滿(mǎn)足溫度和壓力要求的模塊化設(shè)計(jì)

摘 要：模塊化設(shè)計(jì)主要參數(shù)之一是主蒸汽條件。主蒸汽溫度不斷升高，高溫需要昂貴的材料來(lái)承受相關(guān)的最佳壓力水平。對(duì)于這種先進(jìn)的蒸汽循環(huán)，模塊化概念的一個(gè)重點(diǎn)是將所需耐高溫材料的數(shù)量降到最低。在不同的溫度水平（例如，565°C和600°C）對(duì)主要部件采用相同的設(shè)計(jì)，只改變材料，焊接主要部件，以盡量減少高溫材料的數(shù)量.保護(hù)部件不受熱蒸汽的影響，為其降溫。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)子；模塊；冷凝器

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.07.040

1 適用于600℃以下溫度的渦輪材料設(shè)計(jì)

聯(lián)合HP/IP渦輪由內(nèi)、外殼體，上半、下半部分與水平法蘭組成。熱應(yīng)力使高主蒸汽和再熱蒸汽引起的熱負(fù)荷以及壓力完全由內(nèi)套管承擔(dān)。為此，根據(jù)特定的應(yīng)用溫度選擇內(nèi)套管的材料。同樣，轉(zhuǎn)子材料是根據(jù)K型渦輪的尺寸、應(yīng)用溫度和轉(zhuǎn)速（50或60 Hz）而選擇。

該設(shè)計(jì)由保護(hù)外殼免受熱主蒸汽和再熱蒸汽溫度的特殊特性組成。該閥門(mén)通過(guò)一個(gè)靈活的L形環(huán)和一個(gè)熱套管，分別引導(dǎo)熱蒸汽直接進(jìn)入內(nèi)套管、HP或IP葉片。因此，外殼只需承受ip排氣壓力和溫度。所有應(yīng)用的外殼材料都是球狀鑄鐵，相當(dāng)大的降低成本。同樣，閥門(mén)外殼材料的成本也是根據(jù)不同的設(shè)計(jì)壓力和溫度情況進(jìn)行優(yōu)化的。

2 焊接轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)

焊接設(shè)計(jì)已應(yīng)用于新的電子渦輪轉(zhuǎn)子。小葉片熱IP截面和大離心冷Lp截面所需材料性能、力量是完全不同的。因此，只有焊接轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)才能使熱IP段和冷Lp段都能使用最佳材料。兩種材料的組合，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生最佳值。

在廣泛的再熱溫度范圍內(nèi)的機(jī)械性能，高達(dá)565℃時(shí)，IP轉(zhuǎn)子塊和內(nèi)殼使用2%鉻鋼。高達(dá)600℃時(shí)，轉(zhuǎn)子和內(nèi)殼材料由10%鉻鋼代替。Lp轉(zhuǎn)子塊由3.5%鎳鋼組成。轉(zhuǎn)子焊縫位于LP前端的后面。這為實(shí)施成本效益高的焊接提供了優(yōu)勢(shì)。

3 虛擬活塞冷卻

為了達(dá)到最大的熱力學(xué)效率，選擇了一種新的電子渦輪的直流電渦輪設(shè)計(jì)。與反向流的概念不同，選擇的直流設(shè)計(jì)需要一個(gè)足夠大的軸向推力的活塞直徑。由于這種大活塞直徑在再熱溫度下的機(jī)械沖擊，已為活塞開(kāi)發(fā)了強(qiáng)制轉(zhuǎn)子冷卻，用以保證高效循環(huán)。冷卻蒸汽（350℃）被吹入IP活塞前面的一個(gè)特殊混合空間，并從IP入口與再熱蒸汽（565℃至600℃）混合，以達(dá)到一個(gè)最適宜溫度450℃。在此溫度下，IP轉(zhuǎn)子和IP活塞的兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起，得到最佳的轉(zhuǎn)子壽命周期和IP活塞密封的最小間隙。因此2%-鉻鋼可用于565°的IP轉(zhuǎn)子。保持性能和可靠性的高水平，而不增加材料成本，冷卻系統(tǒng)已經(jīng)成功地實(shí)現(xiàn)了。

4 冷凝器模塊設(shè)計(jì)

