于忠斌廖健鑫

（1.海軍裝備部，四川 成都，610000；2.東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽，618000）

0 引言

氦氣透平為第四代核電釷基熔鹽堆島外閉式循環(huán)的重要設(shè)備，熔鹽堆的最大特點(diǎn)是采用溶解在氟化鋰、氟化鈉等氟化鹽中釷的液態(tài)融合物作為燃料，無需專門制作固體燃料組件。與其他類型的反應(yīng)堆相比，熔鹽堆具有固有的安全性，靈活的燃料循環(huán)特性和采用布雷頓循環(huán)的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。

轉(zhuǎn)子是透平裝置的關(guān)鍵部件，它將工質(zhì)作用在葉片上的圓周力轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能并通過它帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)出電能。轉(zhuǎn)子工作時(shí)承受著各種復(fù)雜的應(yīng)力，有時(shí)還會(huì)經(jīng)受激烈的振動(dòng)，合理設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。

1 設(shè)計(jì)參數(shù)

由于氦氣成本較高，因此常規(guī)運(yùn)行時(shí)也要求采用氮?dú)饣蚩諝膺M(jìn)行模擬，因此機(jī)組需具備同時(shí)能夠運(yùn)行在氦氣、氮?dú)?、空氣多種工質(zhì)下的能力。工質(zhì)不同，各工況所要求的溫度、壓力以及轉(zhuǎn)速均存在較大差異。詳細(xì)設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 物性參數(shù)

由于空氣和氮?dú)獠顒e較小，因此將多參數(shù)進(jìn)行合并，同時(shí)校核。而氦氣物性差異較大，為滿足壓比要求，機(jī)組在對應(yīng)工質(zhì)下需要的轉(zhuǎn)速也存在較大差異。

經(jīng)評估，在氦氣工質(zhì)下，機(jī)組膨脹比達(dá)到1.09時(shí)需要的工作轉(zhuǎn)速為9 600 r/min，在氮?dú)饪諝夤べ|(zhì)下，機(jī)組的膨脹比達(dá)到1.09時(shí)需要的工作轉(zhuǎn)速為4 200 r/min。氦氣工質(zhì)下溫度為600 K，而氮?dú)饪諝夤べ|(zhì)下溫度更高，為800 K。同時(shí)，多種工況的氣動(dòng)功率差別較大。

因此，氦氣工況運(yùn)行時(shí)，機(jī)組低溫、高速、大功率；氮?dú)饪諝夤r運(yùn)行時(shí)，機(jī)組高溫、低速、小扭矩。

為確保機(jī)組安全運(yùn)行，需分別對氦氣、氮?dú)饪諝夤r進(jìn)行考慮，確保設(shè)備能同時(shí)滿足多種不同工況的要求。

2 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式

透平轉(zhuǎn)子常用型式有套裝葉輪轉(zhuǎn)子、整鍛轉(zhuǎn)子、焊接轉(zhuǎn)子和組合轉(zhuǎn)子。考慮到用戶要求，該項(xiàng)目采用套裝葉輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，見圖1。

圖1 轉(zhuǎn)子套裝結(jié)構(gòu)

該機(jī)組氦氣工況為高速低溫，氮?dú)饪諝夤r為低速高溫。為確保機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，需分別對氦氣、氮?dú)饪諝獠煌r的轉(zhuǎn)子特性進(jìn)行校核。

套裝轉(zhuǎn)子是借助葉輪內(nèi)孔與主軸之間的過盈配合將葉輪熱套在主軸上，用軸向鍵或徑向鍵來傳遞扭矩。其特點(diǎn)是單件加工方便，制造工藝簡單；主軸、葉輪可采用不同材料；主軸和各級葉輪可分散平行加工，生產(chǎn)周期短；葉輪、主軸等鍛件尺寸小，質(zhì)量容易保證。但轉(zhuǎn)子剛性較差，靜撓度較大；輪孔應(yīng)力大；在高溫下工作時(shí)，葉輪和主軸間容易松動(dòng)，不利于機(jī)組快速啟動(dòng)。因此在使用時(shí)需綜合考慮。

3 材料選擇

考慮到轉(zhuǎn)子溫度梯度及應(yīng)力差別，主軸和輪盤選取不同材料。轉(zhuǎn)子材料為合金鋼，輪盤材料為高溫合金。

計(jì)算得到的輪緣應(yīng)力氦氣工況下（～9 600 r/min）為～650 MPa，氮?dú)饪諝夤r下（～4 200 r/min）為～450 MPa。該機(jī)組多個(gè)工況溫度相差較大，材料需同時(shí)滿足多個(gè)工況的溫度、強(qiáng)度要求。

4 套裝結(jié)構(gòu)

