試論工業(yè)汽輪機(jī)中壓閥門的一體式設(shè)計(jì)

石晶 梁萍

摘? 要：近年來(lái)我國(guó)工業(yè)汽輪機(jī)領(lǐng)域發(fā)展迅速，機(jī)組集裝化設(shè)計(jì)的廣泛應(yīng)用便得益于這種發(fā)展，相關(guān)研究也因此大量涌現(xiàn)?；诖?，文章將圍繞工業(yè)汽輪機(jī)中壓閥門一體式設(shè)計(jì)開展研究，研究主要圍繞蒸汽室結(jié)構(gòu)、本體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)展開，希望能夠?yàn)橄嚓P(guān)業(yè)內(nèi)人士帶來(lái)一定啟發(fā)。

關(guān)鍵詞：工業(yè)汽輪機(jī);中壓閥門;一體式;集裝化

中圖分類號(hào)：TK26 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）23-0106-02

Abstract： In recent years， the field of industrial steam turbine in China has developed rapidly， and the wide application of unit assembly design has benefited from this development， so a large number of related studies have emerged. Based on this， this paper will focus on the integrated design of medium pressure valve of industrial steam turbine， mainly around the design of steam chamber structure and body structure， hoping to bring some inspiration to the relevant industry.

Keywords： industrial steam turbine; medium pressure valve; integrated; container

前言

工業(yè)汽輪機(jī)的送風(fēng)小機(jī)、水泵小機(jī)設(shè)計(jì)多采用集裝化設(shè)計(jì)理念，該理念主要用于機(jī)組輔助模塊設(shè)計(jì)。結(jié)合實(shí)際調(diào)研可以發(fā)現(xiàn)，工程建設(shè)中的送風(fēng)小機(jī)、水泵小機(jī)往往不具備較長(zhǎng)的建設(shè)周期，為保證項(xiàng)目主體進(jìn)度，有效減少技術(shù)配合、現(xiàn)場(chǎng)安裝所需時(shí)間，集裝化設(shè)計(jì)必須在其中充分發(fā)揮自身作用。

1 基本分析

1.1 集裝化工藝汽輪機(jī)設(shè)計(jì)

在集裝化的工業(yè)汽輪機(jī)組設(shè)計(jì)中，座缸式閥門設(shè)計(jì)屬于其中的重要組成部分，設(shè)計(jì)一般會(huì)將主汽閥和汽缸及調(diào)節(jié)閥閥殼進(jìn)行法蘭連接或做成一體。汽缸一般負(fù)責(zé)用于閥門支撐，部分時(shí)候也會(huì)在機(jī)架上設(shè)置彈性支撐，氣缸與閥門之間基本不會(huì)設(shè)置管道，也不會(huì)為閥門設(shè)置落地支撐。工業(yè)汽輪機(jī)組的模塊能夠在座缸式閥門設(shè)計(jì)支持下變得更為緊湊，集裝化設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)可獲得有力支持。相較于大機(jī)組的模塊總裝發(fā)運(yùn)，工業(yè)汽輪機(jī)的集裝化設(shè)計(jì)存在一定特點(diǎn)。以1000MW汽輪機(jī)組為例，如其閥門采用座缸設(shè)計(jì)，且模塊整裝發(fā)運(yùn)，但這與本文研究的集裝化設(shè)計(jì)仍存在較大差異，這是由于集裝化設(shè)計(jì)會(huì)采用公共機(jī)架，且其發(fā)運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)的分模塊仍需安裝調(diào)整。對(duì)于工業(yè)汽輪機(jī)的集裝化設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，該設(shè)計(jì)可有效簡(jiǎn)化安裝調(diào)整等環(huán)節(jié)，為證明集裝化設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)，本文研究將主要圍繞中壓參數(shù)機(jī)組座缸式進(jìn)汽閥門設(shè)計(jì)展開[1]。

