百萬等級100%容量給水泵汽輪機整體快裝設計

尹剛，尹華劼，吳方松

（東方電氣集團東方汽輪機有限公司，四川 德陽，618000）

1 前言

整體快裝式汽輪機是指機組設計為免開缸結構，即在制造廠內完成機組的總裝并整機運輸到現場，現場僅需進行必要的調整找中及外部管道連接工作即可。因此整體快裝機組能顯著減少現場安裝的工作量，縮短安裝工期，因而受到用戶的廣泛歡迎。近年來，全容量給水泵汽輪機逐步替代半容量給水泵汽輪機，成為新建燃煤電站的主流選擇。對于同等功率的燃煤電站來說，全容量給水泵汽輪機的功率、體積、重量是半容量給水泵汽輪機的2倍甚至更多，百萬等級燃煤電站所配全容量給水泵汽輪機，外形尺寸更大，整機重量超過100 t，整體快裝結構的設計難度更大。

2 整體快裝設計

百萬等級100%容量給水泵汽輪機為單缸、單軸、下排汽機組，前軸承箱、排汽缸、后軸承箱、主汽閥支撐在基架上，整體外形如圖1所示。

圖1 百萬等級100%容量給水泵汽輪機整體外形

從圖1可以看出整體快裝設計的關鍵在于整體基架設計，以及在運輸過程中保證整個機組動靜間隙和位置不發生變化，從而保證整個機組內部狀態與廠內總裝一致。

3 整體基架設計

整體快裝機組的顯著特點就是有1個整體基架，相關部套支撐在基架上面，該基架既是廠內的總裝臺位，也是現場運行的基座。除此之外，整體基架還須起到整體起吊和運輸的作用，因此整體機架是整體快裝機組的設計關鍵。

3.1 基架支撐與滑銷系統設計

整體基架設計如圖2所示。排汽缸支撐在4所示位置，排汽缸支撐臺板底面與基架支撐面直接接觸。前軸承箱支撐在2所示位置，下部有調整墊板，通過配準墊板的厚度來調整軸承箱標高，保證軸承箱與汽缸同心。墊板上鑲嵌密集的石墨塊，提供自潤滑保證前箱滑動順暢。后軸承箱支撐在7所示位置，底部同樣設置墊板以便調整后軸承箱與汽缸同心。6所示位置為排汽中心線與機組中心的交匯點，也是機組的絕對死點，通過橫向鍵5來約束排汽缸的膨脹死點，并通過縱向鍵3來確保前箱的膨脹與中心一致。

圖2 百萬全容量給水泵汽輪機整體基架

3.2 基架靜支撐分析

要保證整體快裝機組平穩安全運行，整體基架的強度剛度須滿足要求。采用有限元分析軟件ANSYS對該基架進行分析，對各個接觸面施加力作用載荷，見表1，對基架底面施加固定約束。

表1 基架各個接觸面力載荷

分析結果如圖3所示：基架最大等效應力為9.2 MPa，該值遠小于基架材料Q235-B許用應力，強度符合要求。基架最大變形下沉量為0.036 mm，顯然，這一變形量不會對機組的安全運行造成影響，對應基架前后軸承箱支撐靜剛度為8.15×1010N/m與2.35×1010N/m，該剛度值遠大于軸承座支撐剛度，對轉子穩定運行影響甚微[1]。

圖3 整體基架靜支撐分析結果

3.3 基架動態特性分析

為保證基架不與其相應設備發生共振，須對基架進行模態計算，得到其固有頻率。在ANSYS中對百萬全容量給水泵汽輪機整體基架進行模態分析計算，對支撐底面施加固定約束，得到前6階固有頻率，見表2，前2階模態振型如圖4所示。該機組運行轉速為2 800～5 200 r/min，對應工作頻率為46～87 Hz，基架的1階固有頻率為148．38 Hz，與機組最高工作頻率有足夠的避開率，不會影響機組安全運行。

