某重型燃氣輪機渦輪部件結構設計分析

楊養花，李守秋，李 鑫

（沈陽發動機設計研究所，沈陽 110015）

1 引言

某重型燃氣輪機設計所采用的許多技術在國內是首創或最先進的，難度大，技術含量高，所獲得的成果為研制和發展其它類重型燃氣輪機奠定了技術基礎。另外，該重型燃機的渦輪進口溫度不低于某些航空發動機的，其長壽命及耐腐蝕等技術特點也適用于航空發動機設計。

本文分析了該重型燃機渦輪的結構設計特點及其構件的組裝連接特性。

2 基本結構和性能

該重型燃機是由1臺單軸、雙支點3軸承、簡單循環、前輸出系統組成的工業用發電燃氣輪機,在基本負荷狀態和尖峰負荷調峰狀態下單獨供電或熱電聯供。

該重型燃機的主要性能指標如下：設計轉速為3000 r/min，標準狀態下額定負荷為114.5 MW，渦輪前溫度為1210℃,總壽命為10萬h；主要結構參數，質量為60 t，機匣總長為5828.5 mm，轉子總長為5381.1 mm，最大直徑為3700 mm。

圖1 渦輪結構轉子

其渦輪共4級，如圖1所示。由1～4級盤、第1級吊掛盤、第4級吊掛盤、I～IV級動葉片等組成，利用緊度螺栓的剛性與壓氣機轉子固定在一起；靜子由I～IV級導向器和后承力框架組成。

3 部件結構設計分析

3.1 冷卻葉片內腔結構

渦輪的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級靜葉及Ⅰ、Ⅱ級動葉為氣冷葉片。因為各級氣冷葉片所處環境不同、結構和強度要求不同，選用的冷卻方式和內部冷卻結構也有差異；但有1個共同點：內腔表面沿葉高設有不同結構形式數列和不同方向的“矩陣形”肋,而且葉盆和葉背的肋是相互交錯的，使葉片內部形成密布的迷宮式結構，冷卻氣進入葉片內腔后，迂回而行，沿著設計給定的冷卻流路進入每1個腔室。在相鄰的2肋間另開有柱狀的渦槽，使冷氣形成局部渦流，以進一步加強冷卻效果。這種葉盆、葉背內表面交錯肋設置,不僅冷卻效果好，而且與目前的空心葉片相比，大大增強了葉身的剛性，特別適用于動力渦輪和結構尺寸較大（長100mm以上）的燃氣輪機渦輪冷卻葉片，對較小冷卻葉片的內腔結構設計也有一定參考價值。其缺點是型芯復雜，脫芯較困難（葉片內腔型芯結構如圖2所示）。

圖2 葉片內腔型芯結構

3.2 I級渦輪葉尖間隙控制結構

I級渦輪葉尖間隙控制是渦輪設計的難點和重點。由于渦輪工作溫度高，難以保證在各種狀態下均保持最佳的葉尖間隙，而其葉尖間隙大小直接影響渦輪效率，過大的葉尖間隙會使渦輪效率大大降低。

在設計該重型燃機時，從結構和冷卻2方面考慮了葉尖間隙控制結構設計問題（如圖3所示）。將帶“螺旋型”冷卻槽的外環體前安裝邊用螺栓固定在承力氣缸上，將帶蜂窩外環扇塊裝配在外環殼體內；1個厚12.5 mm的外環罩套在外環殼體外部，主要用于保證靜子外環系統有足夠的熱容量,同時也起隔熱作用,在發動機狀態變化時保障轉、靜子件熱伸長的協動性和一致性。在外環罩和外環殼體間通有經水冷器循環后的冷卻氣體，冷氣經過外環殼體上“螺旋型”的槽和后方的徑向孔后,進入蜂窩外環塊和帶螺旋型冷卻槽的外環殼體之間被冷卻。

圖3 Ⅰ級渦輪葉尖間隙控制結構

3.3 整體蜂窩外環結構

該重型燃機第I～IV級外環蜂窩、第II～IV級級間隔板內環蜂窩都是在鑄件機體內表面直接焊接、由電脈沖加工出來的整環蜂窩結構，如圖4所示。蜂窩的規格為：內孔3 mm×3 mm，孔深4 mm，蜂窩間壁厚0.2～0.4 mm。此類蜂窩結構在國內屬首次設計和生產，目前大多采用焊接結構的蜂窩外環,受焊料熔化溫度（通常不高于1100℃）的限制，主要應用在環境溫度低于800℃的航機上。整體蜂窩外環結構與焊接結構的蜂窩相比,其優點是可以避免發生高溫脫焊故障，并提高結構可靠性，可將壽命延長到幾萬小時；其缺點是加工難度大，在電極接刀處蜂窩錯位，難以保證電極磨損后的齒形。

圖4 蜂窩結構

3.4 后支承環結構

渦輪后承力框架是發動機的主要承力和傳力件，又處在高溫區，所以該結構設計是發動機設計的重點和難點之一。使用經驗表明：焊接結構的后承力環內應力大，熱變形協調性差，易出現裂紋。從設計和安裝2方面來解決這些問題。