1.2 閥門的區(qū)別分析

深入分析可以發(fā)現(xiàn)，大型汽輪機(jī)組閥門與工業(yè)汽輪機(jī)一體式閥門在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)存在較大差別，這種差別不僅源于設(shè)計(jì)參數(shù)的不同，二者在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)層面也存在顯著區(qū)分。穩(wěn)定工況下運(yùn)行屬于大型汽輪機(jī)組的常態(tài)，一般采用單閥調(diào)節(jié)、全周進(jìn)汽，噴嘴調(diào)節(jié)功能基本被取消或弱化，因此其調(diào)節(jié)閥數(shù)量較少，采用無(wú)分隔的全周進(jìn)汽蒸汽室。在較少的調(diào)節(jié)汽閥影響下，大型汽輪機(jī)組的調(diào)節(jié)汽閥布置設(shè)計(jì)較為靈活，一般在汽缸的側(cè)面采用懸掛的方式布置;變工況下運(yùn)行屬于工業(yè)汽輪機(jī)的常態(tài)，因此工業(yè)汽輪機(jī)一般采用噴嘴調(diào)節(jié)，即通過(guò)應(yīng)用多個(gè)調(diào)節(jié)閥實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的噴嘴組和蒸汽式控制以實(shí)現(xiàn)進(jìn)汽，這使得工業(yè)汽輪機(jī)的閥門數(shù)目較多，且閥門與蒸汽室存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，且互不相通。由于存在數(shù)量較多的閥門，工業(yè)汽輪機(jī)一般在汽缸頂部布置閥門，以此配合不同蒸汽室?？紤]到結(jié)構(gòu)不同的調(diào)節(jié)閥影響，為提高控制的便利性并實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的緊湊性，工業(yè)汽輪機(jī)應(yīng)在同一個(gè)腔室內(nèi)布置多個(gè)調(diào)節(jié)閥，并在一根橫擔(dān)上安裝多個(gè)閥頭，控制由一組共用的提升桿負(fù)責(zé)。工業(yè)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥具備閥頭較小、閥門提升力小、蒸汽壓力低等特點(diǎn)，因此其可以采用橫擔(dān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[2]。

總的來(lái)說(shuō)，大型機(jī)組與中壓汽輪機(jī)的汽輪一體式閥門結(jié)構(gòu)在機(jī)型層面存在難以調(diào)和的差異，本文研究的工業(yè)汽輪機(jī)中壓閥門屬于中小機(jī)型，因此具體設(shè)計(jì)需圍繞中小機(jī)型一體式閥門設(shè)計(jì)方案展開。

2 蒸汽室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主汽閥、調(diào)節(jié)閥、蒸汽室、汽缸屬于汽輪機(jī)進(jìn)汽部分的主要構(gòu)成，一般設(shè)計(jì)會(huì)在汽缸內(nèi)部設(shè)置蒸汽室，由于氣缸與蒸汽室一體化鑄造難度較高，一般采用法蘭連接或焊接方式。在現(xiàn)有技術(shù)條件下，調(diào)節(jié)閥閥殼、主汽閥閥殼、汽缸的整體鑄造存在過(guò)高難度，因此現(xiàn)階段結(jié)構(gòu)劃分存在兩種主要方式，一種為在汽缸上鑄造出調(diào)節(jié)閥閥殼，在調(diào)節(jié)閥殼的一側(cè)懸掛主汽閥，水泵汽輪機(jī)組便屬于這種結(jié)構(gòu)劃分的代表，但由于蒸汽室安裝因此會(huì)受到較為負(fù)面影響，該方式僅可用于單層進(jìn)汽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);主汽閥殼與調(diào)節(jié)閥殼的一體設(shè)計(jì)也較為常見，調(diào)節(jié)閥部分閥殼與汽缸會(huì)采用倒扣方式實(shí)現(xiàn)法蘭連接，這種機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)使得汽缸頂部存在較為開放的接口，不同的蒸汽室結(jié)構(gòu)選用可獲得有力支持。這類設(shè)計(jì)在高壓以上的機(jī)組中較為廣泛（汽缸進(jìn)汽雙層結(jié)構(gòu)），但在汽缸頂上布置進(jìn)汽閥的一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)卻并不常見。

