多工質高溫高速套裝轉子優(yōu)化設計

于忠斌廖健鑫

（1.海軍裝備部，四川 成都，610000；2.東方電氣集團東方汽輪機有限公司，四川 德陽，618000）

0 引言

氦氣透平為第四代核電釷基熔鹽堆島外閉式循環(huán)的重要設備，熔鹽堆的最大特點是采用溶解在氟化鋰、氟化鈉等氟化鹽中釷的液態(tài)融合物作為燃料，無需專門制作固體燃料組件。與其他類型的反應堆相比，熔鹽堆具有固有的安全性，靈活的燃料循環(huán)特性和采用布雷頓循環(huán)的獨特優(yōu)點。

轉子是透平裝置的關鍵部件，它將工質作用在葉片上的圓周力轉換成旋轉的機械能并通過它帶動發(fā)電機發(fā)出電能。轉子工作時承受著各種復雜的應力，有時還會經受激烈的振動，合理設計轉子結構至關重要。

1 設計參數(shù)

由于氦氣成本較高，因此常規(guī)運行時也要求采用氮氣或空氣進行模擬，因此機組需具備同時能夠運行在氦氣、氮氣、空氣多種工質下的能力。工質不同，各工況所要求的溫度、壓力以及轉速均存在較大差異。詳細設計參數(shù)見表1。

表1 物性參數(shù)

由于空氣和氮氣差別較小，因此將多參數(shù)進行合并，同時校核。而氦氣物性差異較大，為滿足壓比要求，機組在對應工質下需要的轉速也存在較大差異。

經評估，在氦氣工質下，機組膨脹比達到1.09時需要的工作轉速為9 600 r/min，在氮氣空氣工質下，機組的膨脹比達到1.09時需要的工作轉速為4 200 r/min。氦氣工質下溫度為600 K，而氮氣空氣工質下溫度更高，為800 K。同時，多種工況的氣動功率差別較大。

因此，氦氣工況運行時，機組低溫、高速、大功率；氮氣空氣工況運行時，機組高溫、低速、小扭矩。

為確保機組安全運行，需分別對氦氣、氮氣空氣工況進行考慮，確保設備能同時滿足多種不同工況的要求。

2 轉子結構形式

透平轉子常用型式有套裝葉輪轉子、整鍛轉子、焊接轉子和組合轉子。考慮到用戶要求，該項目采用套裝葉輪轉子結構，見圖1。

圖1 轉子套裝結構

該機組氦氣工況為高速低溫，氮氣空氣工況為低速高溫。為確保機組安全穩(wěn)定運行，需分別對氦氣、氮氣空氣不同工況的轉子特性進行校核。

套裝轉子是借助葉輪內孔與主軸之間的過盈配合將葉輪熱套在主軸上，用軸向鍵或徑向鍵來傳遞扭矩。其特點是單件加工方便，制造工藝簡單；主軸、葉輪可采用不同材料；主軸和各級葉輪可分散平行加工，生產周期短；葉輪、主軸等鍛件尺寸小，質量容易保證。但轉子剛性較差，靜撓度較大；輪孔應力大；在高溫下工作時，葉輪和主軸間容易松動，不利于機組快速啟動。因此在使用時需綜合考慮。

3 材料選擇

考慮到轉子溫度梯度及應力差別，主軸和輪盤選取不同材料。轉子材料為合金鋼，輪盤材料為高溫合金。

計算得到的輪緣應力氦氣工況下（～9 600 r/min）為～650 MPa，氮氣空氣工況下（～4 200 r/min）為～450 MPa。該機組多個工況溫度相差較大，材料需同時滿足多個工況的溫度、強度要求。

4 套裝結構

輪盤切向力主要依靠鍵來保證，因此不需要太大的摩擦力來保證切向相對靜止，僅需要保證在工作溫度下輪盤與轉子不脫開。輪盤后設置定位環(huán)，對輪盤軸向進行定位。右側氣封因為質量較小，考慮進行紅套。

該機組氦氣工況時轉速較高，由離心力引起的變形較大，用鍵來保證切向相對靜止，過盈量只需保證在工作轉速下輪盤與轉子不脫開即可，過盈量相對較小。套裝方案見圖2。

圖2 轉子套裝方案

5 計算過程

轉子套裝方案計算流程見圖3。

圖3 計算流程圖

5.1 高溫徑向膨脹計算

機組在氮氣空氣工況下溫度為800 K，輪盤線膨脹系數(shù)差為0.8×10-6/℃，接觸面孔尺寸Φ180 mm。經計算，輪盤與轉子膨脹量半徑差值為0.037 mm。

機組在氦氣工況下溫度為600 K，在該溫度下輪盤與轉子線膨脹系數(shù)差為0.6×10-6/℃。膨脹量半徑差值0.017 mm。

5.2 離心力引起的變形計算

利用商業(yè)軟件Ansys workbench對轉子離心力引起的變形進行計算。使用周期對稱模型，轉子與輪盤過盈量為0時施加氦氣工況轉速，使得轉子與輪盤同步計算，離心力同時引起輪盤與轉子的變形，如圖4所示，經計算得到輪盤與轉子的間隙即可認為是由于離心力引起的多部件變形的差值。

圖4 輪盤與轉子離心力引起變形

由于氮氣空氣工況轉速較低而離心力與轉速平方成正比，因此不對氮氣空氣工況進行計算。

由熱膨脹與離心力引起的變形量可共同確定該轉子初始的過盈量為單邊0.23 mm。可保證在氦氣工況下轉子與輪盤不脫開。

5.3 冷態(tài)應力計算

冷態(tài)為轉子套裝后輪盤與轉子溫度為常溫。該狀態(tài)由于輪盤與轉子過盈量的恢復會在接觸面存在較大的應力。

5.4 氦氣設計工況計算

設置過盈量單邊0.23 mm，轉速9 600 r/min，溫度600 K，同時在葉輪外側施加氦氣工況下氣動扭矩。要求在該工況輪盤與轉子接觸應力（見圖5）不為0，同時，接觸間隙（見圖6）為0，表明輪盤內孔與轉子完全接觸。

圖5 氦氣工況接觸應力

圖6 氦氣工況接觸間隙

因此，可認為氦氣工況計算合格。

5.5 氮氣空氣設計工況計算

設置過盈量單邊0.23 mm，轉速4 200 r/min，溫度800 K，同時在葉輪外側施加氮氣空氣工況下氣動扭矩。要求在該工況輪盤與轉子接觸應力（見圖7）不為0，同時接觸間隙（見圖8）為0表明輪盤內孔與轉子完全接觸。

圖7 氮氣空氣工況接觸應力

圖8 氮氣空氣工況接觸間隙

因此，認為氮氣空氣工況計算合格。

6 結論

機組需同時在氦氣和氮氣空氣工況下運行，為確保機組同時滿足多種不同工況需求，對不同轉速和溫度下的轉子結構、強度、接觸等分別進行論證。經評估，結果滿足設備運行要求。轉子評估過程可作為類似高溫高速多工質透平的轉子評估參考。