在設計時,后支承環組件主要由鑄造的12個支柱和具有“C”型彈性截面的后承力環結構組成。后支承環組件（如圖5所示）從外氣缸到內依次由后氣缸、12個支柱、后承力環和軸承座等組成。后氣缸為環鍛件，支柱為鑄造件，后承力環是環鍛件，且特意設計成“C”型彈性截面，能夠在滿足后支點剛度要求的同時,有效地協調熱變形，進行熱補償。

圖5 后承力環組件

軸承座與后承力環、后承力環與支柱之間都用螺栓連接，支柱的頂部端面“零”間隙貼緊后氣缸內表面，并用螺釘拉緊。安裝時，首先用工藝螺栓把后承力環與支柱連接來試裝，根據后氣缸內表面（與支柱配合處）的實際尺寸，對支柱頂部端面進行加工完，再裝上后氣缸，擰緊頂部螺釘；然后，加工后承力環與支柱的連接螺栓孔，裝上螺栓擰緊。這種加工和安裝方法能很好地保證各支柱受力均勻和后支承環組件上各零件承載均勻。

3.5 渦輪靜子葉片緣板結構

在進行渦輪靜子葉片緣板設計時，,除了應合理地將葉身的頂、根葉型包容在里面以外，在結構上，要求組裝成整環導向器，此時相鄰緣板之間流道應光滑、無突起，整環葉片緣板前、后端面齊平無鋸齒。

該重型燃機靜葉2側面的設計思想是：當葉片置于正上方（積疊軸豎直方向）時，左側面是垂直于水平面的，且不過圓心；當將葉片向左旋轉1個分布角后，右側面重合于左側面的位置。與目前的設計方法比較，利用該方法設計的葉片安裝成整環導向器時，上、下緣板的側向間隙是相同的，不會出現上大下小的情況，設計時無需考慮二面角計算和一些復雜的尺寸轉換計算，圖紙所示尺寸為一次性尺寸，故設計誤差小，視圖清晰簡單，減少了人為的累積誤差。同時，按這種設計方法，在圖紙設計上減少了1個沿2側面的側向視圖。

3.6 動葉片伸根結構

以往設計的動葉片伸根段（即從下緣板下方到榫頭的過渡）都是矩形塊，質量大，轉子旋轉時所產生的很大的離心力作用在葉片和盤的榫齒上。

該重型燃機工作葉片伸根段采用葉身下沿的型面過渡，這樣既減輕了質量，又改善了離心力特性。

3.7 平衡塊結構

3.7.1 平衡塊設計與安裝

在盤或軸頸上設計了1個放置平衡塊的環行槽，翻邊上帶有銷孔，用于放置定位板；平衡塊是設有鎖緊槽的環塊，將盤、軸平衡好后，將定位板打彎，進入鎖緊槽內。如圖6所示。

圖6 平衡塊限位設計及安裝

3.7.2 動葉片鎖緊

在葉片榫頭上開有環行插槽，在盤榫槽端面開有掛耳；鎖板為板料件扇型段，在上面沖有方形“上懸窗扇”（如圖7所示)。安裝時，首先將葉片插進盤的榫槽內，然后將鎖板插入葉片上的槽內；“上懸窗扇”穿過盤上的掛耳后，緊貼盤和葉片端面，最后將“上懸窗扇”(排圖時標注)向緊貼盤和葉片端面方向彎曲，鎖緊葉片。這種結構安裝方便，定位可靠。

圖7 動葉片鎖緊

3.7.3 轉子封嚴篦齒設計

封嚴篦齒在使用中易磨損，影響轉、靜子間間隙，因此希望將其設計成容易更換的。在該重型燃機設計中考慮了這種因素，在盤伸臂上開有環形槽；封嚴篦齒設計成環形扇塊，插進環形槽內。為了保證結合緊密，首先將環形篦齒扇塊加工成整環，其直徑尺寸比槽的尺寸大；然后，切，割成扇形塊，在裝配后，利用徑差及切割變形來保證篦齒扇塊與盤伸臂上的環形槽上下緊密結合,以免轉動的轉子與靜子磨擦“讓刀”，引起發動機振動。

3.7.4 螺釘鎖緊

用D頭螺栓開鎖緊槽,穿鎖絲軸向鎖緊；螺母帶厚度1 mm左右的“鎖緊裙”，擰緊后擠進螺栓上的月牙槽內，起到周向鎖緊的作用(如圖8所示)。

4 結束語

圖8 轉子上螺釘鎖緊

該重型燃機用于發電，對可靠性和壽命的要求較高,一般零件應滿足25000 h的大修要求。從上面的敘述中可以看出，在保證滿足其它要求的條件下，冷卻葉片設計主要從加強冷卻效果方面考慮提高壽命，其方法比較新穎和獨到。整體蜂窩外環設計解決了目前釬焊蜂窩的脫焊問題，同時在高溫區，可以用整體蜂窩外環替換目前的氧化鋯涂層外環。整個渦輪部件設計體現了周密協調性，其不足之處可用工藝手段輔助解決。

[1]楊養花，付依順，劉志江.大涵道比渦扇發動機渦輪結構設計關鍵技術分析[J].航空發動機,2009,35(3).