某重型燃氣輪機渦輪部件結(jié)構(gòu)設計分析

楊養(yǎng)花，李守秋，李 鑫

（沈陽發(fā)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(shù)在國內(nèi)是首創(chuàng)或最先進的，難度大，技術(shù)含量高，所獲得的成果為研制和發(fā)展其它類重型燃氣輪機奠定了技術(shù)基礎。另外，該重型燃機的渦輪進口溫度不低于某些航空發(fā)動機的，其長壽命及耐腐蝕等技術(shù)特點也適用于航空發(fā)動機設計。

本文分析了該重型燃機渦輪的結(jié)構(gòu)設計特點及其構(gòu)件的組裝連接特性。

2 基本結(jié)構(gòu)和性能

該重型燃機是由1臺單軸、雙支點3軸承、簡單循環(huán)、前輸出系統(tǒng)組成的工業(yè)用發(fā)電燃氣輪機,在基本負荷狀態(tài)和尖峰負荷調(diào)峰狀態(tài)下單獨供電或熱電聯(lián)供。

該重型燃機的主要性能指標如下：設計轉(zhuǎn)速為3000 r/min，標準狀態(tài)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(jié)構(gòu)參數(shù)，質(zhì)量為60 t，機匣總長為5828.5 mm，轉(zhuǎn)子總長為5381.1 mm，最大直徑為3700 mm。

圖1 渦輪結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)設計分析

3.1 冷卻葉片內(nèi)腔結(jié)構(gòu)

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(huán)境不同、結(jié)構(gòu)和強度要求不同，選用的冷卻方式和內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)也有差異；但有1個共同點：內(nèi)腔表面沿葉高設有不同結(jié)構(gòu)形式數(shù)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(nèi)部形成密布的迷宮式結(jié)構(gòu)，冷卻氣進入葉片內(nèi)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(nèi)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(jié)構(gòu)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(nèi)腔結(jié)構(gòu)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(nèi)腔型芯結(jié)構(gòu)如圖2所示）。

圖2 葉片內(nèi)腔型芯結(jié)構(gòu)

3.2 I級渦輪葉尖間隙控制結(jié)構(gòu)

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

圖3 Ⅰ級渦輪葉尖間隙控制結(jié)構(gòu)

3.3 整體蜂窩外環(huán)結(jié)構(gòu)

該重型燃機第I～IV級外環(huán)蜂窩、第II～IV級級間隔板內(nèi)環(huán)蜂窩都是在鑄件機體內(nèi)表面直接焊接、由電脈沖加工出來的整環(huán)蜂窩結(jié)構(gòu)，如圖4所示。蜂窩的規(guī)格為：內(nèi)孔3 mm×3 mm，孔深4 mm，蜂窩間壁厚0.2～0.4 mm。此類蜂窩結(jié)構(gòu)在國內(nèi)屬首次設計和生產(chǎn)，目前大多采用焊接結(jié)構(gòu)的蜂窩外環(huán),受焊料熔化溫度（通常不高于1100℃）的限制，主要應用在環(huán)境溫度低于800℃的航機上。整體蜂窩外環(huán)結(jié)構(gòu)與焊接結(jié)構(gòu)的蜂窩相比,其優(yōu)點是可以避免發(fā)生高溫脫焊故障，并提高結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)

3.4 后支承環(huán)結(jié)構(gòu)

渦輪后承力框架是發(fā)動機的主要承力和傳力件，又處在高溫區(qū)，所以該結(jié)構(gòu)設計是發(fā)動機設計的重點和難點之一。使用經(jīng)驗表明：焊接結(jié)構(gòu)的后承力環(huán)內(nèi)應力大，熱變形協(xié)調(diào)性差，易出現(xiàn)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(huán)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(huán)結(jié)構(gòu)組成。后支承環(huán)組件（如圖5所示）從外氣缸到內(nèi)依次由后氣缸、12個支柱、后承力環(huán)和軸承座等組成。后氣缸為環(huán)鍛件，支柱為鑄造件，后承力環(huán)是環(huán)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(xié)調(diào)熱變形，進行熱補償。

圖5 后承力環(huán)組件

軸承座與后承力環(huán)、后承力環(huán)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(nèi)表面，并用螺釘拉緊。安裝時，首先用工藝螺栓把后承力環(huán)與支柱連接來試裝，根據(jù)后氣缸內(nèi)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(huán)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(huán)組件上各零件承載均勻。

3.5 渦輪靜子葉片緣板結(jié)構(gòu)

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(jié)構(gòu)上，要求組裝成整環(huán)導向器，此時相鄰緣板之間流道應光滑、無突起，整環(huán)葉片緣板前、后端面齊平無鋸齒。

該重型燃機靜葉2側(cè)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(cè)面是垂直于水平面的，且不過圓心；當將葉片向左旋轉(zhuǎn)1個分布角后，右側(cè)面重合于左側(cè)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(huán)導向器時，上、下緣板的側(cè)向間隙是相同的，不會出現(xiàn)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(zhuǎn)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(cè)面的側(cè)向視圖。

3.6 動葉片伸根結(jié)構(gòu)

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(zhì)量大，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時所產(chǎn)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(zhì)量，又改善了離心力特性。

3.7 平衡塊結(jié)構(gòu)

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(huán)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(huán)塊，將盤、軸平衡好后，將定位板打彎，進入鎖緊槽內(nèi)。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(huán)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(nèi)，然后將鎖板插入葉片上的槽內(nèi)；“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(jié)構(gòu)安裝方便，定位可靠。

圖7 動葉片鎖緊

3.7.3 轉(zhuǎn)子封嚴篦齒設計

封嚴篦齒在使用中易磨損，影響轉(zhuǎn)、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(huán)形槽；封嚴篦齒設計成環(huán)形扇塊，插進環(huán)形槽內(nèi)。為了保證結(jié)合緊密，首先將環(huán)形篦齒扇塊加工成整環(huán)，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(huán)形槽上下緊密結(jié)合,以免轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子與靜子磨擦“讓刀”，引起發(fā)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(nèi)，起到周向鎖緊的作用(如圖8所示)。

4 結(jié)束語

圖8 轉(zhuǎn)子上螺釘鎖緊

該重型燃機用于發(fā)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(huán)設計解決了目前釬焊蜂窩的脫焊問題，同時在高溫區(qū)，可以用整體蜂窩外環(huán)替換目前的氧化鋯涂層外環(huán)。整個渦輪部件設計體現(xiàn)了周密協(xié)調(diào)性，其不足之處可用工藝手段輔助解決。

[1]楊養(yǎng)花，付依順，劉志江.大涵道比渦扇發(fā)動機渦輪結(jié)構(gòu)設計關鍵技術(shù)分析[J].航空發(fā)動機,2009,35(3).