模塊化設(shè)計(jì)的另一個(gè)主要參數(shù)是流過(guò)Lp端級(jí)的體積流量，它與質(zhì)量流和冷凝器壓力直接相連。排氣擴(kuò)壓器與該地區(qū)的平均軸向速度密切相關(guān)。因此，需要一些不同的lp尺寸來(lái)覆蓋冷凝器壓力的范圍。在這種情況下，模塊化概念的重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)最大LP性能和適度成本之間的最佳平衡。定義一組最優(yōu)的LP標(biāo)準(zhǔn)級(jí)，以涵蓋所需的體積流范圍。使lp和ip組件的所有必需組合具有成本效益的連接，從而保持最佳性能?？紤]使用20至200 mbar的大冷凝器壓力范圍。

5 Lp葉片

由于末片后的軸向速度主要與出口面積有關(guān)（而與最后葉片的長(zhǎng)度無(wú)關(guān)），因此選擇了出口區(qū)域的均勻分布。LP標(biāo)準(zhǔn)階段對(duì)于每個(gè)給定的出口區(qū)域，設(shè)計(jì)了一套由三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)階段組成的系統(tǒng)。附加的防腐蝕措施適用于最后的固定葉片。它們被設(shè)計(jì)成空心葉片，由排水槽組成以去除水分，可以用蒸汽加熱。采用先進(jìn)的三維翼型設(shè)計(jì)，以增加葉片輪轂的階段反應(yīng)，從而提高低負(fù)載時(shí)的性能。為了允許由于熱膨脹而產(chǎn)生更大的軸向運(yùn)動(dòng)，在渦輪的Lp段中應(yīng)用了非聯(lián)鎖迷宮密封。密封設(shè)計(jì)提供了最佳的密封效果，密封長(zhǎng)度相對(duì)較短。

6 單流電子渦輪低壓排氣缸

模塊化概念的電子渦輪只提供三個(gè)不同的低壓排氣罩，以涵蓋完整的出口區(qū)域范圍，六套相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)lp級(jí)是以標(biāo)準(zhǔn)化接口的方式引導(dǎo)。同時(shí)，軸向連接lp排氣套管和ip外殼，允許任何組合的標(biāo)準(zhǔn)接口。

7 排氣幾何優(yōu)化

在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算流體力學(xué)分析，以?xún)?yōu)化低壓渦輪排氣系統(tǒng)的幾何形狀以及向凝汽器過(guò)渡的區(qū)域。連用在模型和現(xiàn)場(chǎng)的渦輪機(jī)上進(jìn)行測(cè)量時(shí)，工作重點(diǎn)在于增加排氣壓力恢復(fù)并因此改善整體的蒸汽渦輪性能。用于安裝在渦輪下面的冷凝器的典型渦輪甲板布置的流線的排氣分析結(jié)果。蒸汽在下游流動(dòng)。末級(jí)透平進(jìn)入排氣罩后，在排氣罩內(nèi)部的流動(dòng)中也觀察到了相當(dāng)大的渦旋。當(dāng)渦流在流動(dòng)中造成能量損失時(shí)，引導(dǎo)葉片已安裝，以改善流量，從而減少壓力損失。

為CCPP和SPP提供了100 MW至700 MW的汽輪機(jī)產(chǎn)品線。這渦輪由兩個(gè)套管設(shè)計(jì)。適用于單流Lp段，以最佳速度獲得蒸汽流量的情況。對(duì)于大功率輸出和低冷凝器壓力，生產(chǎn)線采用雙流低壓渦輪。這兩種設(shè)計(jì)都是基于模塊化的設(shè)計(jì)理念。

8 結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了如何補(bǔ)償主要設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)溫度的影響。因此，主要目標(biāo)是減少主要部件的變體數(shù)量，并盡量減少高溫對(duì)材料成本的影響。該設(shè)計(jì)所有配置都由最新的lp組成。在hp和ip部分，采用了高性能的全三維反應(yīng)葉片。已成功地應(yīng)用于生產(chǎn)線，并被視為滿(mǎn)足當(dāng)今汽輪機(jī)市場(chǎng)具有挑戰(zhàn)性需求的基礎(chǔ)。時(shí)間短，成本低，同時(shí)，有助于縮短啟動(dòng)時(shí)間，操作的靈活性。

作者簡(jiǎn)介：?jiǎn)J泰（1991-），男，湖北荊州人，本科，學(xué)士，初級(jí)工程師，研究方向：壓力容器、換熱器。