新型30 MW高背壓式汽輪機的結(jié)構(gòu)分析

張 柯

(上海汽輪機廠有限公司，上海 200240)

在國家對節(jié)能減排提出更高要求的背景下，背壓式汽輪機以其熱能利用率高、熱經(jīng)濟性好的優(yōu)勢逐漸在化工領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]。為滿足新形勢下汽輪機機組的發(fā)展需求，上海汽輪機廠(上汽廠)研發(fā)人員結(jié)合以往高參數(shù)機組的研發(fā)經(jīng)驗，采用先進的技術(shù)手段研發(fā)了新型30 MW高背壓式汽輪機，該機型已在宜興靈谷等多個項目中得到應(yīng)用。

本文對新型30 MW高背壓式汽輪機的總體方案、結(jié)構(gòu)特點等進行介紹，以期能夠?qū)⑸掀麖S背壓式汽輪機更好地推向市場，為國家的節(jié)能減排貢獻力量。

1 總體方案

新型30 MW高背壓式汽輪機為單軸、單缸、下排式機組，機組采用上汽廠高壓模塊開發(fā)設(shè)計，結(jié)構(gòu)緊湊，布局合理，機組尺寸(長×寬×高)為5.5 m×9.5 m×2.3 m。本機組邊界數(shù)據(jù)如表1所示。圖1給出了機組整體布置圖。

表1 汽輪機邊界數(shù)據(jù)

1.1 滑銷系統(tǒng)

本機組的絕對死點設(shè)置于高壓外缸調(diào)閥端下半貓爪處，通過貓爪與箱座鍵槽的配合確保靜子部件的固定。轉(zhuǎn)子部件的相對死點位于前軸承座內(nèi)徑向推力聯(lián)合軸承處，轉(zhuǎn)子和靜子部件均從調(diào)閥端向發(fā)電機端膨脹，僅發(fā)電機端的相對膨脹間隙較大，密封效果較好?；N系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

(a)主視圖

(b)俯視圖

圖1 整體布置圖

圖2 滑銷系統(tǒng)示意圖

1.2 通流設(shè)計

機型設(shè)計采用先進的整體通流葉片技術(shù)(Advanced Integrated Blade Technology, AIBT)設(shè)計平臺，該平臺能夠?qū)Ω邏和鞑糠诌M行數(shù)字化設(shè)計，同時完成熱力計算、強度計算及工程圖紙的繪制，并且能夠獲得較高的整機效率。機組低流量運行時通流部分會出現(xiàn)鼓風(fēng)狀況，溫度甚至?xí)^最高設(shè)計溫度，為確保機組安全穩(wěn)定運行，在通流部分2/3的位置設(shè)有鼓風(fēng)溫度測點，便于機組啟動運行時對溫度進行監(jiān)測觀察。

1.3 軸承箱座

本機組共設(shè)有前軸承座和后軸承座2個箱座，分別位于調(diào)閥端和發(fā)電機端。箱座采用焊接件加工而成，可縮短加工工期。前軸承座設(shè)有1個徑向推力聯(lián)合軸承，以及測速探頭等監(jiān)測元件，后軸承座設(shè)有1個支撐汽輪機轉(zhuǎn)子的可傾瓦軸承、支撐發(fā)電機轉(zhuǎn)子的橢圓瓦軸承、監(jiān)測元件及布置在箱蓋上的回轉(zhuǎn)設(shè)備。前后箱座采用落地固定式結(jié)構(gòu)，箱座和臺板螺栓連接后共同通過地腳螺栓與基礎(chǔ)連接。

前后軸承箱座的密封采用經(jīng)過工程驗證的空氣密封性油擋結(jié)構(gòu)，通過通入壓縮空氣來阻隔油質(zhì)和蒸汽，能夠很好地避免油質(zhì)碳化及油中含水的情況。

1.4 軸系

整個軸系的支撐情況為高壓轉(zhuǎn)子雙支點支撐[2]，轉(zhuǎn)子分別支撐于前后徑向軸承位置處。轉(zhuǎn)子為無中心孔整鍛撓性轉(zhuǎn)子，臨界轉(zhuǎn)速能夠避開額定轉(zhuǎn)速±10%的范圍，并且運行過程中轉(zhuǎn)子強度和蠕變經(jīng)受了考核驗證，結(jié)果顯示轉(zhuǎn)子的性能能夠滿足高溫高壓的運行要求。

1.5 啟動方式

機型設(shè)計時閥門采用高壓油控制，按照啟動曲線定參數(shù)啟動。冷態(tài)啟動時蒸汽倒灌入汽缸進行暖機，暖機充分后蒸汽直接排入大氣，機組進行沖轉(zhuǎn)、并網(wǎng)及切背壓。啟動曲線如圖3所示。

