新型30 MW高背壓式汽輪機(jī)的結(jié)構(gòu)分析

張 柯

(上海汽輪機(jī)廠有限公司，上海 200240)

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

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

1 總體方案

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

表1 汽輪機(jī)邊界數(shù)據(jù)

1.1 滑銷系統(tǒng)

本機(jī)組的絕對(duì)死點(diǎn)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(duì)死點(diǎn)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(jī)端膨脹，僅發(fā)電機(jī)端的相對(duì)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(jì)

機(jī)型設(shè)計(jì)采用先進(jìn)的整體通流葉片技術(shù)(Advanced Integrated Blade Technology, AIBT)設(shè)計(jì)平臺(tái)，該平臺(tái)能夠?qū)Ω邏和鞑糠诌M(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì)，同時(shí)完成熱力計(jì)算、強(qiáng)度計(jì)算及工程圖紙的繪制，并且能夠獲得較高的整機(jī)效率。機(jī)組低流量運(yùn)行時(shí)通流部分會(huì)出現(xiàn)鼓風(fēng)狀況，溫度甚至?xí)^最高設(shè)計(jì)溫度，為確保機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，在通流部分2/3的位置設(shè)有鼓風(fēng)溫度測(cè)點(diǎn)，便于機(jī)組啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)觀察。

1.3 軸承箱座

本機(jī)組共設(shè)有前軸承座和后軸承座2個(gè)箱座，分別位于調(diào)閥端和發(fā)電機(jī)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(gè)徑向推力聯(lián)合軸承，以及測(cè)速探頭等監(jiān)測(cè)元件，后軸承座設(shè)有1個(gè)支撐汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的可傾瓦軸承、支撐發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的橢圓瓦軸承、監(jiān)測(cè)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(tái)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(yàn)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(gè)軸系的支撐情況為高壓轉(zhuǎn)子雙支點(diǎn)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(yùn)行過程中轉(zhuǎn)子強(qiáng)度和蠕變經(jīng)受了考核驗(yàn)證，結(jié)果顯示轉(zhuǎn)子的性能能夠滿足高溫高壓的運(yùn)行要求。

1.5 啟動(dòng)方式

機(jī)型設(shè)計(jì)時(shí)閥門采用高壓油控制，按照啟動(dòng)曲線定參數(shù)啟動(dòng)。冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)蒸汽倒灌入汽缸進(jìn)行暖機(jī)，暖機(jī)充分后蒸汽直接排入大氣，機(jī)組進(jìn)行沖轉(zhuǎn)、并網(wǎng)及切背壓。啟動(dòng)曲線如圖3所示。

圖3 啟動(dòng)曲線

2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

2.1 高壓模塊

研發(fā)人員對(duì)汽缸轉(zhuǎn)子進(jìn)行了全新設(shè)計(jì)，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(diǎn)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(dòng)；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(jiǎn)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(jì)在進(jìn)汽口側(cè)，排出的蒸汽可以對(duì)內(nèi)缸中分面螺栓進(jìn)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(shí)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(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)[3]，現(xiàn)場(chǎng)只需對(duì)汽缸與箱座進(jìn)行找中定位安裝，這樣可縮短現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)間，提升安裝質(zhì)量。高壓模塊整體運(yùn)輸示意圖如圖5所示。

圖5 高壓模塊整體運(yùn)輸

2.2 配汽機(jī)構(gòu)

本機(jī)型配有2組主汽閥-調(diào)節(jié)閥組裝件，對(duì)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(diǎn)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(jì)算

本機(jī)組設(shè)計(jì)參數(shù)高(排汽壓力為4.5 MPa，溫度為499.9 ℃)，采用ABAQUS對(duì)汽缸兩種結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行考核計(jì)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(duì)實(shí)體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元數(shù)為1 119 750，節(jié)點(diǎn)數(shù)為206 145。

圖7 方案1

圖8 方案2

3.1 溫度場(chǎng)分析

本文分別對(duì)兩種方案下的溫度場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算，溫度場(chǎng)的分布如圖9和圖10所示。根據(jù)溫度場(chǎng)分布云圖可知整個(gè)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(duì)汽缸壁和C位置具有一定的冷卻作用。由溫度場(chǎng)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(chǎng)分布

圖10 方案2溫度場(chǎng)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(jìn)行討論。對(duì)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(duì)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(jī)機(jī)組的結(jié)構(gòu)方案，重點(diǎn)介紹了總體方案和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并通過有限元分析方法驗(yàn)證了高壓外缸的結(jié)構(gòu)。工程實(shí)踐證明了該機(jī)型的設(shè)計(jì)是成功的，完善了上汽廠的產(chǎn)品體系。