軸向排汽低壓缸的關鍵技術研究

王文龍， 唐濤， 劉興波， 伍文華， 徐志輝

（東方電氣集團東方汽輪機有限公司， 四川 德陽， 618000）

0 前言

汽輪機軸向排汽低壓缸排汽不需要轉90°， 因此具有損失小的優點[1]。 另外， 低壓排汽缸與凝汽器均在處于同一標高下的運行層， 可采用低位布置基礎設計結構， 因此具有基建成本低的顯著優勢[2]。 由于其效率較高、 布置簡潔， 聯合循環汽輪機廣泛采用了軸向排汽汽輪機。

低壓排汽缸壓力低， 多為薄壁焊接結構。 傳統機組為徑向排汽， 凝汽器位于低壓缸下部， 軸系的支撐位于低壓缸軸向兩側。 而軸向排汽汽輪機， 凝汽器與低壓缸采用軸向連接， 軸系的一端支撐只能位于低壓排汽缸內。 由此， 薄壁焊接結構的低壓排汽缸如何提高支撐剛性以滿足支撐軸系的要求， 成為此機型研發設計的要點。

1 低壓缸支撐剛度對軸系的影響

為保證機組安全穩定的運行要求， 進行軸系設計時， 軸系的固有頻率需避開工作頻率一定范圍。 軸系的設計中， 通常將軸系看做一彎曲振動的梁， 根據梁的彎曲振動微分方程：

式中ρ 為密度， A 為橫截面積， E 為彈性模量， I 為慣性矩，為位移，為梁的軸向位置，為時間。

對于軸向排汽缸， 記低壓缸處位置為l， 低壓缸處軸承的支撐剛度為K， 支撐剛度提供了該位置處的剪力， 則關于該剪力的其中一邊界條件為：

通過式（3） 可知， 在軸系材料一定的情況下（ρ、 E 不變）， 軸系的固有頻率計算與軸系結構特征（A、I）、 支撐剛度（K）等密切相關。

軸系的結構特征由通流、 推力等相互配合設計。 常規機組軸系支撐在軸承座上， 軸承座支撐在軸承箱內， 軸承箱由基礎支撐， 因此支撐剛性較強。 對于軸向排汽低壓缸， 支撐剛度主要由低壓缸本身的剛性提供， 因此需驗證該剛性是否滿足要求。 對某軸排機型進行分析， 軸系的支撐剛性與汽輪機的臨界轉速關系如圖1 所示。

圖1 支撐剛度與臨界轉速關系

通過圖1 可知， 支撐剛度對臨界轉速影響較大， 支撐剛度的變化會造成臨界轉速在一定范圍內波動。

此外， 若低壓排汽缸剛性較弱， 在機組安裝時， 轉子落入低壓缸前后標高變化過大， 不利于現場的間隙控制。

基于以上2 個原因， 需計算低壓排汽缸支撐剛度， 以確保軸系穩定性及相關安裝要求。

2 軸排汽缸的剛性改善方法

對于下排汽低壓缸， 東汽具有豐富的經驗和業績以提高低壓缸的剛性， 例如采用調整撐管的布置方式等。

對于軸向排汽低壓缸， 首先考慮采用增加撐管的方式提高低壓缸及軸承座的剛性。 對該方案進行相應有限元分析后發現， 軸承座天地方向位移過大， 遠不能滿足軸系支撐剛性的要求。 其主要原因在于低壓缸下半剛性不足， 考慮到撐管已布置較密集， 便在汽缸外側增加相應撐筋， 改進結構如圖2 所示。

圖2 外部撐筋示意圖

對改進后的模型重新進行有限元分析， 該低壓缸靜剛度仍無法達到設計要求。

經分析比對， 提高排汽缸的支撐剛性主要有3個手段：

（1）增加汽缸壁厚。 通過驗證， 增加汽缸壁厚有一定收益， 但分析某排汽缸后發現， 低壓缸軸承座最下方位移隨壁厚增加幾乎不變。 剛性不足主要體現在內部支撐上。

（2）缸體外部增加撐筋。 現有方案的汽缸外壁已增加撐筋， 并已驗證對剛性的改善效果不明顯。

（3）增加排汽缸內部撐管，提高內部支撐剛性。內部撐管增加會引起排汽損失加大， 降低軸排汽缸的效率。 因此， 需要重新考慮整體方案， 兼顧制造成本、 氣動性能和支撐剛性等多重因素的影響和制約。

3 東方研制的新型軸排低壓缸

綜合考慮軸排汽缸設計邊界， 結合已經研究完成的軸排汽缸的剛性改善措施， 經過一系列論證和比對， 形成最終汽缸模型如圖3所示。

圖3 軸向排汽示意圖

3.1 結構特點

軸承箱為座低壓缸結構， 低壓排汽端汽封體也布置在軸排汽缸內部， 因此， 軸承箱的進、 回油管路和汽封體的抽送汽管路都需要從汽缸內部引至汽缸外部， 與相應的系統管道相連接。

為保證剛性要求和氣動性能， 在汽缸下半圓周均分設置5 根支撐筋， 撐筋設計為中空結構，撐筋內布置相應的進、 回油管路及軸封抽送汽管路。 為盡可能降低啟動損失， 將撐筋設計為流線結構， 使得撐筋具有良好的導流效果。 撐筋的布置和截面示意圖如圖4 所示。