結(jié)合上文研究可以發(fā)現(xiàn)，汽輪機(jī)組（高壓以上）作用在閥桿上的蒸汽力較大，因此一般采用的設(shè)計(jì)為“單閥-單油動(dòng)機(jī)-全周進(jìn)汽”，雙層缸的密封問(wèn)題主要通過(guò)密封環(huán)或鐘罩等措施解決。工業(yè)汽輪機(jī)（中壓以下）噴嘴調(diào)節(jié)往往會(huì)設(shè)置多個(gè)調(diào)節(jié)汽閥，且無(wú)需單獨(dú)為每個(gè)調(diào)節(jié)汽閥設(shè)置油動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，這是由于其蒸汽壓力較小所致，機(jī)組小型化也可能因此受到影響。因此，應(yīng)開發(fā)進(jìn)汽閥頂部座缸、雙層缸的成套結(jié)構(gòu)，使閥殼、蒸汽室、汽缸形成三重結(jié)合面。

3 本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 流量特性分析

如汽輪機(jī)采用噴嘴調(diào)節(jié)方式，調(diào)節(jié)級(jí)效率、強(qiáng)度關(guān)系與調(diào)節(jié)閥配置存在的緊密聯(lián)系必須得到重視。噴嘴調(diào)節(jié)可在部分負(fù)荷情況下有效減少閥門節(jié)流損失，調(diào)節(jié)級(jí)效率也能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)足提升，但調(diào)節(jié)級(jí)焓降較大情況也會(huì)在部分負(fù)荷下出現(xiàn)，高于額定工況。為合理確定調(diào)節(jié)級(jí)噴嘴的分組情況、噴嘴總數(shù)、部分進(jìn)汽度、幾何參數(shù)，需綜合考慮轉(zhuǎn)子軸系穩(wěn)定性、常工況部分負(fù)荷設(shè)計(jì)點(diǎn)選擇、調(diào)節(jié)級(jí)的葉高損失、總體的焓降分配。調(diào)節(jié)級(jí)的運(yùn)行業(yè)績(jī)等多方面要求。

每個(gè)調(diào)節(jié)閥會(huì)對(duì)應(yīng)一定噴嘴組，噴嘴的面積可用作閥門口徑的選型依據(jù)，喉部面積的計(jì)算可采用閥門喉部流速為依據(jù)。在閥門喉部面積的計(jì)算過(guò)程中，必須保證各組噴嘴與對(duì)應(yīng)的閥門喉部面積比的一致，否則各閥門流速和壓損很容易在額定工況下出現(xiàn)不一致情況。GX-1型與球頭閥型線均屬于典型的閥門形式，對(duì)比中低壓參數(shù)機(jī)組與大型發(fā)電汽輪機(jī)組可以發(fā)現(xiàn)，前者機(jī)組閥門的提升了需求不大，且調(diào)節(jié)閥數(shù)量較多、口徑較小，單獨(dú)為調(diào)節(jié)閥設(shè)置獨(dú)立閥門閥桿結(jié)構(gòu)并不現(xiàn)實(shí)，汽缸上的閥門布置復(fù)雜程度、所需零件數(shù)量將因此大幅增加?？紤]到中低壓參數(shù)機(jī)組特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一般采用提板式閥門結(jié)構(gòu)，這類設(shè)計(jì)會(huì)在一條橫梁上布置閥殼內(nèi)若干閥門，并設(shè)置兩根提升桿于橫梁兩側(cè)，由油動(dòng)機(jī)和公共杠桿驅(qū)動(dòng)。閥門重疊度的設(shè)置在設(shè)計(jì)中較為關(guān)鍵，也可以將其理解為每個(gè)閥門的空行程設(shè)置，機(jī)組的流量調(diào)節(jié)特性、閥門開啟的順序均會(huì)受到空行程的大小影響。在閥門重疊度優(yōu)化設(shè)置中，良好的流量調(diào)節(jié)特性屬于其主要目標(biāo)之一，同時(shí)還需要考慮機(jī)組常運(yùn)行部分負(fù)荷工況閥門節(jié)流最小。具體設(shè)計(jì)需保證各閥的最大流量和焓降能夠控制在依次全開最大值內(nèi)，且非依次全開下，帶重疊度的閥組可實(shí)現(xiàn)每個(gè)依次開啟。通過(guò)配置閥門重疊度，提板式調(diào)節(jié)汽閥的閥組提升力與單閥提升力存在顯著區(qū)別，每個(gè)開啟閥門提升力之和為閥組提升力，考慮到閥門的規(guī)格和開度不一致，且閥門開啟前后壓力基本一致，需分別進(jìn)行提升力計(jì)算。單個(gè)提升式閥門門桿的最大提升力可圍繞全關(guān)、全開兩個(gè)狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算，提板式閥組則需要綜合考量蒸汽作用力在整個(gè)開啟過(guò)程中發(fā)生的變化。

