東方自主核電汽輪機(jī)滑銷系統(tǒng)分析

盧平，高宏喜

(東方汽輪機(jī)有限公司， 四川 德陽， 618000)

東方自主核電汽輪機(jī)滑銷系統(tǒng)分析

盧平，高宏喜

(東方汽輪機(jī)有限公司， 四川 德陽， 618000)

文章分析了東方自主核電汽輪機(jī)的滑銷系統(tǒng)，著重列舉了設(shè)計過程中的重點，在較大地震載荷及極限工況蒸汽推力下進(jìn)行了主機(jī)部件死點鍵、導(dǎo)向鍵的強(qiáng)度校核。

自主化，滑銷系統(tǒng)，地震載荷

0引言

汽輪發(fā)電機(jī)組屬于高工作轉(zhuǎn)速下的高溫高壓部件，運(yùn)行時其溫度較汽輪機(jī)基礎(chǔ)高，不同運(yùn)行工況時，靜子和轉(zhuǎn)子的膨脹量也不一樣，均存在相對熱膨脹差；同時靜子部件在前后壓差和溫度場的作用下會產(chǎn)生熱變形，轉(zhuǎn)子在離心力和溫度場的作用下也會產(chǎn)生熱變形，軸承標(biāo)高有一定的變化，基礎(chǔ)也會有一定的變形等，因此汽輪機(jī)機(jī)組必須設(shè)置滑銷系統(tǒng)，保證機(jī)組在規(guī)定的動靜間隙和允許的對中條件下安全可靠、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。

滑銷系統(tǒng)是靜子部件的支承定位和熱膨脹時導(dǎo)向用的各種滑銷的總稱。其主要作用是維持靜子和靜子間嚴(yán)格的相對位置，維持靜子和轉(zhuǎn)子中心線的一致，并保證靜子和轉(zhuǎn)子定向自由熱膨脹或冷收縮通暢無滯止，無卡澀。

1 汽輪機(jī)組滑銷系統(tǒng)設(shè)計原則

汽輪機(jī)組的滑銷系統(tǒng)由外缸或/和軸承座及內(nèi)外缸間的滑銷系統(tǒng)、隔板隔板套等部件的支承和定位滑銷系統(tǒng)組成。其設(shè)計的基本原則如下:

（1）滑銷系統(tǒng)設(shè)計中， 為了使靜子中心線變化最小，靜子部件支承搭子的定位面和靜子水平中分面在同一水平面上或接近同一水平面，同時支承搭子應(yīng)有足夠的抗彎強(qiáng)度和剛度。

（2）支承轉(zhuǎn)子部件 （如軸承箱）的溫度變化要小，以維持軸承座和軸承標(biāo)高的穩(wěn)定。

（3）合理布置滑銷， 正確選擇熱膨脹的絕對死點和相對死點，保證機(jī)組在規(guī)定的動靜間隙和允許的對中條件下安全可靠、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。

2 東方自主核電汽輪機(jī)滑銷系統(tǒng)分析

依托國核先進(jìn)壓水堆示范工程，東方研發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的半轉(zhuǎn)速核電汽輪機(jī)，采用1 828 mm 末級動葉片高度的低壓模塊， 為單軸四缸六排汽冷凝式汽輪機(jī)，如圖1所示，功率大于1 500 MW， 其主要部件尺寸大且重量重， 為了維持汽輪機(jī)運(yùn)行時靜子和轉(zhuǎn)子中心線的一致，其滑銷系統(tǒng)設(shè)計為多死點滑銷系統(tǒng)。下面分析東方自主核電汽輪機(jī)滑銷系統(tǒng)。

圖1 東方國核壓水堆示范工程汽輪發(fā)電機(jī)組三維示意圖

2.1 合理選擇靜子和轉(zhuǎn)子熱膨脹死點

轉(zhuǎn)子以推力軸承為相對死點，分別向兩側(cè)膨脹。推力軸承設(shè)置在中低壓間軸承箱內(nèi)。

整個機(jī)組共設(shè)置5個軸承箱:前軸承箱、中低壓間軸承箱、 低壓間軸承箱 （2個）及低電間軸承箱，所有軸承落地支承設(shè)計，軸承箱均設(shè)為死點箱，通過地腳螺栓及死點鍵固定在汽機(jī)基礎(chǔ)上。

高中壓靜子部件的絕對死點布置在中低壓軸承箱內(nèi)；在高中壓汽缸電機(jī)側(cè)下貓爪和軸承箱之間有橫向?qū)蜴I，沿汽輪機(jī)軸線方向汽缸設(shè)有軸向?qū)蜴I，橫向和軸向?qū)蜴I的交點為高中壓缸的死點。

