HE 型聯(lián)合循環(huán)汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

文/陳倪，董真，沈堅 上海電氣電站設(shè)備有限公司上海汽輪機(jī)廠（200240）

陳倪（1965年~），1985年畢業(yè)于上海機(jī)械學(xué)院動力系。現(xiàn)任上海汽輪機(jī)廠設(shè)計研究所設(shè)計二室主任。

1 前言

上海電氣向西門子引進(jìn)了配F級燃機(jī)的HE型聯(lián)合循環(huán)汽輪機(jī)的技術(shù)，并陸續(xù)生產(chǎn)了9臺，已在4個電廠全部投入運(yùn)行。該汽輪機(jī)在結(jié)構(gòu)合理性、運(yùn)行靈活性、高效節(jié)能方面都是非常出色的，在同類型機(jī)組中居先進(jìn)水平。其結(jié)構(gòu)設(shè)計從總體到局部都經(jīng)過了縝密的構(gòu)思，先進(jìn)、獨(dú)特而又合理，這些設(shè)計方法可供借鑒以提高自身設(shè)計水平。

2 總體布置

2.1 單層同軸布置

該型號汽輪機(jī)為雙缸、三壓再熱型。與西門子同類產(chǎn)品一樣，采用了模塊化設(shè)計，即采用H和E兩個模塊（亦稱H缸和E缸）。除了這兩個模塊之外，該機(jī)組還配置了一個自同步離合器。使得整套聯(lián)合循環(huán)機(jī)組自前到后由燃?xì)廨啓C(jī)、發(fā)電機(jī)、自同步離合器、汽輪機(jī)H缸、汽輪機(jī)E缸幾大部分構(gòu)成同軸布置，如圖1所示。這也是西門子HE型聯(lián)合循環(huán)機(jī)組總體布置的一大特點(diǎn)。

由于汽輪機(jī)部分為雙缸結(jié)構(gòu)，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子由高壓和中低壓2根轉(zhuǎn)子組成，兩者之間剛性連接，采用三支點(diǎn)支承方式。考慮了自同步離合器的支承后，汽輪機(jī)部分共有4個軸承，分別裝在落地式的前軸承座、中軸承座和座缸式的后軸承座內(nèi)。其中，中軸承為袋式軸承，集徑向軸承和推力軸承為一體，為機(jī)組相對死點(diǎn)；汽輪機(jī)的絕對死點(diǎn)也設(shè)在中軸承座處。

該機(jī)組總體布置的另一大特點(diǎn)是單層布置，這得益于汽輪機(jī)E缸獨(dú)特的軸向排汽方式。因此，凝汽器布置在E缸的后端，而汽輪機(jī)的出軸則設(shè)于高壓缸的前端，這一點(diǎn)也是與常規(guī)汽輪機(jī)明顯不同的。

同軸、單層布置使電廠整個工程的造價大大降低，帶來了經(jīng)濟(jì)和社會效益。

圖1 燃?xì)廨啓C(jī)、發(fā)電機(jī)及汽輪機(jī)的布置

2.2 自同步離合器

S S S離合器還具有吸收汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子膨脹的功能。汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子各有自己的死點(diǎn)，并向離合器方向膨脹而產(chǎn)生差脹，SSS離合器在結(jié)構(gòu)上保證了可以吸收這個差脹。

圖2 SSS離合器結(jié)構(gòu)

雖然SSS離合器的采用使軸系稍顯復(fù)雜，但它帶來的好處也是明顯的。它使燃?xì)廨啓C(jī)的啟動和運(yùn)行不受汽輪機(jī)的制約，可實(shí)現(xiàn)燃機(jī)單循環(huán)運(yùn)行；汽輪機(jī)啟動后可通過SSS離合器連上發(fā)電機(jī)，輸出功率；在SSS離合器脫開狀態(tài)下，汽輪機(jī)還可獨(dú)自進(jìn)行維護(hù)。因此，SSS離合器的采用，大大增加了聯(lián)合循環(huán)機(jī)組運(yùn)行的靈活性，縮短了聯(lián)合循環(huán)的啟動時間，降低了運(yùn)行成本。SSS離合器的采用是整個聯(lián)合循環(huán)裝置的一大亮點(diǎn)，并已逐漸成為許多聯(lián)合循環(huán)設(shè)備供應(yīng)商和電廠用戶的首選。

