垃圾發(fā)電汽輪機(jī)的設(shè)計特點

□ 張 柯

上海汽輪機(jī)廠有限公司 上海 200240

1 設(shè)計背景

隨著國家經(jīng)濟(jì)的長期健康發(fā)展和環(huán)境保護(hù)工作的大力開展,生活垃圾處理的壓力逐漸增大。截至2020年,我國城市生活垃圾產(chǎn)量達(dá)到3.23億t,并且呈逐年增長趨勢。

垃圾發(fā)電作為處理生活垃圾的有效措施得到廣泛應(yīng)用。近年來,光大集團(tuán)、深能環(huán)保公司、康恒環(huán)境等企業(yè)均投入研究垃圾發(fā)電項目,垃圾發(fā)電市場潛力巨大。

作為國內(nèi)主要的汽輪機(jī)生產(chǎn)廠家,上海汽輪機(jī)廠有限公司已經(jīng)在垃圾發(fā)電領(lǐng)域開發(fā)了一系列垃圾發(fā)電汽輪機(jī)組。筆者著重介紹垃圾發(fā)電汽輪機(jī)的設(shè)計特點。

2 整體結(jié)構(gòu)

根據(jù)不同的進(jìn)汽參數(shù)條件,垃圾發(fā)電汽輪機(jī)具有多種結(jié)構(gòu)可供選擇。筆者著重介紹的垃圾發(fā)電汽輪機(jī)整體結(jié)構(gòu)方案為前軸承座、前汽缸及排汽缸。該機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊,采用運輸支架整體總裝發(fā)運,便于現(xiàn)場安裝就位。垃圾發(fā)電汽輪機(jī)本體選用了成熟的汽缸結(jié)構(gòu)、閥門結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)級動葉及末級長葉片等。該機(jī)已在垃圾發(fā)電領(lǐng)域獲得大量訂單,并在多臺已運行機(jī)組中得到驗證,能有效保證機(jī)組結(jié)構(gòu)的成熟性與可靠性。

目前,垃圾發(fā)電汽輪機(jī)項目的主要業(yè)績信息見表1,該機(jī)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示,三維模型如圖2所示。

表1 垃圾發(fā)電汽輪機(jī)項目主要業(yè)績信息

3 設(shè)計特點

垃圾發(fā)電汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)方案的確定對于整機(jī)設(shè)計意義重大。垃圾發(fā)電汽輪機(jī)設(shè)計為前軸承座、前汽缸、排汽缸及落地后軸承座型式,各結(jié)構(gòu)部件的確定需要驗證滑銷系統(tǒng)、軸系、汽缸、配汽機(jī)構(gòu)、通流及排汽結(jié)構(gòu)等。

3.1 配汽結(jié)構(gòu)

垃圾發(fā)電汽輪機(jī)采用具有優(yōu)良變工況特性的噴嘴+調(diào)節(jié)級動葉結(jié)構(gòu)型式,滿足實際運行時不同工況的需求。不同負(fù)荷工況對調(diào)節(jié)級動葉受力會產(chǎn)生很大影響,需要對動靜強(qiáng)度進(jìn)行校核計算。鉚接圍帶調(diào)節(jié)級動葉結(jié)構(gòu)如圖3所示,設(shè)計計算如下。

圖1 垃圾發(fā)電汽輪機(jī)整體結(jié)構(gòu)

圖2 垃圾發(fā)電汽輪機(jī)三維模型

動葉靜強(qiáng)度計算:

σCF≤σyield/K1

(1)

σTOTAL≤σyield/K2

(2)

σCF≤σcreep/K3

(3)

σTOTAL≤σcreep/K4

(4)

圖3 鉚接圍帶調(diào)節(jié)級動葉結(jié)構(gòu)

式中:σCF為動葉離心應(yīng)力;σyield為屈服強(qiáng)度;σTOTAL為動葉合成應(yīng)力;σcreep為蠕變強(qiáng)度;K1、K2、K3、K4為葉片不同運行環(huán)境下的安全因數(shù)。

當(dāng)離心應(yīng)力和合成應(yīng)力結(jié)果小于對應(yīng)許用應(yīng)力時,葉片靜強(qiáng)度考核合格。

動葉振動強(qiáng)度計算:

Δf=(Ft-Fr)/Ft

(5)

σSL=aσSB

(6)

式中:Δf為頻率余量;Ft為動葉固有頻率;Fr為動葉衰減頻率;σSL為沖擊應(yīng)力;σSB為蒸汽彎應(yīng)力;a為放大因子。

當(dāng)頻率余量大于30%小于50%,沖擊應(yīng)力小于20.68 MPa時,或當(dāng)頻率余量大于50%,沖擊應(yīng)力小于27.58 MPa時,動葉振動強(qiáng)度考核合格。

垃圾發(fā)電汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級動葉強(qiáng)變校核見表2。

表2 垃圾發(fā)電汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級動葉強(qiáng)度校核

3.2 軸系設(shè)計

垃圾發(fā)電汽輪機(jī)軸系采用前后軸承支撐轉(zhuǎn)子的雙支撐布置方式,軸系的設(shè)計通過對轉(zhuǎn)子、軸承及軸承座的結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行驗證,確保機(jī)組良好的振動特性。軸系計算應(yīng)用傳遞矩陣法,核算轉(zhuǎn)子各階臨界轉(zhuǎn)速,以滿足避開率的要求。軸系計算流程如圖4所示。垃圾發(fā)電汽輪機(jī)軸承結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)見表3,軸承計算結(jié)果見表4。