低 壓 模 塊 其 排 汽 口 外 壁 尺 寸 為 14 200 mm（橫向） ×10 660 mm （軸 向）， 排汽 口面 積超 過 150 m2， 基本垂直載荷見表 1。

表1 低壓模塊垂直載荷

表1數(shù)據(jù)表明，低壓模塊若采用低壓外缸落地的方案， 汽機(jī)平臺將承受 3 016.7 t的垂直重載，東方采用了自主研發(fā)的低壓內(nèi)缸直接落地的方案，不僅降低了地震載荷，而且汽機(jī)運(yùn)行平臺不承受巨大的低壓真空載荷， 其垂直載荷僅為 1 159.2 t。

低壓內(nèi)缸穿過外缸橫向直接落地，汽機(jī)軸線方向低壓進(jìn)汽中心線附近設(shè)為低壓內(nèi)缸及隔板的絕對死點。低壓外缸通過現(xiàn)場焊接與凝汽器喉部剛性連接，凝汽器直接錨定到基礎(chǔ)上，和凝汽器形成一個整體剛性的物體承受壓差并隨凝汽器一起膨脹。低壓內(nèi)、外缸相對獨立，外缸和轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)獨立，低壓轉(zhuǎn)子和靜子部件的標(biāo)高不會隨冷凝器真空等運(yùn)行條件的改變而改變，便于機(jī)組軸系的對中、徑向間隙的調(diào)整，確保了機(jī)組的安全性和可靠性。

圖2為東方國核壓水堆示范工程汽輪機(jī)熱膨脹示意圖。

圖2 東方國核壓水堆示范工程汽輪機(jī)熱膨脹示意圖

2.2 確定靜子支承方式

高中壓汽缸采用單層缸結(jié)構(gòu)，前后通過上半汽缸上貓爪 （共 4處）分別支承在前軸承箱、 中低壓軸承箱中分面上，前軸承箱、中低壓軸承箱設(shè)為死點箱，并在支承面上設(shè)有鋼對鋼的滑動面，保證汽缸膨脹順暢；在上半汽缸、下半汽缸汽機(jī)軸線 （共 3處）布置軸向?qū)蜴I， 下半汽缸電機(jī)側(cè)下貓爪底部左右 （共2處）布置橫向?qū)蜴I，控制汽缸的膨脹方向。圖3為東方國核壓水堆示范工程高中壓汽缸支承示意圖。

圖3 東方國核壓水堆示范工程高中壓汽缸支承示意圖

低壓汽缸為雙層缸結(jié)構(gòu)，低壓內(nèi)缸穿過外缸通過連接裝置和支撐臂橫向獨立支承于汽機(jī)運(yùn)行平臺上，汽機(jī)側(cè)左右支撐臂上設(shè)有橫向?qū)蜴I，前后軸線方向設(shè)有軸向?qū)蜴I，如圖4所示。外缸與軸封之間、外缸與內(nèi)缸支撐臂之間、外缸與底部軸向?qū)蜴I之間安裝膨脹節(jié)，起密封和吸收低壓外缸變形的作用。

高中壓、低壓隔板兩兩把合，可以減少汽缸的持環(huán)數(shù)量，簡化汽缸的結(jié)構(gòu)。隔板通過左右兩側(cè)懸掛銷支承在汽缸中分面上，底部設(shè)有定位鍵控制橫向定位。圖5為高壓隔板支承示意圖。

圖4 東方國核壓水堆示范工程低壓內(nèi)缸支承示意圖

圖5 東方國核壓水堆示范工程高壓隔板支承示意圖

2.3 校核軸承箱、 汽缸等靜子部件死點鍵、 導(dǎo)向鍵結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，進(jìn)行滑銷系統(tǒng)詳設(shè)

確定靜子支承方式后，進(jìn)行滑銷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，并校核死點鍵、導(dǎo)向鍵結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。鑒于核電汽輪機(jī)較高核安全的特點，必須核算機(jī)組部件的抗地震能力，在校核主機(jī)部件的軸向及橫向?qū)蜴I強(qiáng)度時必須進(jìn)行較大地震載荷的破壞性校核，并考慮極限工況下的機(jī)組蒸汽推力。

