度關(guān)系密切，在部分負(fù)荷的情況下，采用噴嘴調(diào)節(jié)可以減少閥門節(jié)流損失，提高調(diào)節(jié)級(jí)效率，但同時(shí)部分負(fù)荷下調(diào)節(jié)級(jí)焓降較大，高于額定工況。出于對(duì)調(diào)節(jié)級(jí)的運(yùn)行業(yè)績(jī)、總體的焓降分配、調(diào)節(jié)級(jí)的葉高損失和部分進(jìn)汽損失的評(píng)估、常工況部分負(fù)荷設(shè)計(jì)點(diǎn)的選擇、轉(zhuǎn)子軸系穩(wěn)定性等多方面的要求，確定調(diào)節(jié)級(jí)噴嘴的幾何參數(shù)、部分進(jìn)汽度、噴嘴總數(shù)和分組情況。

每個(gè)調(diào)節(jié)閥對(duì)應(yīng)一定的噴嘴組，閥門口徑的選型可以按噴嘴的面積選擇，也可以按閥門喉部流速計(jì)算喉部面積。另外按閥門喉部流速計(jì)算閥門喉部面積時(shí)，需要注意各組噴嘴和對(duì)應(yīng)的閥門喉部面積之比應(yīng)一致，否則即使在額定工況下，各閥門流速和壓損也不一致。典型的閥門形式有球頭閥型線和GX-1型。

與大型發(fā)電汽輪機(jī)不同，中低壓參數(shù)的機(jī)組閥門本身需要的提升力不大，調(diào)節(jié)閥口徑小，數(shù)量多，如果每個(gè)調(diào)節(jié)閥均設(shè)置一套獨(dú)立的閥門閥桿結(jié)構(gòu)，閥門在汽缸上的布置將變得極為復(fù)雜，而且零件數(shù)量將大為增加。因此在這類機(jī)型上經(jīng)常采用提板式閥門結(jié)構(gòu)，典型的提板式調(diào)節(jié)閥如圖6所示。

圖6　典型的提板式調(diào)節(jié)閥

閥殼內(nèi)若干閥門布置在一條橫梁上，橫梁兩側(cè)設(shè)置兩根提升桿，由一副公共杠桿和油動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。每個(gè)閥門設(shè)置了一定的空行程，即閥門重疊度，空行程的大小決定了閥門開啟的順序、機(jī)組的流量調(diào)節(jié)特性。良好的流量調(diào)節(jié)特性是閥門重疊度優(yōu)化設(shè)置的主要目標(biāo)之一，還要考慮閥門重疊度的設(shè)置應(yīng)使機(jī)組常運(yùn)行的部分負(fù)荷工況閥門節(jié)流最小。帶重疊度的閥組每個(gè)閥依次開啟（非依次全開），各閥的最大流量和焓降均不超過(guò)依次全開的最大值。

提板式調(diào)節(jié)汽閥配置了閥門重疊度，閥組提升力（即蒸汽對(duì)閥碟的作用力）顯然不同于單閥的提升力，閥組的提升力是每個(gè)開啟的閥門提升力之和，每個(gè)開啟的閥門前后壓力可以認(rèn)為是一致的，但閥門規(guī)格和開度不一致，提升力需要分別計(jì)算。一般單個(gè)提升式的閥門可按全關(guān)、全開兩個(gè)狀態(tài)考量門桿的最大提升力，提板式的閥組則需要對(duì)整個(gè)開啟過(guò)程的蒸汽作用力變化進(jìn)行考量。

某提板式閥門的特性曲線如圖7、圖8所示。

圖7　流量/升程曲線

圖8　蒸汽作用力

3.2提板式閥門桿系運(yùn)動(dòng)特性

調(diào)節(jié)閥的杠桿系由杠桿支點(diǎn)、提升桿、彈簧箱、油動(dòng)機(jī)組成，一般要求四部分集成在一個(gè)閥殼上，這樣閥門所有的開啟關(guān)閉力均在閥殼上，達(dá)成內(nèi)力平衡，不會(huì)傳遞到汽缸上，另外，裝拆比較方便安全。杠桿系如圖9所示。

圖9　調(diào)節(jié)汽閥杠桿結(jié)構(gòu)