2.3 配汽機(jī)構(gòu)——無導(dǎo)汽管布置

該HE型汽輪機(jī)配備了三組閥門：主汽閥組、再熱閥組和補(bǔ)汽閥組。它們有著共同的特點(diǎn)，都是直接固定在汽缸上，其間無導(dǎo)汽管連接。其中主汽閥組為焊接式，其他為法蘭連接式；下方都用支架支撐自身重量，以利于汽缸熱脹。

圖3所示為再熱閥組與汽缸直接連接的結(jié)構(gòu)型式。

圖3 氣缸模型

由于閥門與汽缸直接連接，無導(dǎo)汽管，所以它有蒸汽壓損極小、效率高的特點(diǎn)，加之采用了中低壓合缸模塊，沒有中低壓聯(lián)通管，因而實(shí)現(xiàn)了本體無導(dǎo)汽管布置，使整個機(jī)組結(jié)構(gòu)更加簡潔高效。

2.4 固定式前軸承座——獨(dú)特的滑銷結(jié)構(gòu)

前軸承座內(nèi)僅裝有SSS離合器軸承、前軸承和SSS離合器，不僅落地，而且前軸承座是固定于基礎(chǔ)上的。H缸的后貓爪支承在中軸承座上并作軸向定位，前貓爪支承在前軸承座上，H缸的熱脹使前貓爪在前軸承座上產(chǎn)生滑動。由于前軸承座不參與熱脹滑動，使得前軸承座包括軸承與支承在軸承上的轉(zhuǎn)子重量均不產(chǎn)生摩擦阻力，僅H缸靜子部分的約一半重量在滑動面上產(chǎn)生摩擦阻力，使摩擦阻力降至最小， 從而有利于H缸的熱脹。

3 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

3.1 H缸——圓筒型設(shè)計

H缸采用西門子獨(dú)特的圓筒型設(shè)計，圓筒型汽缸的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)為業(yè)界所認(rèn)識，它可以減小運(yùn)行中產(chǎn)生的應(yīng)力，加快啟動速度，提高設(shè)備壽命，這些對聯(lián)合循環(huán)汽輪機(jī)來說尤為重要。圖4為H缸的結(jié)構(gòu)示意。

設(shè)置仿真時間為60 min,隨機(jī)種子為128,運(yùn)行仿真．結(jié)果顯示,網(wǎng)絡(luò)在5 min左右趨于平穩(wěn),全局統(tǒng)計量網(wǎng)絡(luò)時延穩(wěn)定在0.32 ms左右,數(shù)據(jù)庫查詢和HTTP頁面的響應(yīng)時間分別穩(wěn)定在35.80 ms，3.35 ms左右．這3個全局統(tǒng)計量鏈路聚合后60 min的移動平均分別如圖5～7所示．核心交換機(jī)CS6509與匯聚交換機(jī)CS3560G之間下行鏈路的排隊時延峰值為0.036 ms,吞吐量峰值為662.16 Mb/s,利用率峰值為66.22%．這3個鏈路統(tǒng)計量鏈路聚合后60 min的移動平均分別如圖8～10所示．

圖4 H缸縱剖面

該H缸采用內(nèi)外雙層缸設(shè)計，除外缸采用了圓筒型設(shè)計外，還有以下幾個特點(diǎn)：

（1）高壓進(jìn)汽為切向進(jìn)汽

如圖5所示，主蒸汽由外缸進(jìn)汽口，經(jīng)內(nèi)外缸夾層后，切向進(jìn)入內(nèi)缸作功。切向進(jìn)汽明顯減小蒸汽壓損，提高了效率。

E缸的再熱進(jìn)汽也同樣采用了切向進(jìn)汽。

圖5 高壓切向進(jìn)汽

（2）內(nèi)缸低應(yīng)力設(shè)計

內(nèi)缸為中分面型，可以看到，整個內(nèi)缸都被高溫高壓蒸汽包圍，使中分面螺栓以及缸體自身不受到高壓蒸汽張力，雖然級份越往后內(nèi)外溫差越大，但壁厚也越薄，溫度應(yīng)力的分布偏均勻。而內(nèi)缸軸向定位外圓受到的軸向力，通過結(jié)構(gòu)的巧妙設(shè)計互相抵消而達(dá)到最小。端部的端蓋因其工作在壓力較低的汽封區(qū)域，使固定端蓋的螺栓受力很小。

