王文龍， 唐濤， 劉興波， 伍文華， 徐志輝

（東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司， 四川 德陽(yáng)， 618000）

0 前言

汽輪機(jī)軸向排汽低壓缸排汽不需要轉(zhuǎn)90°， 因此具有損失小的優(yōu)點(diǎn)[1]。 另外， 低壓排汽缸與凝汽器均在處于同一標(biāo)高下的運(yùn)行層， 可采用低位布置基礎(chǔ)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)， 因此具有基建成本低的顯著優(yōu)勢(shì)[2]。 由于其效率較高、 布置簡(jiǎn)潔， 聯(lián)合循環(huán)汽輪機(jī)廣泛采用了軸向排汽汽輪機(jī)。

低壓排汽缸壓力低， 多為薄壁焊接結(jié)構(gòu)。 傳統(tǒng)機(jī)組為徑向排汽， 凝汽器位于低壓缸下部， 軸系的支撐位于低壓缸軸向兩側(cè)。 而軸向排汽汽輪機(jī)， 凝汽器與低壓缸采用軸向連接， 軸系的一端支撐只能位于低壓排汽缸內(nèi)。 由此， 薄壁焊接結(jié)構(gòu)的低壓排汽缸如何提高支撐剛性以滿足支撐軸系的要求， 成為此機(jī)型研發(fā)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)。

1 低壓缸支撐剛度對(duì)軸系的影響

為保證機(jī)組安全穩(wěn)定的運(yùn)行要求， 進(jìn)行軸系設(shè)計(jì)時(shí)， 軸系的固有頻率需避開(kāi)工作頻率一定范圍。 軸系的設(shè)計(jì)中， 通常將軸系看做一彎曲振動(dòng)的梁， 根據(jù)梁的彎曲振動(dòng)微分方程：

式中ρ 為密度， A 為橫截面積， E 為彈性模量， I 為慣性矩，為位移，為梁的軸向位置，為時(shí)間。

對(duì)于軸向排汽缸， 記低壓缸處位置為l， 低壓缸處軸承的支撐剛度為K， 支撐剛度提供了該位置處的剪力， 則關(guān)于該剪力的其中一邊界條件為：

通過(guò)式（3） 可知， 在軸系材料一定的情況下（ρ、 E 不變）， 軸系的固有頻率計(jì)算與軸系結(jié)構(gòu)特征（A、I）、 支撐剛度（K）等密切相關(guān)。

軸系的結(jié)構(gòu)特征由通流、 推力等相互配合設(shè)計(jì)。 常規(guī)機(jī)組軸系支撐在軸承座上， 軸承座支撐在軸承箱內(nèi)， 軸承箱由基礎(chǔ)支撐， 因此支撐剛性較強(qiáng)。 對(duì)于軸向排汽低壓缸， 支撐剛度主要由低壓缸本身的剛性提供， 因此需驗(yàn)證該剛性是否滿足要求。 對(duì)某軸排機(jī)型進(jìn)行分析， 軸系的支撐剛性與汽輪機(jī)的臨界轉(zhuǎn)速關(guān)系如圖1 所示。

圖1 支撐剛度與臨界轉(zhuǎn)速關(guān)系

通過(guò)圖1 可知， 支撐剛度對(duì)臨界轉(zhuǎn)速影響較大， 支撐剛度的變化會(huì)造成臨界轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。

此外， 若低壓排汽缸剛性較弱， 在機(jī)組安裝時(shí)， 轉(zhuǎn)子落入低壓缸前后標(biāo)高變化過(guò)大， 不利于現(xiàn)場(chǎng)的間隙控制。

基于以上2 個(gè)原因， 需計(jì)算低壓排汽缸支撐剛度， 以確保軸系穩(wěn)定性及相關(guān)安裝要求。

2 軸排汽缸的剛性改善方法

對(duì)于下排汽低壓缸， 東汽具有豐富的經(jīng)驗(yàn)和業(yè)績(jī)以提高低壓缸的剛性， 例如采用調(diào)整撐管的布置方式等。

對(duì)于軸向排汽低壓缸， 首先考慮采用增加撐管的方式提高低壓缸及軸承座的剛性。 對(duì)該方案進(jìn)行相應(yīng)有限元分析后發(fā)現(xiàn)， 軸承座天地方向位移過(guò)大， 遠(yuǎn)不能滿足軸系支撐剛性的要求。 其主要原因在于低壓缸下半剛性不足， 考慮到撐管已布置較密集， 便在汽缸外側(cè)增加相應(yīng)撐筋， 改進(jìn)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 外部撐筋示意圖

對(duì)改進(jìn)后的模型重新進(jìn)行有限元分析， 該低壓缸靜剛度仍無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

