汽輪機(jī)罩殼輕量化設(shè)計

楊增超，何陽陽

（德陽東汽電站機(jī)械制造有限公司，四川德陽，618000）

0　引言

近年來，隨著國內(nèi)制造行業(yè)產(chǎn)能過剩的嚴(yán)峻形勢，電廠業(yè)主對汽輪機(jī)罩殼隔音性能要求越來越高、對汽輪機(jī)罩殼外觀美觀度[1]要求提高及對汽輪機(jī)罩殼采購價格不斷壓價。面對汽輪機(jī)罩殼市場競爭越來越激烈，為提升汽輪機(jī)罩殼產(chǎn)品的市場競爭力，必須在保證汽輪機(jī)罩殼隔音性能不變及一定美觀度的情況下，降低汽輪機(jī)罩殼生產(chǎn)成本。

1　汽輪機(jī)罩殼技術(shù)背景

汽輪機(jī)罩殼生產(chǎn)模式為廠內(nèi)模塊化生產(chǎn)，模塊運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場后現(xiàn)場拼裝。汽輪機(jī)罩殼模塊主要包括外表面面板、內(nèi)表面多孔板以及它們之間的骨架和吸音填充物。相鄰兩個模塊連接部位內(nèi)層多孔板上設(shè)有手孔盒，用于螺栓連接兩個模塊。外表面面板四周折彎焊接于骨架上，保證焊縫不暴露在罩殼外表面而影響美觀。內(nèi)表面多孔板采用自攻螺釘固定。吸音填充物采用玻璃纖維棉，它與多孔板之間鋪設(shè)一層耐高溫纖維布[2]?？傮w而言，汽輪機(jī)罩殼主要分為以下四個部分。

1.1　吸音部分[3]

當(dāng)入射音聲波進(jìn)入吸音材料內(nèi)時，受到空氣分子摩擦和粘滯阻力，以及使細(xì)小纖維作機(jī)械振動，從而使聲能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使得音波減弱，音量自然也就變小。常用吸音材料有玻璃纖維棉、聚酯纖維棉、硅酸鋁棉等，汽輪機(jī)罩殼吸音材料常采用玻璃纖維棉（見圖1）。

圖1　玻璃纖維棉

1.2　隔音部分

當(dāng)入射音聲波接觸到隔音材料時，使得隔音材料產(chǎn)生振動，另一側(cè)空氣因受材料振動影響，產(chǎn)生聲波繼續(xù)向前傳遞，故當(dāng)隔音材料越結(jié)實(shí)，其振動愈小，隔音效果愈好。常見隔音材料有鋼材、玻璃、鋼筋混凝土等，汽輪機(jī)罩殼隔音材料常采用鋼板。

1.3　骨架部分

汽輪機(jī)罩殼模塊中，骨架采用槽鋼、矩管及角鋼焊接而成。為保證罩殼厚度及整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，汽輪機(jī)罩殼常采用槽鋼型號及材質(zhì)為：80X43X5Q235-B，采用矩管型號及材質(zhì)為：80X60X4Q235-B和80X40X3Q235-B。

1.4　附件部分

根據(jù)電廠業(yè)主要求罩殼還具有以下附件：門、窺視窗、照明系統(tǒng)、扶梯等。

2　輕量化改進(jìn)方向分析

在以上汽輪機(jī)罩殼四個部分中吸音部分和隔音部分為汽輪機(jī)罩殼的核心部分，兩者結(jié)合起來，整體可達(dá)到良好吸音降噪的效果。如果要從這兩部分降低成本，就需要減少材料用料或選用價格低廉的替代材料。為保證汽輪機(jī)罩殼隔音效果減少材料用料肯定不行，選用價格低廉的替代材料需要對吸音材料和隔音材料進(jìn)一步研究對比。此外附件部分是業(yè)主要求必不可少的部分，制造成本也不高，降低其成本對罩殼整體成本影響不大。所以降低汽輪機(jī)罩殼成本必須從其骨架部分入手。

骨架部分在汽輪機(jī)罩殼模塊中所起作用為支撐整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，但根據(jù)統(tǒng)計，在高中壓缸側(cè)板模塊中，骨架重量占整體模塊重量的42%左右，在高中壓缸頂板中，骨架重量占整體模塊重量54%左右，故骨架在支撐模塊重量時很大程度上要支撐自身重量。如果輕量化設(shè)計骨架部分，汽輪機(jī)罩殼模塊整體重量將減輕，對骨架強(qiáng)度要求也隨之降低。

3　原骨架結(jié)構(gòu)介紹

汽輪機(jī)罩殼在實(shí)際電廠運(yùn)行過程中不受外界載荷，只需要起到隔音降噪的效果，并且承受住自身重量保持模塊不變形即可。在罩殼高中壓缸側(cè)板模塊中，骨架要支撐部分頂板的重量。在罩殼高中壓缸頂板模塊中，骨架要保持頂板模塊不變形，不出現(xiàn)凹陷變形情況。以阿克蘇1#罩殼為例，其外形布局如圖2所示，側(cè)板標(biāo)準(zhǔn)模塊如圖3所示。