3.2 E缸——軸向排汽

E缸模塊采用的是中、低壓合缸的結(jié)構(gòu)型式。中壓部分采用內(nèi)外雙層缸結(jié)構(gòu)，低壓部分則采用持環(huán)型式。流道設(shè)計成中壓逆流、低壓順流的反流形式，以減小轉(zhuǎn)子軸向推力。轉(zhuǎn)子采用焊接轉(zhuǎn)子，以解決中壓段的FATT和低壓段的機(jī)械強(qiáng)度問題。

E缸最大的特點(diǎn)在于軸向排汽，其優(yōu)點(diǎn)如前所述。除此之外，E缸還有幾處獨(dú)到的設(shè)計：

（1）外缸采用鑄鐵材料

雖然中壓部分的進(jìn)汽為經(jīng)過再熱的高溫蒸汽，但外缸仍采用鑄鐵材料，這得益于兩點(diǎn)，一是進(jìn)汽部分的合理設(shè)計，二是以中壓的內(nèi)外缸夾層作為中壓排汽通向低壓部分的通道，使外缸的工作溫度降低。

外缸采用鑄鐵材料可大大降低機(jī)組成本，同時使整個汽缸的剛度得到提高。

圖6 E缸縱剖面

（2）空心靜葉

汽輪機(jī)的末級靜葉采用由模鍛成型鋼板拼焊而成的空心結(jié)構(gòu)，其空心的腔室經(jīng)特別設(shè)計的通道與凝汽器相連，在靜葉頂部一定高度表面上加工有若干小孔。這種獨(dú)特設(shè)計在節(jié)約材料和成本的同時，還起到了高效的除濕作用。利用這些小孔和凝汽器真空，將靜葉表面的水分吸出并排入凝汽器，比起傳統(tǒng)的除濕手段，這種小孔除濕的方法在除濕效能上要強(qiáng)許多。

（3）液壓驅(qū)動的回轉(zhuǎn)設(shè)備

該機(jī)組回轉(zhuǎn)設(shè)備位于轉(zhuǎn)子排汽末端，由液壓馬達(dá)驅(qū)動，液壓馬達(dá)與轉(zhuǎn)子之間采用超越離合器連接。液壓馬達(dá)在正常盤車時采用高壓頂軸油驅(qū)動，其他時間采用軸承潤滑油驅(qū)動。這種設(shè)計的優(yōu)點(diǎn)是：

(1) 由于與轉(zhuǎn)子同軸，采用超越離合器自動嚙合和脫離，不存在常規(guī)回轉(zhuǎn)設(shè)備中需齒輪嚙合脫開的過程，動作可靠；

(2) 采用頂軸油驅(qū)動，只要頂軸油壓建立，就驅(qū)動液壓馬達(dá)進(jìn)行盤車，不需另設(shè)TSI元件測零轉(zhuǎn)速來啟動盤車，系統(tǒng)簡單而合理；

(3) 汽輪機(jī)升速越過液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速時，超越離合器使轉(zhuǎn)子自動與液壓馬達(dá)脫離；

(4) 采用DenisonCalzon的MR型徑向活塞式液壓馬達(dá)（圖7），具有機(jī)械效率高、低油耗、大輸出扭矩、高可靠性等特點(diǎn)。

4 小結(jié)

HE型汽輪機(jī)的設(shè)計無疑是先進(jìn)的，其單層同軸布置、SSS離合器、高效的配汽機(jī)構(gòu)、固定式前軸承座、圓筒型高壓缸、中低壓合缸、中空靜葉、液壓回轉(zhuǎn)設(shè)備，以及其他細(xì)節(jié)（如不設(shè)同軸主油泵、采用電超速等）構(gòu)成了整個HE汽輪機(jī)的靈魂。不僅如此，其葉片、輔助系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等都有其獨(dú)特和先進(jìn)的設(shè)計，使整個機(jī)組的優(yōu)良性能在電廠得以充分體現(xiàn)。事實(shí)上，西門子仍在對該產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，如改E缸的反流為順流等。隨著對清潔能源需求的不斷增加，HE型汽輪機(jī)將會有更好的市場前景。