變型設(shè)計(jì)在沖動(dòng)式工業(yè)汽輪機(jī)方案設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

陳琪

摘 要： 針對(duì)不同沖動(dòng)式工業(yè)汽輪機(jī)組參數(shù)要求，提煉參數(shù)特點(diǎn)，尋找參數(shù)共性，并在新機(jī)組方案設(shè)計(jì)時(shí)，融入變型設(shè)計(jì)理念，在已有成熟方案基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出新的機(jī)型。

關(guān)鍵詞： 沖動(dòng)式工業(yè)汽輪機(jī);方案設(shè)計(jì);變型設(shè)計(jì)

在經(jīng)歷過初期各新機(jī)型的初次設(shè)計(jì)累積階段之后，后續(xù)產(chǎn)品普遍使用變型設(shè)計(jì)方法，其目的是快速、高質(zhì)量、低成本地生產(chǎn)新產(chǎn)品以滿足不斷變化的市場要求。汽輪機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)也符合這個(gè)規(guī)律，下面結(jié)合具體機(jī)型設(shè)計(jì)過程，介紹變型設(shè)計(jì)方法在沖動(dòng)式工業(yè)汽輪機(jī)方案設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

1 沖動(dòng)式工業(yè)汽輪機(jī)組分類介紹

由于沖動(dòng)式工業(yè)汽輪機(jī)組被驅(qū)動(dòng)設(shè)備類型多樣，例如給水泵、循環(huán)水泵、風(fēng)機(jī)、螺桿機(jī)、往復(fù)機(jī)、離心機(jī)、船機(jī)等，不同被驅(qū)動(dòng)設(shè)備對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速功率跨度很大，轉(zhuǎn)速從幾百到一萬多轉(zhuǎn)每分，功率從幾百到幾萬千瓦，同時(shí)還有不同運(yùn)轉(zhuǎn)特性，有的工況穩(wěn)定，有的變工況頻繁;在特殊場合還需要專門設(shè)計(jì)，比如船機(jī)。沖動(dòng)式工業(yè)汽輪機(jī)主要分類如下：

根據(jù)進(jìn)汽條件，可以分為高參數(shù)機(jī)組、中溫中壓機(jī)組、低壓機(jī)組。

根據(jù)排汽壓力，可以分為冷凝機(jī)和背壓機(jī)，冷凝機(jī)里又分水冷機(jī)組和空冷機(jī)組。

按照有無工業(yè)抽/補(bǔ)汽條件，可分為可調(diào)抽汽機(jī)組、可調(diào)補(bǔ)汽機(jī)組。

沖動(dòng)式工業(yè)汽輪機(jī)需要對(duì)每臺(tái)機(jī)組做針對(duì)性設(shè)計(jì)來適應(yīng)各種變化，這個(gè)過程就是變型設(shè)計(jì)。因此，變型設(shè)計(jì)方法在沖動(dòng)式工業(yè)汽輪機(jī)方案設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛。

2 典型變型設(shè)計(jì)

以下是幾種典型的沖動(dòng)式工業(yè)汽輪機(jī)變型設(shè)計(jì)過程。

一是進(jìn)汽條件變化。當(dāng)蒸汽條件由中溫中壓改成低壓蒸汽時(shí)，通流設(shè)計(jì)時(shí)要減少通流級(jí)數(shù)，將雙列調(diào)節(jié)級(jí)改單列調(diào)節(jié)級(jí)，同時(shí)更改節(jié)徑葉高;此外，由于進(jìn)汽壓力降低，進(jìn)汽體積流量改變，需要核算進(jìn)汽速關(guān)閥口徑是否夠大。當(dāng)過熱蒸汽改成飽和蒸汽時(shí)，則需要設(shè)置防水蝕和疏水措施，進(jìn)汽管道配汽水分離器，流道要有防水蝕合金化處理，每一級(jí)后設(shè)置足夠口徑疏水口并配疏水閥。當(dāng)中壓蒸汽改成高壓蒸汽時(shí)，需要保證蒸汽室和前汽封汽密性，并設(shè)置相應(yīng)通流級(jí)數(shù)合理分配焓降以保證葉片強(qiáng)度和機(jī)組效率。