圖4 撐筋布置和截面示意圖

低壓排汽缸上半預留檢修人孔通道， 可實現在不開缸的狀態下， 對低壓缸內部軸承箱及內部附件、 汽封體及抽送汽管路、 低壓末級葉片的檢修， 提高低壓缸檢修的便利性， 降低操作難度。

為實現良好的低壓排汽導流效果， 需設置導流環， 該導流環也位于排汽通道內部， 雙層中空的結構將汽和油有效進行分離。 在排汽缸末端，考慮到低壓缸的熱膨脹， 低壓缸與凝汽器之間通過彈性膨脹節連接。 該低壓缸結構縱剖圖如圖5所示。

圖5 低壓缸縱剖圖

3.2 支撐剛度及強度計算

低壓排汽缸為碳鋼鋼板焊接結構。 其工作溫度為低壓排汽溫度， 工作壓力為排汽壓力。 通過有限元計算， 應力云圖如圖6 所示。

圖6 低壓缸應力云圖

低壓缸整體應力水平較低， 遠小于其屈服水平。 低壓缸強度滿足設計要求。

對低壓缸軸承座底部取一點進行分析， 計算出該點在轉子落入前后的標高變化量較小， 滿足軸系及通流間隙的安裝調整要求。

通過計算可知， 低壓缸支撐剛性滿足軸系穩定性要求。

3.3 低壓排汽缸的振動特性

轉子的工作頻率為50 Hz， 低壓排汽缸的固有頻率需考慮避開轉子工作頻率一定范圍， 因此需計算低壓排汽缸的固有頻率， 有限元計算結果如圖7 所示。

圖7 低壓缸前三階模態振型

第一階振動為橫向扭振， 機組在實際運行中由于油膜剛度等， 扭振無法傳遞到排汽缸上來，因此該階模態振動是安全的。 第二階振動為軸向振動， 頻率較高， 對工頻50 Hz 避開率在15%以上， 為安全工況。 對機組安全性影響較大的是天地方向振動， 即第三階振動的振型， 但第三節振動的固有頻率較高， 對工頻的避開率較高， 因此天地方向的振動是安全的， 第三階模態振動是安全工況。

由于振動的能量主要集中在低頻工況， 因此僅分析前一階扭振、 軸向振動及天地方向振動即可， 對于高頻振動由于振動能量較小， 且與工頻避開率較大， 因此不需再進行相應計算。

3.4 影響支撐剛度的因素

軸向排汽低壓缸設計的關鍵要點在于低壓缸的支撐剛性。 調整撐管、 撐筋的剛性可以提高低壓缸支撐剛性， 此外還有以下結構要素影響低壓缸支撐剛性：

（1）低壓排汽缸缸體厚度。 提高低壓排汽缸缸體厚度， 可在一定程度上提高低壓排汽缸的支撐剛性。

（2）缸體外側的加強筋剛性。 通過計算可知，在缸體內部撐管撐筋剛性加強的條件下， 缸內撐筋變形較小， 主要為缸內撐筋的天地方向位移，而位移產生的根本原因在于缸體外部無支撐， 缸體外部剛性較弱。

（3）低壓排汽缸臺板標高。 低壓排汽缸臺板標高與軸承座底面標高之間存在一定關系。 若低壓排汽缸臺板標高較軸承座標高小于一定量， 則支撐剛性會有一定程度削弱。 低壓缸臺板標高與軸承座底標高相近有利于提高軸承座支撐剛性。

（4）低壓缸正下方的布置。 軸向排汽低壓缸軸承座支撐剛性較弱的主要原因在于， 低壓缸底部無支撐。 參照已有的公開技術， 考慮將低壓缸軸承箱下部與地面直接相連， 如圖8 所示。

圖8 低壓缸輔助支撐

該方案對于提高軸承座支撐剛性有較大幫助。但通常排汽缸與基礎的接觸面距離汽機中分面偏遠， 考慮熱影響和線脹系數后， 轉子中心標高變化量會較大， 存在振動風險。 機組老化后支撐剛性無法滿足要求， 可在低壓缸正下方增設恒力支架或彈簧支架， 實現對機組的維護調整。

3.5 低壓排汽缸的系統配置難點

低壓軸向排汽缸主要作用是形成擴張通道，將低壓末級的排汽動能轉化為壓力能。 因此低壓排汽缸直徑通常較大， 重量較重。 通常情況下，將機組死點布置在中壓缸機頭側， 低壓排汽缸一側與中壓缸把接， 為保證機組的順利膨脹， 低壓排汽缸臺板與基架之間設置滑塊。 此外， 低壓排汽缸另一側與凝汽器相連接， 為吸收整個中低壓模塊的脹差， 低壓排汽缸與凝汽器間設置膨脹節。膨脹節的天地方向及橫向剛性位移會產生較大的附加載荷， 對汽缸穩定性有較大影響， 設計階段需嚴格計算膨脹節位移對汽缸穩定性的影響， 現場安裝階段需嚴格控制膨脹節的安裝位移等。

4 結束語

依托于國內某聯合循環項目， 東汽完成了該新型穩定、 可靠的軸向排汽缸的自主研發工作，并掌握了開發該類汽缸的關鍵核心技術。 該項目的研發制造經驗對于后續軸排汽缸在各類機型上的應用都具有較強的借鑒推廣價值； 同時， 對于同類型結構的開發研究也積累了豐富經驗。