空冷汽輪機相關(guān)設(shè)計探討

王志軍+張東曉

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摘要：本文對空冷汽輪機設(shè)計特點作了總結(jié)，重點對低壓缸軸承設(shè)計、葉片設(shè)計、管道設(shè)計進行了介紹，提出了設(shè)計過程中的注意事項，通過加強空冷汽輪機的設(shè)計探討，可滿足人們對電力使用的需求，促進電力事業(yè)的進一步發(fā)展。

關(guān)鍵詞：空冷汽輪機；設(shè)計；特點；注意事項

空冷汽輪機在具有節(jié)省大量水資源的同時，還能滿足我國電力增長需求，較好的保護了環(huán)境，有效緩解了我國因水資源短缺而引起的電力供應(yīng)不足的問題，因此加強對空冷汽輪機設(shè)計的探討，對于推動我國電力事業(yè)與經(jīng)濟的快速發(fā)展具有重要作用。

1 空冷汽輪機設(shè)計特點

由于空冷汽輪機設(shè)計一般采取的是閉合的散熱方式，因此其主要有以下幾個特點：（1） 節(jié)約水資源；以一臺濕冷汽輪機為例，其每年消耗的水資源超過兩千萬噸，其中濕塔耗水約一千五百萬噸，而根據(jù)空冷汽輪機的設(shè)計理論分析可知，其散熱是通過金屬管壁將熱量排放到空氣中，因此環(huán)境壓力產(chǎn)生的汽輪機背壓與大氣干球溫度有著直接的關(guān)系，其散熱過程中基本不消耗水。（2）成本投入高；由于空冷汽輪機設(shè)計采取的是通過金屬管與空氣之間形成熱交換，進而將內(nèi)部的熱量傳遞出去，因此前期建設(shè)的空冷塔較大，其冷卻用的金屬材料消耗也較多，同時設(shè)計前期的投入大致為濕冷塔的3-5倍，再加上其后期配套設(shè)施的建設(shè)及日常的冷卻系統(tǒng)設(shè)施維護，設(shè)計成本投入較高。（3）有利于環(huán)境保護；在設(shè)計中，空冷汽輪機不會產(chǎn)生霧團狀的氣體，因此不會產(chǎn)生較大的氣體污染，同時其空冷設(shè)計也不會產(chǎn)生循環(huán)水富鹽污水排放的現(xiàn)象，避免了通過水循環(huán)將發(fā)電廠產(chǎn)生的有有害物質(zhì)散到環(huán)境中，起到了保護環(huán)境的作用。

2 空冷汽輪機設(shè)計

2.1 低壓缸軸承設(shè)計

（1）低壓缸軸承落地設(shè)計；落地設(shè)計可直接有效地解決汽輪機背壓頻繁大幅度變化對軸系運行的影響，保證軸系的穩(wěn)定運行，但其缺點是因為低壓端氣封和隔板氣封在軸系運行過程中會不停變化，所以為避免其與軸系發(fā)生碰撞而影響軸系正常運行，設(shè)計人員需進一步加大軸向開檔尺寸，或是將低壓端氣封和隔板汽封也進行落地設(shè)計，以將氣封一端與低壓軸承箱剛性連接，一端柔性連接，從而保證其運行過程中與軸系同一幅度變化。（2）低壓缸軸承半落地設(shè)計；半落地設(shè)計需將軸承剛性聯(lián)軸節(jié)設(shè)計成半撓性結(jié)構(gòu)，同時在對低壓缸進行設(shè)計時，要根據(jù)空冷汽輪機具體運行情況，適當將臺板與中心線之間的距離減小，以將熱膨脹對軸系運行的影響降至最低，控制軸承抬高量，以此降低軸系運行中發(fā)生碰撞的可能性，保證軸系穩(wěn)定運行。（3）低壓缸軸承不落地設(shè)計；不落地設(shè)計不僅需要將汽輪機剛性聯(lián)軸節(jié)改為半撓性結(jié)構(gòu)，同時對于低壓缸冷態(tài)安裝標高也要進行更為嚴格的控制，其要求根據(jù)空冷汽輪機運行的不同特點，標高也需降到不一樣的高度，并保證其精確性，以補償熱膨脹對于中心線太高的影響。

2.2 葉片設(shè)計

（1）葉片型線設(shè)計；首先需設(shè)計出三個最關(guān)鍵的基本特征截面葉型，即根部、頂部和平均截面的葉型。其中，截面是葉片設(shè)計的關(guān)鍵，其需計算葉型厚度，葉片的彎扭、禍合、剪切變形、轉(zhuǎn)動慣量和葉根柔度，在找出葉型的重心之后，通過重心畫出X、Y軸，以其為基準在0.9mm圓內(nèi)完成根部型設(shè)計。其次葉型頂部截面的厚度要大于5mm，相鄰葉片在任何高度都應(yīng)有進出邊的重疊，葉型要求無擴張。（2）葉身型線修正；葉片鍛模的設(shè)計，應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品工藝設(shè)計圖來設(shè)計鍛件，一般包括葉片截面，型線的離散點坐標、公差，并要建立葉片的零件實體模型，改變?nèi)~片的自振頻率，從而避開共振。其次由于葉身部分的進出氣邊較薄，極易出現(xiàn)劃痕、折疊、裂紋等現(xiàn)象，因此可進行延伸和加厚的技術(shù)修正，同時葉片型面在輻射方向上的曲率半徑設(shè)計要遠大于截面方向，刀軌也應(yīng)采用較大的步長，以防止出現(xiàn)過切現(xiàn)象，并且鋼和耐熱合金在加熱時需要防護措施，這樣可減少缺陷層的厚度。另外葉片回轉(zhuǎn)加工刀具需沿葉片截面型線方向加工，以增加余量，同時葉片的型面應(yīng)用離散點表示，并且只有設(shè)計嚴密可靠的測量方法，才能加工出合格的葉片。其具體為：先將機床的回轉(zhuǎn)工作臺改為雙軸同步驅(qū)動，以為葉片預加拉力，之后與精鍛型面加放余量1mm左右相比，模鍛葉片一般要加3mm以上的余量，同時在鍛造過程中還可能會存在一定的欠壓量，因此需采用五坐標加工中心加工汽道型面，以保證一定的弦向延伸量及圓角使模具無尖角。

