俄制5 0 0 MW汽輪機中壓轉子彎曲治理方案

張雪， 張華杰

（哈爾濱汽輪機廠有限責任公司，哈爾濱150046）

0 引言

某電廠配置有兩臺俄制500 MW汽輪機，電廠機務人員在大修時發現汽輪機中壓轉子發生了彎曲，針對這種情況，哈爾濱汽輪機廠有限責任公司設計人員對彎曲的問題進行了專業的分析，并提出了整治方案。

1 彎曲情況介紹及原因分析

該機組為超臨界沖動純凝式汽輪機，中壓轉子彎曲處為汽輪機中壓進汽處。汽輪機中壓進汽為再熱蒸汽，再熱蒸汽壓力為3.5 MPa，再熱蒸汽溫度為540℃。中壓轉子為整鍛轉子，雙分流結構，正反向各設有11級動葉，轉子材料為25Cr2Mo1V，總長度約為7.6 m，為保證轉子中心部位鍛造質量設有中心孔。

根據檢修記錄，中壓轉子的最大彎曲值達到了0.15 mm，已嚴重影響了機組的安全運行。中壓轉子彎曲部位為中壓進汽處，由于中壓轉子為對稱雙分流結構，轉子重心也在此位置，轉子由于鍛造和加工產生的質量不均，形成的離心力也作用在此處，所以中壓轉子在此處承受的不平衡載荷最大。由于沒有調節級，中壓轉子進汽處為整個機組溫度最高部位，進汽溫度為540℃，受高溫影響，轉子材料力學性能比常溫時大大降低。根據俄制500 MW機組中壓通流結構進行分析，機組運行時，部分蒸汽在經過中壓正、反向第一級后，直接進入到導流環與中壓轉子形成的腔室中，當轉子以正常轉速3 000 r/min運行時，產生鼓風生熱，高溫蒸汽直接與進汽導流環相接觸，使得導流環與中壓轉子間的腔室蒸汽溫度升高，導致該處運行時的溫度高于中壓進汽溫度，大大超出了原機組材料允許的蠕變強度。同時，中壓轉子第一級葉根為T型結構，沒有葉根的冷卻通道，鼓風發熱引起的溫度變化直接影響到中壓一級的葉根蠕變強度，久而久之發生了轉子彎曲。最終導致轉子永久彎曲。能防治中壓轉子彎曲最有效的方法，只有采用冷卻蒸汽對中壓轉子進汽處進行冷卻，以提高此處的轉子力學性能，減小轉子高溫蠕變所產生的彎曲度。

2 解決方案及可行性分析

由于自身結構和設計理念原因，俄制機組中壓轉子都沒有冷卻結構，而歐美汽輪機中壓轉子普遍設有冷卻結構，如GE、西屋、西門子等的機組，可以很好地防治中壓轉子彎曲。歐美機組與俄制機組相比，結構形式相差甚遠，無法借鑒，因此本機組中壓轉子冷卻結構設計在國內實屬首創。經過對該機組的結構進行研究分析，決定采用中壓內外缸夾層蒸汽作為中壓轉子冷卻蒸汽汽源，在中壓轉子正反向第一級葉輪與導流環所圍成的流體區域添加冷卻裝置，將冷卻蒸汽引入此區域，由此改善中壓轉子的溫度場，減少中壓轉子的彎曲度。冷卻裝置采用插管結構。插管下部以螺紋固定在導流環上并焊牢，插管上部為保證內缸與導流環之間的自由膨脹以及安裝定位準確，采用疊片密封結構固定在中壓內缸上。冷卻裝置插管內孔作為冷卻蒸汽孔，如設計過大，引入的蒸汽量過多，影響機組效率，如設計過小，起不到冷卻效果，所以大小根據轉子冷卻計算出的流量設定。冷卻裝置結構如圖1所示。

確定冷卻方案后，技術人員制作了三維UG實體，并應用ANSYS ICEM CFD 12.1生成了幾何體網格。如圖2所示。

圖1 冷卻裝置結構圖

經過反復多次計算，轉子冷卻孔設計為φ50 mm 時，整體效果最好。中壓轉子進汽處的溫度場在增加冷卻結構后比增加前改善效果明顯，溫度分布均勻，并有效降低此處轉子溫度，減小轉子高溫蠕變產生的彎曲度。計算結果可如圖3～圖4所示。

圖2 原型轉子橫向溫度分布

3 結論

經過計算，俄制500 MW機組增加中壓轉子冷卻裝置后，可以有效改善中壓轉子進汽處溫度場，降低中壓轉子進汽處溫度，有效防治中壓轉子彎曲。目前，安裝該中壓轉子冷卻裝置的俄制500 MW機組已連續成功運行，現場反饋中壓轉子運行情況良好，證明此種中壓轉子冷卻方案設計對防治中壓轉子彎曲是行之有效的。

圖4 增加冷卻后轉子橫向溫度分布