圖2　阿克蘇1#罩殼

圖3　側(cè)板標(biāo)準(zhǔn)模塊骨架圖

在圖3標(biāo)準(zhǔn)模塊中，總共有3個立柱，立柱1為型號為80X43X5Q235-B的槽鋼，立柱2為型號為80X60X4Q235-B的矩管，這三根立柱要支撐頂板模塊的部分重量。頂梁與底梁都為80X43X5Q235-B的槽鋼，頂梁與底梁在模塊中分別于頂部模塊、地面相連接。

在阿克蘇1#罩殼中，立柱1與立柱2數(shù)量統(tǒng)計見表1（立柱3為罩殼墻板轉(zhuǎn)角處型號為125X80X7/Q235-B的角鋼）。

表1　立柱數(shù)量統(tǒng)計

4　輕量化設(shè)計

采用上海埃錫爾數(shù)控機(jī)床有限公司的PSH-100/4100S型電液同步數(shù)控折彎機(jī)[4]將1.5 mm厚冷軋鋼板邊緣折彎成C型結(jié)構(gòu)，冷軋鋼板中間的矩管與Z型加強(qiáng)梁布設(shè)方式與原骨架一致。C型結(jié)構(gòu)如圖4所示，保證罩殼厚度及外形尺寸與原模塊一致。模塊內(nèi)部填充的吸引材料玻璃纖維棉厚度與原模塊一致，保證其隔音效果不變。

圖4　輕量化設(shè)計截面圖

采用1.5 mm厚冷軋鋼板兩側(cè)邊折彎成C型結(jié)構(gòu)，在折彎區(qū)域（見圖5）材料因折彎變形形成加工硬化，增加了其穩(wěn)定性。冷軋鋼板在折彎過程中，冷軋鋼板發(fā)生塑性變形，晶粒發(fā)生滑移，出現(xiàn)位錯的纏結(jié)，使晶粒拉長、破碎和纖維化，金屬內(nèi)部產(chǎn)生了殘余應(yīng)力等，使其強(qiáng)度和硬度都明顯增強(qiáng)。

圖5　折彎示意圖

5　受力分析

采用1.5 mm冷軋鋼板兩邊折彎成C型結(jié)構(gòu)，將高中壓缸墻板中所有槽鋼換成C型結(jié)構(gòu)后，模塊組合后C型結(jié)構(gòu)互相連接示意圖，見圖6。

圖6　C模塊間連接圖

將頂板模塊中的8#槽鋼與角鋼全部換成這種C型結(jié)構(gòu)后，統(tǒng)計得到罩殼頂板總重量為3856 kg。在圖1中可以看出支架會承受一部分罩殼重力，但在此處只考慮28個矩管支柱與25個C型結(jié)構(gòu)組合支柱承受罩殼頂板總重量，平均分配每個支柱承力73 kg。對C型結(jié)構(gòu)組合支柱進(jìn)行模擬受力分析見圖7，從結(jié)果可以看出，最大應(yīng)力為121 MPa，小于鋼板屈服應(yīng)力235 MPa，符合強(qiáng)度要求。

圖7　C型結(jié)構(gòu)組合支柱受力分析

6　總結(jié)

將罩殼高中壓缸墻板與頂板模塊中所有8#槽鋼及角鋼換成C型結(jié)構(gòu)后，粗略統(tǒng)計可以節(jié)省材料3288 kg。

面板折彎工藝在原模塊制作過程中也有這一工序，面板折彎四周后貼焊在骨架上，防止焊縫暴露在外表面影響美觀度。輕量化設(shè)計后，面板折彎成C型結(jié)構(gòu)只是折彎尺寸改變，并沒有增加工序。此外輕量化設(shè)計后，節(jié)省了原模塊的面板與骨架槽鋼焊接工藝。所以輕量化設(shè)計使得汽輪機(jī)罩殼在

滿足隔音效果和美觀度的前提下，生產(chǎn)更簡便快捷，有效降低了生產(chǎn)成本。

[1]范萬元,王穎.200 MW汽輪機(jī)罩殼設(shè)計[J].汽輪機(jī)技術(shù)，1997,39(2):81-83,98.

[2]顏智坤.汽輪機(jī)罩殼：ZL200620159774.X[P].2007-12-19.

[3]劉輔庭.吸音纖維材料[J].產(chǎn)業(yè)用紡織品,2011,(1):56-59.

[4]張逸.金屬板料自由折彎模型與實(shí)驗(yàn)研究[D].武漢:華中科技大學(xué),2012.