R0110重型燃氣輪機氣缸結構研究

包大陸

（中航工業沈陽黎明航空發動機（集團）有限責任公司快速反應中心，遼寧 沈陽 110043）

引言

R0110重型燃機是我公司近年研制的國內首臺具有自主知識產權的110MW燃氣輪機，性能等級介于國際E級和F級之間，它的研制成功使我公司在燃機研發、加工制造及裝配試車技術都得到較大提升，填補我公司乃至我國自主研發重型燃機領域的空白。重型燃機原型機氣缸設計大量采用鍛件焊接結構，制造工藝性差，裝配周期長。為此將外氣缸改為整體鑄造水平對開氣缸結構形式。較原結構相比，氣缸壁厚增加，剛性增強，裝配工藝簡化，裝配周期縮短，裝拆更加方便，利于外場維護。

1 重型燃機氣缸結構改進前后特點分析

1.1 重型燃機原型機氣缸結構特點分析

重型燃機原型機由進氣氣缸組件、壓氣機1-5級氣缸組件、壓氣機6-15級氣缸組件、擴壓段、承力錐體、燃燒室、透平第Ⅰ-Ⅳ級氣缸組件、透平后支承組件、軸承組件及燃機平衡轉子組件等組成。除進氣氣缸組件為整環鑄造氣缸外，全部氣缸均采用環鍛件焊接而成，氣缸壁厚多數僅14mm，為提高整機剛性，采用半環與整環交錯連接，止口定心方式。此設計優點為整機重量較輕，便于實現整體運輸；缺點是大尺寸薄壁鍛件焊接工藝性較差，裝配方式復雜，整機氣缸剛性不強。

1.2 重型燃機改型機水平對開氣缸結構特點分析

重型燃機改進型機外部氣缸全部改為水平中分鑄造氣缸：進氣氣缸組件、壓氣機1-5級氣缸組件、壓氣機6-15級氣缸組件、擴壓段、燃燒室氣缸、透平Ⅰ-Ⅳ級氣缸、后支撐氣缸組件均改為水平中分鑄造結構。燃機前支撐由在進氣氣缸下半缸主支撐安裝邊處后移至壓氣機第1-5級下半缸靠近水平結合面位置處。與原結構相比，燃機主支撐更靠近燃機轉子止推盤主推力面（轉、靜子軸向相對死點）。

為減少帶冠空冷葉片的葉冠鑄造缺陷，燃機平衡轉子組件中第Ⅱ級透平葉片新設計為不帶葉冠錐面結構。相應氣缸配合表面改為錐面，配合徑向間隙保持不變。前、后支點軸承氣缸組件以及前、后支承氣缸仍為整環結構。除燃燒室氣缸和承力錐、燃燒室外套和透平Ⅰ級氣缸的連接配合仍采用止口型式之外，其余各氣缸安裝邊之間均采用端平面對接、精密螺栓定位和螺栓固緊的配合連接形式。

2 燃氣輪機氣缸結構變化對總體結構的影響

2.1 結構變化對燃氣輪機總體結構技術參數影響

改進前后燃氣輪機主要結構參數對比見表1。

表1 燃機主要總體結構參數對比 單位：mm

2.2 氣缸結構變化對燃氣輪機膨脹量的影響

原結構和改進結構燃機轉子結構基本一致，壓氣機與透平隔板組件未發生變化，因此，兩種結構燃機轉、靜子膨脹量的變化主要受氣缸結構變化及前后支撐方式改變影響。

2.2.1 徑向膨脹量。改進型重型燃機水平對開結構氣缸選用ZG20SiMn和ZG15Cr13在同等溫度分布的條件下均比原型機氣缸選用0Cr11Ni2MoVNb線膨脹系數略大，工作狀態轉靜子徑向間隙在保持與原結構一致的條件下，可以保證轉子自由轉動。改進型重型燃機水平對開結構燃機經過試車，在工作轉速3000r/min運行狀態良好，前、后支撐振動沒有出現周期性干擾信號，證明工作狀態轉、靜子無碰磨。

2.2.2 軸向膨脹量。由于兩種結構燃機轉、靜子的軸向相對死點--轉子推力盤主承力面軸向位置未發生變化，因此，氣缸在穩態下的受熱膨脹量僅與氣缸結構及材料有關。根據徑向膨脹量的分析結果，同理軸向膨脹量能夠滿足兩種結構燃機轉子正常工作的需要。按劃分平均溫度區域的方法，分別計算改進型重型燃機水平對開結構透平第Ⅱ級工作葉片位置處的轉、靜子軸向膨脹量，結果見表1。

表1 透平第Ⅱ級工作葉片位置處的軸向膨脹量（額定工作狀態）

從表1中可以看出，氣缸在額定工作狀態下較轉子軸向膨脹量小，保證在該狀態下轉、靜子無碰磨。在過渡態條件下氣缸結構變化對膨脹量的影響主要體現在起動過程中，轉子受熱快，氣缸受熱慢，另外，壁厚增加會減弱膨脹速率，起動過程中會出現轉、靜子碰磨現象。經過磨合試車后，轉、靜子碰磨現象會得以消除。

2.3 重型燃機燃機氣缸結構變化對整機裝配的影響

2.3.1 轉子與氣缸裝配方式的變化

原型機氣缸多為整環結構，轉子與氣缸裝配采用豎直裝配方式，利用透平后支撐組件為定位基準，轉子豎直裝于透平后支撐組件中，按透平、燃燒室及壓氣機的順序依次裝配各段氣缸組件。改進型機氣缸為整體水平對開結構，前、后支承氣缸均為整環結構。采用豎直裝配方式裝配氣缸組件，燃機氣缸水平裝于前后支撐后，揭開上半缸，轉子連同前、后支承氣缸采用水平裝配方式裝入燃機下半缸中。

與原結構相比優點在于裝配工作臺降低，裝配方便；下半缸落于燃機前后支撐上，減少翻轉臺架的使用次數；燃機轉、靜子軸向、徑向間隙測量結果準確，符合實際情況。

2.3.2 燃燒室裝配方式的變化

原型機與改進型機結構相比，燃燒室火焰筒與噴嘴未變化，裝配方式僅受整機氣缸裝配方式變化而發生改變。原型機燃燒室零部件全部采用豎直裝配方式；改進型機由于轉子需水平裝配，因此下半缸燃燒室采用豎直裝配方式，上半缸燃燒室采用水平裝配方式。

結論

本文通過對兩種重型燃氣輪機氣缸結構以及氣缸結構變化對整機結構的影響分析論證，得出目前重型燃機氣缸結構設計的優點與不足。優點體現在氣缸結構更加易裝配、易維護，工藝性更強；不足之處在于對氣缸結構對整機剛度的影響考慮還不足，局部裝配困難。上述問題需要氣缸結構進一步改進完善。另外，本文提出對未來重型燃機氣缸結構設計的幾點建議和想法，僅供設計參考。

總之，重型燃機氣缸結構設計是一項涉及多領域、多學科的復雜工程，設計工作無法一蹴而就，需要循序漸進，不斷實踐積累設計經驗加以改進完善，這樣才能使氣缸結構更加易于市場接受，更加滿足整機要求。

[1] 透平機械現代制造技術叢書.裝配試車技術[M].北京：科學出版社.

[2] 趙士杭.燃氣輪機原理結構與應用.上冊[M].北京：科學出版社.

[3] 焦樹建.燃氣輪機與燃氣-蒸汽聯合循環裝置.上冊[M].北京：中國電力出版社.