輪盤切向力主要依靠鍵來保證，因此不需要太大的摩擦力來保證切向相對靜止，僅需要保證在工作溫度下輪盤與轉(zhuǎn)子不脫開。輪盤后設(shè)置定位環(huán)，對輪盤軸向進(jìn)行定位。右側(cè)氣封因?yàn)橘|(zhì)量較小，考慮進(jìn)行紅套。

該機(jī)組氦氣工況時(shí)轉(zhuǎn)速較高，由離心力引起的變形較大，用鍵來保證切向相對靜止，過盈量只需保證在工作轉(zhuǎn)速下輪盤與轉(zhuǎn)子不脫開即可，過盈量相對較小。套裝方案見圖2。

圖2 轉(zhuǎn)子套裝方案

5 計(jì)算過程

轉(zhuǎn)子套裝方案計(jì)算流程見圖3。

圖3 計(jì)算流程圖

5.1 高溫徑向膨脹計(jì)算

機(jī)組在氮?dú)饪諝夤r下溫度為800 K，輪盤線膨脹系數(shù)差為0.8×10-6/℃，接觸面孔尺寸Φ180 mm。經(jīng)計(jì)算，輪盤與轉(zhuǎn)子膨脹量半徑差值為0.037 mm。

機(jī)組在氦氣工況下溫度為600 K，在該溫度下輪盤與轉(zhuǎn)子線膨脹系數(shù)差為0.6×10-6/℃。膨脹量半徑差值0.017 mm。

5.2 離心力引起的變形計(jì)算

利用商業(yè)軟件Ansys workbench對轉(zhuǎn)子離心力引起的變形進(jìn)行計(jì)算。使用周期對稱模型，轉(zhuǎn)子與輪盤過盈量為0時(shí)施加氦氣工況轉(zhuǎn)速，使得轉(zhuǎn)子與輪盤同步計(jì)算，離心力同時(shí)引起輪盤與轉(zhuǎn)子的變形，如圖4所示，經(jīng)計(jì)算得到輪盤與轉(zhuǎn)子的間隙即可認(rèn)為是由于離心力引起的多部件變形的差值。

圖4 輪盤與轉(zhuǎn)子離心力引起變形

由于氮?dú)饪諝夤r轉(zhuǎn)速較低而離心力與轉(zhuǎn)速平方成正比，因此不對氮?dú)饪諝夤r進(jìn)行計(jì)算。

由熱膨脹與離心力引起的變形量可共同確定該轉(zhuǎn)子初始的過盈量為單邊0.23 mm?？杀ＷC在氦氣工況下轉(zhuǎn)子與輪盤不脫開。

5.3 冷態(tài)應(yīng)力計(jì)算

冷態(tài)為轉(zhuǎn)子套裝后輪盤與轉(zhuǎn)子溫度為常溫。該狀態(tài)由于輪盤與轉(zhuǎn)子過盈量的恢復(fù)會(huì)在接觸面存在較大的應(yīng)力。

5.4 氦氣設(shè)計(jì)工況計(jì)算

設(shè)置過盈量單邊0.23 mm，轉(zhuǎn)速9 600 r/min，溫度600 K，同時(shí)在葉輪外側(cè)施加氦氣工況下氣動(dòng)扭矩。要求在該工況輪盤與轉(zhuǎn)子接觸應(yīng)力（見圖5）不為0，同時(shí)，接觸間隙（見圖6）為0，表明輪盤內(nèi)孔與轉(zhuǎn)子完全接觸。

圖5 氦氣工況接觸應(yīng)力

圖6 氦氣工況接觸間隙

因此，可認(rèn)為氦氣工況計(jì)算合格。

5.5 氮?dú)饪諝庠O(shè)計(jì)工況計(jì)算

設(shè)置過盈量單邊0.23 mm，轉(zhuǎn)速4 200 r/min，溫度800 K，同時(shí)在葉輪外側(cè)施加氮?dú)饪諝夤r下氣動(dòng)扭矩。要求在該工況輪盤與轉(zhuǎn)子接觸應(yīng)力（見圖7）不為0，同時(shí)接觸間隙（見圖8）為0表明輪盤內(nèi)孔與轉(zhuǎn)子完全接觸。

圖7 氮?dú)饪諝夤r接觸應(yīng)力

圖8 氮?dú)饪諝夤r接觸間隙

因此，認(rèn)為氮?dú)饪諝夤r計(jì)算合格。

6 結(jié)論

機(jī)組需同時(shí)在氦氣和氮?dú)饪諝夤r下運(yùn)行，為確保機(jī)組同時(shí)滿足多種不同工況需求，對不同轉(zhuǎn)速和溫度下的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、接觸等分別進(jìn)行論證。經(jīng)評估，結(jié)果滿足設(shè)備運(yùn)行要求。轉(zhuǎn)子評估過程可作為類似高溫高速多工質(zhì)透平的轉(zhuǎn)子評估參考。