3.2 運(yùn)動(dòng)特性分析

油動(dòng)機(jī)、彈簧箱、提升桿、杠桿支點(diǎn)屬于調(diào)節(jié)閥杠桿系的主要構(gòu)成，四部分一般需要在一個(gè)閥殼上實(shí)現(xiàn)集成，以此保證閥殼能夠集中閥門所有的開啟關(guān)閉力，內(nèi)力的平衡也能夠由此實(shí)現(xiàn)，氣缸也不會(huì)受到影響，較為安全方便的裝拆也能夠由此實(shí)現(xiàn)。結(jié)合設(shè)計(jì)，提板式調(diào)閥的杠桿上需設(shè)置彈簧，以此增加平衡力，避免調(diào)閥不穩(wěn)定的突跳問(wèn)題出現(xiàn)。各閥點(diǎn)的油動(dòng)機(jī)出力需基于支點(diǎn)處杠桿系的力矩平衡條件進(jìn)行計(jì)算，但考慮到各閥點(diǎn)的彈簧力和蒸汽作用力不同，必須開展逐點(diǎn)計(jì)算。對(duì)于本文研究的提板式閥門來(lái)說(shuō)，其杠桿連接點(diǎn)較多，因此具體設(shè)計(jì)需充分考慮杠桿的定位、導(dǎo)向及穩(wěn)定。如杠桿上各存在一個(gè)油動(dòng)機(jī)連接點(diǎn)與彈簧箱連接點(diǎn)，各兩個(gè)彈簧箱連接點(diǎn)與閥門提升點(diǎn)，即可得到較好的平衡性和剛性?？紤]到杠桿本身較為粗重，且閥門與杠桿間存在不確定的差脹，杠桿設(shè)置限位和導(dǎo)向需考慮二者間存在的大量連接點(diǎn)和相互制約關(guān)系，以此保證杠桿能夠在垂直方向與水平方向上的自由轉(zhuǎn)動(dòng)、自由膨脹。由于無(wú)需采用主汽門沖轉(zhuǎn)，提板式調(diào)節(jié)閥機(jī)組的控制需始終應(yīng)用調(diào)節(jié)閥，且無(wú)需考慮主汽閥的沖轉(zhuǎn)。

關(guān)閉調(diào)節(jié)汽閥屬于主汽閥的開啟前提，閥碟前后壓力平衡需通過(guò)主汽閥內(nèi)置小閥實(shí)現(xiàn)，油動(dòng)機(jī)與主汽閥需采用直連連接，連接座需設(shè)置于閥蓋外側(cè)，并保證其能夠靈活匹配閥蓋接口與油動(dòng)機(jī)座接口，并實(shí)現(xiàn)高溫閥體與油動(dòng)機(jī)的隔開。為保證接口的抗沖擊能力，采用對(duì)夾法蘭連接油動(dòng)機(jī)軸與閥桿。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，工業(yè)汽輪機(jī)中壓閥門一體化設(shè)計(jì)存在較高現(xiàn)實(shí)意義，在此基礎(chǔ)上，本文涉及的流量特性分析、運(yùn)動(dòng)特性分析等內(nèi)容，則提供了可行性較高的設(shè)計(jì)路徑。為更好滿足工業(yè)汽輪機(jī)發(fā)展需要，常規(guī)高壓進(jìn)汽參數(shù)下的適應(yīng)性同樣需要得到重視。

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