經(jīng)分析比對(duì)， 提高排汽缸的支撐剛性主要有3個(gè)手段：

（1）增加汽缸壁厚。 通過(guò)驗(yàn)證， 增加汽缸壁厚有一定收益， 但分析某排汽缸后發(fā)現(xiàn)， 低壓缸軸承座最下方位移隨壁厚增加幾乎不變。 剛性不足主要體現(xiàn)在內(nèi)部支撐上。

（2）缸體外部增加撐筋。 現(xiàn)有方案的汽缸外壁已增加撐筋， 并已驗(yàn)證對(duì)剛性的改善效果不明顯。

（3）增加排汽缸內(nèi)部撐管，提高內(nèi)部支撐剛性。內(nèi)部撐管增加會(huì)引起排汽損失加大， 降低軸排汽缸的效率。 因此， 需要重新考慮整體方案， 兼顧制造成本、 氣動(dòng)性能和支撐剛性等多重因素的影響和制約。

3 東方研制的新型軸排低壓缸

綜合考慮軸排汽缸設(shè)計(jì)邊界， 結(jié)合已經(jīng)研究完成的軸排汽缸的剛性改善措施， 經(jīng)過(guò)一系列論證和比對(duì)， 形成最終汽缸模型如圖3所示。

圖3 軸向排汽示意圖

3.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

軸承箱為座低壓缸結(jié)構(gòu)， 低壓排汽端汽封體也布置在軸排汽缸內(nèi)部， 因此， 軸承箱的進(jìn)、 回油管路和汽封體的抽送汽管路都需要從汽缸內(nèi)部引至汽缸外部， 與相應(yīng)的系統(tǒng)管道相連接。

為保證剛性要求和氣動(dòng)性能， 在汽缸下半圓周均分設(shè)置5 根支撐筋， 撐筋設(shè)計(jì)為中空結(jié)構(gòu)，撐筋內(nèi)布置相應(yīng)的進(jìn)、 回油管路及軸封抽送汽管路。 為盡可能降低啟動(dòng)損失， 將撐筋設(shè)計(jì)為流線結(jié)構(gòu)， 使得撐筋具有良好的導(dǎo)流效果。 撐筋的布置和截面示意圖如圖4 所示。

圖4 撐筋布置和截面示意圖

低壓排汽缸上半預(yù)留檢修人孔通道， 可實(shí)現(xiàn)在不開(kāi)缸的狀態(tài)下， 對(duì)低壓缸內(nèi)部軸承箱及內(nèi)部附件、 汽封體及抽送汽管路、 低壓末級(jí)葉片的檢修， 提高低壓缸檢修的便利性， 降低操作難度。

為實(shí)現(xiàn)良好的低壓排汽導(dǎo)流效果， 需設(shè)置導(dǎo)流環(huán)， 該導(dǎo)流環(huán)也位于排汽通道內(nèi)部， 雙層中空的結(jié)構(gòu)將汽和油有效進(jìn)行分離。 在排汽缸末端，考慮到低壓缸的熱膨脹， 低壓缸與凝汽器之間通過(guò)彈性膨脹節(jié)連接。 該低壓缸結(jié)構(gòu)縱剖圖如圖5所示。

圖5 低壓缸縱剖圖

3.2 支撐剛度及強(qiáng)度計(jì)算

低壓排汽缸為碳鋼鋼板焊接結(jié)構(gòu)。 其工作溫度為低壓排汽溫度， 工作壓力為排汽壓力。 通過(guò)有限元計(jì)算， 應(yīng)力云圖如圖6 所示。

圖6 低壓缸應(yīng)力云圖

低壓缸整體應(yīng)力水平較低， 遠(yuǎn)小于其屈服水平。 低壓缸強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

對(duì)低壓缸軸承座底部取一點(diǎn)進(jìn)行分析， 計(jì)算出該點(diǎn)在轉(zhuǎn)子落入前后的標(biāo)高變化量較小， 滿足軸系及通流間隙的安裝調(diào)整要求。

通過(guò)計(jì)算可知， 低壓缸支撐剛性滿足軸系穩(wěn)定性要求。

3.3 低壓排汽缸的振動(dòng)特性

轉(zhuǎn)子的工作頻率為50 Hz， 低壓排汽缸的固有頻率需考慮避開(kāi)轉(zhuǎn)子工作頻率一定范圍， 因此需計(jì)算低壓排汽缸的固有頻率， 有限元計(jì)算結(jié)果如圖7 所示。

圖7 低壓缸前三階模態(tài)振型

第一階振動(dòng)為橫向扭振， 機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行中由于油膜剛度等， 扭振無(wú)法傳遞到排汽缸上來(lái)，因此該階模態(tài)振動(dòng)是安全的。 第二階振動(dòng)為軸向振動(dòng)， 頻率較高， 對(duì)工頻50 Hz 避開(kāi)率在15%以上， 為安全工況。 對(duì)機(jī)組安全性影響較大的是天地方向振動(dòng)， 即第三階振動(dòng)的振型， 但第三節(jié)振動(dòng)的固有頻率較高， 對(duì)工頻的避開(kāi)率較高， 因此天地方向的振動(dòng)是安全的， 第三階模態(tài)振動(dòng)是安全工況。