二是排汽條件變化。背壓對(duì)機(jī)組工況影響很大，不同的背壓需要設(shè)置相應(yīng)的級(jí)數(shù)以及匹配的排汽口徑。此外，在通流設(shè)計(jì)時(shí)即要保證機(jī)組效率點(diǎn)，又要兼顧惡劣工況的通流能力，要盡量在這兩個(gè)矛盾點(diǎn)之間尋找平衡點(diǎn)。

三是抽汽條件改變。對(duì)于抽汽機(jī)組，一般變型設(shè)計(jì)是由抽汽壓力改變引起的。抽汽口壓力變化直接影響抽汽口位置、大小、個(gè)數(shù)的設(shè)置，需要考慮抽汽空間和接管便利。

此外，機(jī)組布置形式也會(huì)催生出不少變型種類，比如上排汽、下排汽汽或者軸向排汽;公共底盤、單獨(dú)底盤還是底盤油站，亦或者是免開缸撬裝機(jī)組。

3 一種非典型變型設(shè)計(jì)

表1為三臺(tái)機(jī)組參數(shù)，純凝機(jī)為已有的成熟設(shè)計(jì)方案，并在用戶現(xiàn)場成功運(yùn)行，抽凝機(jī)和抽背機(jī)為需要新設(shè)計(jì)的方案。從純凝機(jī)方案衍化出抽凝機(jī)和抽背機(jī)，這是一種非典型的跨機(jī)型的變型設(shè)計(jì)。

3.1 從純凝機(jī)到抽凝機(jī)的變型設(shè)計(jì)

由于表1中純凝和抽凝兩臺(tái)機(jī)組進(jìn)汽壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、功率等參數(shù)接近，區(qū)別只在于是否設(shè)置抽汽，接下來從以下四個(gè)方面來分析該變型設(shè)計(jì)的具體過程。

3.1.1 排汽量比較

純凝機(jī)只考慮最大排汽量即可，而抽凝機(jī)則需要考慮最大排汽量和最小排汽量。抽凝機(jī)的最大排汽量出現(xiàn)在抽汽量為零即純凝工況下的排汽量，所有進(jìn)汽都去往排汽進(jìn)入凝汽器。該抽凝機(jī)功率與純凝機(jī)組類似，最大排汽量與純凝機(jī)相當(dāng)。最大排汽量決定了冷凝機(jī)組排汽端扭葉組和排缸的通流能力的選擇。而隨著抽汽量的增加，為了保持機(jī)組轉(zhuǎn)速功率穩(wěn)定，進(jìn)汽量必然增加，排汽量必然減少。當(dāng)抽汽量達(dá)到最大時(shí)，排汽量為該抽凝機(jī)的最小排汽量。最小排汽量是機(jī)組扭葉組小流量工況下扭葉組是否安全運(yùn)行需要考慮的。

一般來說，抽汽壓力越高，在同等抽汽量的情況下，所抽走的蒸汽在汽輪機(jī)中所做的功越小，與汽輪機(jī)額定功率相比所占比重也越小，因而對(duì)排汽端的排汽流量影響也越小。表2為三臺(tái)機(jī)組蒸汽量計(jì)算值。其中抽凝機(jī)在0抽和抽30t/h時(shí)，最大和最小排汽流量差值20.2-17.3=2.9t/h，差別不大，這是由于抽汽壓力較高的原因。

因此，對(duì)該抽凝機(jī)來說，純凝機(jī)的排汽端包括扭葉組、排汽缸可以直接通用，扭葉組強(qiáng)度也能滿足要求。

3.1.2 進(jìn)汽能力比較

由表2可知，抽汽量的大小對(duì)機(jī)組進(jìn)汽量影響很大，該抽凝機(jī)最大進(jìn)汽量為47.3t/h，是純凝機(jī)的2.2倍。由于純凝機(jī)蒸汽室的通流能力余量足夠，因此只需要適當(dāng)增加進(jìn)汽噴嘴葉高或者噴嘴只數(shù)來增加進(jìn)汽能力即可。進(jìn)汽端蒸汽室木模和汽缸木?？梢酝ㄓ眉兡龣C(jī)。

3.1.3 增加抽汽結(jié)構(gòu)