表2 整機基架前6階固有頻率

圖4 整體基架前兩階模態振型

3.4 基架起吊分析

整體快裝機組通常通過基架進行整機的吊裝發貨，因此基架必須具備足夠的強度和剛度滿足整機起吊。百萬全容量給水泵汽輪機排汽缸橫向尺寸較大，且整機重量近100 t，若在基架4個角采用四點起吊方式，基架勢必會發生較大變形。因此該整體基架起吊采用了六點起吊的方案，前2個吊點位于基架前部中間位置，后4個吊點位于基架尾側呈分散布置。在ANSYS中對起吊過程進行模擬分析，邊界條件設置：對各個接觸面施加參與起吊部件的重力載荷，對各個吊點施加Compression Only Support約束。起吊分析計算結果如圖5所示。基架的最大等效應力為72．6 MPa，低于基架材料Q235-B許用應力。

圖5 整體基架起吊分析結果

4 通流復查措施

汽輪機安全運行的重要保證是通流間隙符合設計要求，整體快裝機組在廠內蓋缸后現場不再開缸，所有的缸內通流間隙值沒有辦法在現場復查，汽輪機運行前必須有相應的特殊設計以便現場復查通流。

4.1 動靜軸向定位復查

百萬全容量給水泵汽輪機在設計中考慮在前后轉子端面上各設置一凸臺，與汽缸端面配合，將2個部件之間的距離即為本機組動靜軸向相對位置，從而將現場測量的數值與廠內總裝數值進行對比，若偏差量在允許值以內，即可認為轉子中心沒有發生變化，徑向通流間隙合格。

4.2 動靜徑向定位復查

汽輪機動靜徑向定位的實質是轉子中心與靜子中心是否一致，現場通過檢測轉子中心是否發生變化，即能推斷內部徑向通流間隙是否發生變化。百萬全容量給水泵汽輪機在前后端部汽封的最外端面設置專用測量洼窩，廠內總裝完成后，測量左右方向與天地方向的4個間隙值，現場測量的數據與之進行對比，若偏差值在允許范圍內，那么可以認為轉子中心沒有發生變化，徑向通流間隙合格。

5 運輸固定設計

對于汽輪機轉子來說，轉子推力盤與推力軸承間具有推力軸承間隙，軸頸與支持軸承間具有徑向間隙，轉子在運輸過程中完全可能發生前后的串動以及轉動。另外前軸承箱留有前后膨脹滑動的自由度，排汽缸留有左右膨脹的自由度，這些結構都可能造成在運輸過程中汽輪機部套發生位移。因此整體運輸的汽輪機組，必須設置轉子及靜子部套的固定結構，以避免在運輸中各部件發生相對移動。

5.1 轉子固定

轉子固定結構如圖6所示，角鋼固定在后軸承箱伸出鋼板上，在角鋼上焊接固定裝置，固定裝置底部帶有法蘭，通過螺栓將固定裝置與轉子端部的螺孔把接。通過擰緊螺栓，將轉子拉至轉子推力盤與推力軸承工作瓦貼緊的狀態，實現轉子軸向固定。法蘭整圈布置6處螺栓，其共同作用實現轉子轉動自由度的固定。

圖6 轉子固定結構

5.2 排汽缸固定

排汽缸固定結構如圖7所示，在排汽缸的4個角，分別布置8處搭子，搭子與基架焊為一體。在各個搭子上加工M42螺孔，采用螺栓通過螺孔將排汽缸頂緊，4個角落8處螺栓共同頂緊，實現排汽缸相對于基架的固定。

圖7 排汽缸固定結構

6 結束語

百萬等級100%容量給水泵汽輪機的整體快裝設計，關鍵在于整體基架的設計以及在運輸過程中保證整個機組動靜間隙和位置不發生變化。文中提及的設計方法與思路，經實踐證明是安全合理的。整體快裝結構能有效縮短現場安裝周期，提高機組安裝質量，具有廣泛的市場空間，特別是海外市場，因此研究中小型機組整體快裝設計具有重要的現實意義，本文也為工業汽輪機整體快裝設計指明了研究方向。