由于振動(dòng)的能量主要集中在低頻工況， 因此僅分析前一階扭振、 軸向振動(dòng)及天地方向振動(dòng)即可， 對(duì)于高頻振動(dòng)由于振動(dòng)能量較小， 且與工頻避開(kāi)率較大， 因此不需再進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算。

3.4 影響支撐剛度的因素

軸向排汽低壓缸設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要點(diǎn)在于低壓缸的支撐剛性。 調(diào)整撐管、 撐筋的剛性可以提高低壓缸支撐剛性， 此外還有以下結(jié)構(gòu)要素影響低壓缸支撐剛性：

（1）低壓排汽缸缸體厚度。 提高低壓排汽缸缸體厚度， 可在一定程度上提高低壓排汽缸的支撐剛性。

（2）缸體外側(cè)的加強(qiáng)筋剛性。 通過(guò)計(jì)算可知，在缸體內(nèi)部撐管撐筋剛性加強(qiáng)的條件下， 缸內(nèi)撐筋變形較小， 主要為缸內(nèi)撐筋的天地方向位移，而位移產(chǎn)生的根本原因在于缸體外部無(wú)支撐， 缸體外部剛性較弱。

（3）低壓排汽缸臺(tái)板標(biāo)高。 低壓排汽缸臺(tái)板標(biāo)高與軸承座底面標(biāo)高之間存在一定關(guān)系。 若低壓排汽缸臺(tái)板標(biāo)高較軸承座標(biāo)高小于一定量， 則支撐剛性會(huì)有一定程度削弱。 低壓缸臺(tái)板標(biāo)高與軸承座底標(biāo)高相近有利于提高軸承座支撐剛性。

（4）低壓缸正下方的布置。 軸向排汽低壓缸軸承座支撐剛性較弱的主要原因在于， 低壓缸底部無(wú)支撐。 參照已有的公開(kāi)技術(shù)， 考慮將低壓缸軸承箱下部與地面直接相連， 如圖8 所示。

圖8 低壓缸輔助支撐

該方案對(duì)于提高軸承座支撐剛性有較大幫助。但通常排汽缸與基礎(chǔ)的接觸面距離汽機(jī)中分面偏遠(yuǎn)， 考慮熱影響和線脹系數(shù)后， 轉(zhuǎn)子中心標(biāo)高變化量會(huì)較大， 存在振動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。 機(jī)組老化后支撐剛性無(wú)法滿足要求， 可在低壓缸正下方增設(shè)恒力支架或彈簧支架， 實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組的維護(hù)調(diào)整。

3.5 低壓排汽缸的系統(tǒng)配置難點(diǎn)

低壓軸向排汽缸主要作用是形成擴(kuò)張通道，將低壓末級(jí)的排汽動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能。 因此低壓排汽缸直徑通常較大， 重量較重。 通常情況下，將機(jī)組死點(diǎn)布置在中壓缸機(jī)頭側(cè)， 低壓排汽缸一側(cè)與中壓缸把接， 為保證機(jī)組的順利膨脹， 低壓排汽缸臺(tái)板與基架之間設(shè)置滑塊。 此外， 低壓排汽缸另一側(cè)與凝汽器相連接， 為吸收整個(gè)中低壓模塊的脹差， 低壓排汽缸與凝汽器間設(shè)置膨脹節(jié)。膨脹節(jié)的天地方向及橫向剛性位移會(huì)產(chǎn)生較大的附加載荷， 對(duì)汽缸穩(wěn)定性有較大影響， 設(shè)計(jì)階段需嚴(yán)格計(jì)算膨脹節(jié)位移對(duì)汽缸穩(wěn)定性的影響， 現(xiàn)場(chǎng)安裝階段需嚴(yán)格控制膨脹節(jié)的安裝位移等。

4 結(jié)束語(yǔ)

依托于國(guó)內(nèi)某聯(lián)合循環(huán)項(xiàng)目， 東汽完成了該新型穩(wěn)定、 可靠的軸向排汽缸的自主研發(fā)工作，并掌握了開(kāi)發(fā)該類汽缸的關(guān)鍵核心技術(shù)。 該項(xiàng)目的研發(fā)制造經(jīng)驗(yàn)對(duì)于后續(xù)軸排汽缸在各類機(jī)型上的應(yīng)用都具有較強(qiáng)的借鑒推廣價(jià)值； 同時(shí)， 對(duì)于同類型結(jié)構(gòu)的開(kāi)發(fā)研究也積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。