圖6為高中壓汽缸導(dǎo)向鍵受力示意圖，圖7為低壓缸導(dǎo)向鍵受力示意圖， Fy為汽輪機(jī)軸向方向， Fx為汽輪機(jī)橫向方向， 校核導(dǎo)向鍵的屈服強(qiáng)度與剪切強(qiáng)度:

（1）地震水平加速度值取 0.4 g， 地震垂直加速度值取 0.3 g， 摩擦系數(shù)取 0.3；

（2）極端工況下， 在水平方向地震載荷基礎(chǔ)上疊加摩擦力及蒸汽推力；

（3）校核準(zhǔn)則為: τ=F/A≤ [τ]

式中:

[τ]=0.55×σs/2.5 （安全系數(shù)）；

[τ]―材料的許用剪切強(qiáng)度， MPa；

σs―材料工作條件下的屈服強(qiáng)度， MPa；

F―導(dǎo)向鍵水平方向受力， N；

A―導(dǎo)向鍵受力方向橫截面面積， mm2。

水平方向地震載荷=0.4×相應(yīng)重力載荷， N；

摩擦力=0.3× （1.3×重力載荷+汽流反力）， N。

圖6 高中壓汽缸導(dǎo)向鍵受力示意圖

圖7 低壓汽缸導(dǎo)向鍵受力示意圖

經(jīng)過校核，各汽機(jī)主要部件死點鍵、導(dǎo)向鍵結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均能滿足地震水 平加速度 0.4 g 及垂 直加速度值 0.3 g 條件下的地震載荷要求， 計算結(jié)果見表2。

表2 汽機(jī)主要部件導(dǎo)向鍵設(shè)計強(qiáng)度校核

2.4 東方自主化核電汽輪機(jī)滑銷系統(tǒng)的設(shè)計特點

東方自主化核電汽輪機(jī)滑銷系統(tǒng)的設(shè)計具有以下非常鮮明的特點:

（1）整個汽輪機(jī)滑銷系統(tǒng)為多死點設(shè)計， 軸承均采用落地設(shè)計；

（2）軸承箱均設(shè)置為死點箱；

（3）高中壓汽缸為單層缸結(jié)構(gòu)， 汽缸的支承結(jié)構(gòu)非常簡潔；

（4）低壓缸為雙層缸結(jié)構(gòu)， 內(nèi)缸單獨橫向直接落地，外缸設(shè)計為排汽通道，外缸的安裝獨立于內(nèi)缸，焊接到冷凝器喉部上，冷凝器直接錨定到基礎(chǔ)。因此外缸可以在各個方向自由膨脹；

（5）隔板采用兩兩把合結(jié)構(gòu)， 大大簡化了汽缸的結(jié)構(gòu)；

（6）滑銷系統(tǒng)死點鍵、 導(dǎo)向鍵的強(qiáng)度校核不僅加載了較大的地震載荷，還加載了機(jī)組極限工況下的機(jī)組蒸汽推力，滿足核安全的要求。

3 結(jié)束語

本文通過分析東方自主化半轉(zhuǎn)速核電汽輪機(jī)的滑銷系統(tǒng)，詳細(xì)闡述了滑銷系統(tǒng)的設(shè)計特點，并在較大地震載荷及極限工況蒸汽推力下進(jìn)行了主機(jī)部件死點鍵、導(dǎo)向鍵的強(qiáng)度校核，而常規(guī)火電經(jīng)過多年發(fā)展，其滑銷系統(tǒng)的設(shè)計已得到無數(shù)運(yùn)行業(yè)績的驗證。本文能為東方核電汽輪機(jī)滑銷系統(tǒng)的自主化設(shè)計起到積極的推進(jìn)作用，為汽輪機(jī)工程技術(shù)人員提供了更多參照。

[1]中國動力工程學(xué)會.火力發(fā)電設(shè)備技術(shù)手冊： 第二卷:汽輪機(jī)[M]. 北京∶機(jī)械工業(yè)出版社,2007

Analysis of Sliding Key System for Dongfang Independent Nuclear Steam Turbine

Lu Ping， Gao Hongxi
(Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000)

The paper analyzed the sliding key system for Dongfang independent nuclear power steam turbine,emphatically enumerated the emphasis in design process,and checked the strength of dead keys and guiding keys in larger seismic loads and extreme steam thrust operating conditions.

independent,sliding key system,seism ic load

TK262

： A

： 1674-9987(2014)02-0005-06

盧平 （1971-）， 女， 高級工程師， 1993 年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)熱力渦輪機(jī)專業(yè)， 長期從事汽輪機(jī)主機(jī)設(shè)計工作。