利用杠桿系在支點(diǎn)處的力矩平衡條件計(jì)算各閥點(diǎn)的油動(dòng)機(jī)出力，各閥點(diǎn)的蒸汽作用力和彈簧力都是不同的，需要逐點(diǎn)計(jì)算。各閥點(diǎn)提升力見(jiàn)表1。

表1　閥桿提升力計(jì)算［1］

提板式閥門杠桿連接點(diǎn)多，必須考慮杠桿的穩(wěn)定、導(dǎo)向和定位。如圖9所示，杠桿上有兩個(gè)支點(diǎn)、兩個(gè)閥門提升點(diǎn)、一個(gè)彈簧箱連接點(diǎn)、一個(gè)油動(dòng)機(jī)連接點(diǎn)，可以得到較好的剛性和平衡性。杠桿本身比較粗重，和閥門之間存在不確定的差脹，連接點(diǎn)多，相互制約，杠桿設(shè)置限位和導(dǎo)向，要保證杠桿在垂直方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)、在水平方向上的自由膨脹。

采用提板式調(diào)節(jié)閥的機(jī)組不采用主汽門沖轉(zhuǎn)，始終采用調(diào)節(jié)閥控制，主汽閥不考慮沖轉(zhuǎn)。開啟主汽閥的前提是調(diào)節(jié)汽閥要關(guān)閉，主汽閥內(nèi)置小閥僅作閥碟前后壓力平衡使用，小閥大小和型線一般不作要求。主汽閥和油動(dòng)機(jī)采用直連連接，在閥蓋外側(cè)設(shè)置了連接座，可以靈活匹配油動(dòng)機(jī)座接口和閥蓋接口，另外將油動(dòng)機(jī)和高溫閥體隔開。閥桿和油動(dòng)機(jī)軸的連接采用對(duì)夾法蘭，保證接口的抗沖擊能力。主汽閥主體部分結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖10。

3.3一體式閥殼強(qiáng)度計(jì)算

由于進(jìn)汽參數(shù)較低，閥門及螺栓材料相比高壓機(jī)組也相應(yīng)降低，單獨(dú)考核閥殼不易反映真實(shí)情況，一般將汽缸和閥門一起計(jì)算，得到整體變形量和應(yīng)力比再作分析［2］。

圖10　主汽閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

4　總結(jié)

中壓工業(yè)汽輪機(jī)一體式閥門的開發(fā)是一個(gè)典型的整裝、噴嘴調(diào)節(jié)、提板調(diào)節(jié)汽閥的設(shè)計(jì)案例，閥門的方案設(shè)計(jì)從閥門的功能、總體上的要求著手，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)則在閥門方案和設(shè)計(jì)參數(shù)的基礎(chǔ)上，分析結(jié)構(gòu)穩(wěn)定平衡性、參數(shù)適應(yīng)性來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)布置。

工業(yè)汽輪機(jī)因其運(yùn)行工況多變，閥門控制是本體設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，以上針對(duì)典型的中壓進(jìn)汽參數(shù)汽輪機(jī)（文中實(shí)例機(jī)型的主蒸汽壓力≤6 MPa，溫度≤510℃）進(jìn)行了一體式閥殼的結(jié)構(gòu)分析論證，其在常規(guī)高壓進(jìn)汽參數(shù)下的適應(yīng)性也在進(jìn)一步研究中。

［1］吳厚鈺.透平零件結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度計(jì)算［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1982.

［2］丁有宇.汽輪機(jī)強(qiáng)度計(jì)算手冊(cè)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2010.

Cylinder-valve housing integrated design is one of the fundamental preconditions in unit block design，the development ofintegrated valve for mediumpressure industrial steam turbine is a typical design case involving unit assembly，nozzle adjustment，cylinder valve adjusted by lifting beam.The systems analysis of such structure demonstrates the feasibility and its scope of application，its design can meet with the requirements for unit assembly.With the features of sound structural stability，balance ability and extensive parameter adaptability it can furnish newideas in design of same types of industrial steamturbine valves.

集裝化；一體式閥門；提板式；

Unit Assembly；Integrated Valve；Lifting Beam Type

TK264.9

A

1672-0555（2015）03-028-06

*上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)資助項(xiàng)目（編號(hào)：13QB1402400）

2015年6月

田偉華（1979-），男，本科，動(dòng)力工程碩士，主要從事汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開發(fā)工作