2.3 管道設(shè)計

（1）進汽管道；對于進汽管道，應(yīng)考慮自身的柔性吸收管道的熱脹量和管嘴的附加位移量，如果空冷汽輪機入口管道上有入口分液罐，可把分液罐作為固定點；而如果沒有入口分液罐，應(yīng)在氣體管帶上設(shè)置固定點，并需將管帶的熱補償與其進口管道分開考慮。其次當空冷汽輪機距離產(chǎn)汽鍋爐或其它產(chǎn)汽系統(tǒng)較遠時，進汽管道產(chǎn)生的壓降和溫降較大，因此為提高產(chǎn)氣系統(tǒng)的氣體溫度，應(yīng)在將其引入汽輪機前，把大量氣體放空，并在氣體進口法蘭前的主氣體入口管道上，通常會接出入口放空管，但由于汽輪機在正常工作時，該放空管道上的閥門會被關(guān)閉，因此管道布置在滿足工藝要求的前提下，應(yīng)將進汽管道的放空管盡可能遠離進汽嘴，以將對機器的影響降到最小。（2）排汽管道；排汽管道需在管帶適當?shù)奈恢迷O(shè)置固定支架，以分段考慮管道的熱補償，并且靠近汽輪機管嘴部分的管道，應(yīng)比其它部分的氣體管道具有較大的柔性，而對于管徑較大的汽輪機出口管道，可考慮使用金屬膨脹節(jié)來增加管道的柔性，同時考慮到水平管道上波紋管里可能會存有積液，因此最好將其安裝在豎直管道上。其次對于直徑較大的空冷汽輪機出口管道，可從其出口直接引到地面，并在沿地面走一段后再上管帶，這樣可利用管嘴到地面的長距離管段設(shè)置合適的膨脹節(jié)，但是該垂直管段上的彈簧承重支架最好不要設(shè)置在地面上，以減少彈簧載荷轉(zhuǎn)移量，有效降低空冷汽輪機出口垂直方向上的受力。

3 空冷汽輪機設(shè)計中的注意事項

3.1 高壓缸的雙層缸

高壓缸一般使用的是雙層缸設(shè)計，雙層缸由內(nèi)缸和外缸組成，內(nèi)缸由靜葉持環(huán)組成，外缸的形狀為圓筒形，這種高壓缸在內(nèi)部不需設(shè)置隔板，如果設(shè)置了隔板就會出現(xiàn)反效果，無法發(fā)揮高壓缸的作用，并且在缸內(nèi)還要安裝靜葉柵，靜葉柵需為反動式。其次高壓外缸在空冷汽輪機的構(gòu)成中是非常重要的，其內(nèi)缸的方向應(yīng)為垂直縱向分布，這樣可保證空冷汽輪機能很好的受熱，并能讓材料的受熱情況保持一致，而外缸則應(yīng)采用圓筒的設(shè)計形式，分為進氣缸和排氣缸。

3.2 補汽調(diào)節(jié)閥的安裝

補氣閥主要是在主調(diào)節(jié)門開足的情況下向機組供汽，但是并不是無限量的供應(yīng)，當供汽量達到進氣量的8%時，即可滿足供應(yīng)數(shù)值，如若超過這個數(shù)值，會給空冷汽輪機造成不利影響，同時使用補汽閥的主要作用是：首先可在汽輪機的進汽量和工況流量之間的比值較大時對其進行調(diào)節(jié)，保證空冷汽輪機的正常運行；其次當打開補汽調(diào)節(jié)閥候，蒸汽會快速的進入到第五級處，其溫度則會降到30℃左右，如果外缸的溫度過高，還可起到調(diào)節(jié)溫度的作用，提高部件的穩(wěn)定性；最后補汽調(diào)節(jié)閥還可提高變負荷速率，加快空冷汽輪機的運行，但是在運行的過程中，需對其穩(wěn)定性有可靠的保證。

3.3 液壓馬達盤車裝置的潤滑

液壓馬達盤車裝置主要由起訴離合器、軸承、液力調(diào)速馬達和緊固件組成，液壓馬達在使用的過程中主要由頂軸油驅(qū)動構(gòu)成，使用這種裝置雖可改變調(diào)節(jié)閥的速度，但在使用的過程種還需對液壓馬達盤車裝置進行潤滑，如果長時間沒有進行潤滑就會被侵蝕，對于空冷汽輪機的使用會產(chǎn)生不利影響，例如馬達的轉(zhuǎn)動。

4 總結(jié)

總之，由于我國水資源短缺問題嚴重，為能夠在節(jié)約用水的情況下，滿足人們對于電力增長的需要，相關(guān)設(shè)計人員應(yīng)對空冷汽輪機的設(shè)計進行深入研究，以求能夠設(shè)計出性能更加完善的空冷機組，使電力更好的為人們所用，有效推動國家經(jīng)濟的快速發(fā)展。

參考文獻：

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[2] 武吉林.直接空冷汽輪機組優(yōu)化設(shè)計與運用[J].山西電力，2008（01）.

作者簡介：王志軍。身份證：410804198708040019，論文方向：工程機械設(shè)計方面。