要實(shí)現(xiàn)抽汽功能，必須增加抽汽結(jié)構(gòu)，這是純凝機(jī)組不具備的。由于抽汽壓力較高，抽汽口開在調(diào)節(jié)級(jí)之后，在汽缸底部做抽汽背包，抽汽口和二段進(jìn)汽口前后布置，汽缸內(nèi)兩個(gè)腔室用分隔板隔開。核算抽汽口和二段進(jìn)汽口大小，并配置抽汽速關(guān)閥和管道抽汽調(diào)閥。

3.1.4 臨界轉(zhuǎn)速校核

由于要保證抽汽空間，同時(shí)要兼顧整機(jī)效率，壓力級(jí)級(jí)數(shù)不減少，軸跨距只能增加，前后軸承和軸承座仍沿用純凝機(jī)部套。由于軸跨距增加，必須校核臨界轉(zhuǎn)速，表3為臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算值。因此臨界轉(zhuǎn)速也滿足機(jī)組使用要求。

綜合以上各方面分析，該抽凝機(jī)需要在純凝機(jī)上增加進(jìn)汽能力和抽汽結(jié)構(gòu)，高壓段汽缸（包括蒸汽室）、排缸、壓力級(jí)通流、前后汽封、前后軸承座、前軸軸承等部套均可通用。抽凝機(jī)和純凝機(jī)具體結(jié)構(gòu)變化如下圖所示。

3.2 從抽凝機(jī)到抽背機(jī)的變型設(shè)計(jì)

背壓機(jī)可以看做是特殊的冷凝機(jī)，由表1和表2可知該抽背機(jī)和抽凝機(jī)的主要區(qū)別有兩點(diǎn)：一是純凝改背壓;二是機(jī)組轉(zhuǎn)速提高較多。

直接截取抽凝機(jī)通流中的高壓調(diào)節(jié)級(jí)+前5個(gè)壓力級(jí)作為抽背機(jī)組通流來做熱力計(jì)算，發(fā)現(xiàn)截取的通流能較好適合新的抽背機(jī)而不用做調(diào)整。這是由于轉(zhuǎn)速提高1917rpm，且抽汽壓力從3.82 MPa（A）增加到4.5 MPa（A），因此對(duì)壓力級(jí)來說單級(jí)壓差可以變大以增加通流能力，并與升高的轉(zhuǎn)速相匹配使每級(jí)速比達(dá)到高效率點(diǎn)。通過強(qiáng)度和振動(dòng)分析，直葉片裕量充足，能滿足抽背機(jī)的高轉(zhuǎn)速安全運(yùn)行要求。

此外，在汽缸結(jié)構(gòu)上要將冷凝排汽端去掉，重新設(shè)計(jì)背壓排汽出口結(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)背壓汽封滿足封汽要求，選擇現(xiàn)有的背壓機(jī)組用后軸承座。

變型設(shè)計(jì)后的抽背機(jī)和抽凝機(jī)具體結(jié)構(gòu)變化如圖1所示。臨界結(jié)果見表3，由于跨距縮短，轉(zhuǎn)子變成剛性轉(zhuǎn)子，臨界也滿足使用要求。

3.3 小結(jié)

這種非典型跨機(jī)型的變型設(shè)計(jì)方法給新產(chǎn)品方案的開發(fā)設(shè)計(jì)工作提供了一種重要思路，它表明各種類型汽輪機(jī)之間并非毫不相關(guān)，而是存在著內(nèi)在聯(lián)系，需要設(shè)計(jì)人員在已有成熟機(jī)型上去挖掘各參數(shù)之間的關(guān)系，并加以合理利用。這對(duì)降低新開發(fā)機(jī)組方案設(shè)計(jì)難度效果顯著。

4 結(jié)語

沖動(dòng)式工業(yè)汽輪機(jī)設(shè)計(jì)過程中采用變型設(shè)計(jì)方法可以減少技術(shù)部門重復(fù)設(shè)計(jì)的工作量，豐富新產(chǎn)品種類，使零部件通用化，產(chǎn)品系列化，同時(shí)降低生產(chǎn)成本，縮短制造周期，及時(shí)響應(yīng)用戶需求。

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