圖3 啟動曲線

2 結(jié)構(gòu)特點

2.1 高壓模塊

研發(fā)人員對汽缸轉(zhuǎn)子進行了全新設(shè)計，高壓模塊縱剖面圖如圖4所示。

圖4 高壓模塊縱剖面圖

高壓模塊結(jié)構(gòu)特點如下：

1)高壓汽缸為整體鑄造結(jié)構(gòu)，外缸上貓爪支撐于箱座支撐面上，前下貓爪與箱座固定，后下貓爪自由滑動；外缸下半兩端面設(shè)有導(dǎo)向凹槽，與箱座的凸肩配合。內(nèi)缸與外缸采用上貓爪支撐、下貓爪定位的形式，并設(shè)有止轉(zhuǎn)銷結(jié)構(gòu)。

2)轉(zhuǎn)子葉片采用斜置T型葉根結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，加工裝配方便，工作可靠。

3)平衡活塞汽封環(huán)采用柱狀彈簧結(jié)構(gòu)，確保徑向間隙的可調(diào)性。

4)高壓外缸排汽口設(shè)計在進汽口側(cè)，排出的蒸汽可以對內(nèi)缸中分面螺栓進行冷卻，確保內(nèi)缸較好的密封效果。

5)端部汽封采用刷式密封，可以實現(xiàn)更小的徑向間隙，起到更好的密封效果。

6)高壓模塊在制造車間總裝完成后整體發(fā)運至現(xiàn)場[3]，現(xiàn)場只需對汽缸與箱座進行找中定位安裝，這樣可縮短現(xiàn)場安裝時間，提升安裝質(zhì)量。高壓模塊整體運輸示意圖如圖5所示。

圖5 高壓模塊整體運輸

2.2 配汽機構(gòu)

本機型配有2組主汽閥-調(diào)節(jié)閥組裝件，對稱布置于汽缸兩側(cè)，通過法蘭與汽缸直接連接。閥門布置如圖6所示。

圖6 閥門布置圖

閥門結(jié)構(gòu)特點如下：

1)主調(diào)門閥殼為鑄造一體件，采用提升式閥碟密封結(jié)構(gòu)。

2)采用碟片式閥門濾網(wǎng)，該濾網(wǎng)的網(wǎng)眼直徑小，均勻性和整體剛性良好。

3)閥門臥式布置，結(jié)構(gòu)緊湊，空間需求較小。

3 有限元分析計算

本機組設(shè)計參數(shù)高(排汽壓力為4.5 MPa，溫度為499.9 ℃)，采用ABAQUS對汽缸兩種結(jié)構(gòu)方案進行考核計算，兩種方案如圖7和圖8 所示。最終確定汽缸的結(jié)構(gòu)采用方案2。選用ABAQUS提供的單元C3D4T對實體進行網(wǎng)格劃分，單元數(shù)為1 119 750，節(jié)點數(shù)為206 145。

圖7 方案1

圖8 方案2

3.1 溫度場分析

本文分別對兩種方案下的溫度場進行了計算，溫度場的分布如圖9和圖10所示。根據(jù)溫度場分布云圖可知整個汽缸中間部分溫度為505 ℃，溫度分布一致；汽缸兩端部汽封位置溫度分布出現(xiàn)明顯差別，這與端部汽封結(jié)構(gòu)差別有關(guān)。由方案2結(jié)構(gòu)可知蒸汽在汽封體Ⅱ(圖8所示位置)的隔斷作用下以較低的溫度作用于端部汽封位置D，并且相比于方案1，汽封體Ⅱ與汽缸夾層間的低溫蒸汽對汽缸壁和C位置具有一定的冷卻作用。由溫度場分布云圖分析得出方案2的結(jié)果優(yōu)于方案1。

圖9 方案1溫度場分布

圖10 方案2溫度場分布

3.2 中分面汽密性

兩種方案下汽缸中分面密封情況可通過圖11至圖14的接觸壓力和間隙值進行討論。對比圖11和圖12中分面間隙情況，可知方案1間隙值超過考核要求(考核要求為0.01 mm)，端部位置螺栓已穿透。方案2中分面間隙小于0.005 mm，小于考核要求0.01 mm。根據(jù)圖13和圖14中分面接觸壓力對比，可知方案1端部位置螺栓接觸壓力小于考核值(考核值為內(nèi)外壓差的1.3倍)，方案2中分面接觸壓力大于考核值。由中分面的汽密性可知方案2的結(jié)構(gòu)優(yōu)于方案1，汽缸密封性滿足考核要求。

圖11 方案1中分面間隙云圖

圖12 方案2中分面間隙云圖

圖13 方案1中分面壓應(yīng)力云圖

圖14 方案2中分面壓力云圖

4 結(jié) 論

本文介紹了新型30 MW高背壓式汽輪機機組的結(jié)構(gòu)方案，重點介紹了總體方案和結(jié)構(gòu)特點，并通過有限元分析方法驗證了高壓外缸的結(jié)構(gòu)。工程實踐證明了該機型的設(shè)計是成功的，完善了上汽廠的產(chǎn)品體系。