圖4 軸系計算流程

根據(jù)垃圾發(fā)電汽輪機(jī)軸系計算得到機(jī)組臨界轉(zhuǎn)速,通過一階、二階臨界轉(zhuǎn)速結(jié)果與額定轉(zhuǎn)速對比,轉(zhuǎn)速避開率滿足避開工作轉(zhuǎn)速的±10%,可滿足機(jī)組振動運行要求。

表3 垃圾發(fā)電汽輪機(jī)軸承結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)

表4 垃圾發(fā)電汽輪機(jī)軸系計算結(jié)果

3.3 排汽結(jié)構(gòu)

垃圾發(fā)電汽輪機(jī)排汽結(jié)構(gòu)采用成熟的向下排汽及軸向排汽技術(shù)。排汽結(jié)構(gòu)包含排汽缸及末級葉片,設(shè)計時根據(jù)排汽參數(shù)和排汽流量確定,使得末級葉片和排汽缸達(dá)到匹配。應(yīng)用了垃圾發(fā)電汽輪機(jī)的系列化變轉(zhuǎn)速末級葉片及對應(yīng)排汽缸。垃圾發(fā)電汽輪機(jī)末級葉片及排汽缸結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)見表5。375 mm葉片結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)見表6,葉片型式為自帶圍帶、凸臺,整圈自鎖。

表5 垃圾發(fā)電汽輪機(jī)末級葉片及排汽缸結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)

表6 375 mm葉片結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)

375 mm葉片作為上汽廠開發(fā)設(shè)計的葉片之一,是基于500 mm葉片,根據(jù)相似原理模塊化設(shè)計而來,性能穩(wěn)定可靠,在垃圾發(fā)電汽輪機(jī)中得到廣泛應(yīng)用。具體葉片設(shè)計計算過程為,對葉片葉根進(jìn)行選型計算,然后根據(jù)有限元軟件、1516工程程序進(jìn)行計算。

375 mm葉片葉根設(shè)計計算:

δ/A=[2(r-L)π/N-F]/A

(7)

式中:N為葉片數(shù)。

葉根部位各數(shù)據(jù)如圖5所示。葉根設(shè)計計算的δ/A值應(yīng)不小于1.1,不大于1.4。375 mm葉片δ/A計算值為1.327,滿足設(shè)計要求。

圖5 葉根部位各數(shù)據(jù)

375 mm葉片結(jié)構(gòu)模型如圖6所示,包括單個葉片及與葉片相接觸的對應(yīng)扇形區(qū)輪緣部分,葉片材料數(shù)據(jù)見表7。375 mm葉片網(wǎng)格劃分如圖7所示,應(yīng)力單元類型為C3D8I、頻率單元類型為C3D8R。大部分區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化的六面體或五面體網(wǎng)格劃分,中間體部分采用四面體網(wǎng)格劃分,可提高計算效率和精度。葉片圍帶、拉筋和輪緣采用循環(huán)對稱約束,輪緣底面全約束,采用Abaqus有限元分析軟件計算。375 mm和500 mm葉片坎貝爾圖分別如圖8、圖9所示。其中圖9采用Abaqus軟件、1516工程程序和高校教師對葉片坎貝爾圖的計算結(jié)果,375 mm葉片計算結(jié)果與500 mm計算結(jié)果進(jìn)行對比,確認(rèn)計算的準(zhǔn)確性。對比圖8和圖9可以發(fā)現(xiàn),共振點分布均在4和5節(jié)徑范圍內(nèi),設(shè)計開發(fā)的375 mm葉片頻率滿足避開要求。

表7 375 mm葉片材料數(shù)據(jù)

圖6 375 mm葉片結(jié)構(gòu)模型

圖7 375 mm葉片網(wǎng)格劃分

圖8 375 mm葉片坎貝爾圖

3.4 低壓葉片水蝕

機(jī)組運行過程中低壓排汽側(cè)蒸汽攜帶的水滴撞擊低壓動葉,從而導(dǎo)致動葉表面破壞和材料磨損。垃圾發(fā)電汽輪機(jī)采取防水蝕措施并通過侵蝕指數(shù)評估效果。

圖9 500 mm葉片坎貝爾圖

侵蝕指數(shù)計算:

E=(1-x)2(Dan/50)3/p

(8)

式中:E為侵蝕指數(shù);Da為葉頂直徑;n為轉(zhuǎn)速;p為級前靜壓;x為級前蒸汽含量。

某機(jī)組末級葉片侵蝕指數(shù)計算數(shù)據(jù)見表8。侵蝕指數(shù)的計算可以為防水蝕措施提供依據(jù)。目前采取的防水蝕措施有級間去濕、動葉進(jìn)汽邊硬化、空心靜葉內(nèi)弧側(cè)開槽、空心靜葉加熱等。動葉進(jìn)汽邊硬化和空心靜葉模型分別如圖10、圖11所示。

表8 葉片末極侵蝕指數(shù)計算數(shù)據(jù)

圖10 動葉進(jìn)汽邊硬化

圖11 空心靜葉模型

4 結(jié)束語

筆者對上海汽輪機(jī)廠有限公司新研發(fā)的垃圾發(fā)電汽輪機(jī)的主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹,分別從配汽結(jié)構(gòu)、軸系設(shè)計、排汽結(jié)構(gòu)及低壓葉片水蝕入手,通過對各方面的設(shè)計計算驗證來深入剖析機(jī)組結(jié)構(gòu)特點。配汽結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)級結(jié)構(gòu)設(shè)計、軸系計算、排汽結(jié)構(gòu)末葉片開發(fā)、末級葉片水蝕防護(hù)的成熟性得到充分驗證?？傮w而言,所研發(fā)的垃圾發(fā)電汽輪機(jī)具有較高的安全性、經(jīng)濟(jì)性與可維護(hù)性。