百萬等級100%容量給水泵汽輪機整體快裝設(shè)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(shè)計為免開缸結(jié)構(gòu)，即在制造廠內(nèi)完成機組的總裝并整機運輸?shù)浆F(xiàn)場，現(xiàn)場僅需進行必要的調(diào)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(xiàn)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(jié)構(gòu)的設(shè)計難度更大。

2 整體快裝設(shè)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(shè)計的關(guān)鍵在于整體基架設(shè)計，以及在運輸過程中保證整個機組動靜間隙和位置不發(fā)生變化，從而保證整個機組內(nèi)部狀態(tài)與廠內(nèi)總裝一致。

3 整體基架設(shè)計

整體快裝機組的顯著特點就是有1個整體基架，相關(guān)部套支撐在基架上面，該基架既是廠內(nèi)的總裝臺位，也是現(xiàn)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?shù)淖饔?，因此整體機架是整體快裝機組的設(shè)計關(guān)鍵。

3.1 基架支撐與滑銷系統(tǒng)設(shè)計

整體基架設(shè)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(diào)整墊板，通過配準墊板的厚度來調(diào)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(shè)置墊板以便調(diào)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(wěn)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(jié)果如圖3所示：基架最大等效應(yīng)力為9.2 MPa，該值遠小于基架材料Q235-B許用應(yīng)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(yīng)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(zhuǎn)子穩(wěn)定運行影響甚微[1]。

圖3 整體基架靜支撐分析結(jié)果

3.3 基架動態(tài)特性分析

為保證基架不與其相應(yīng)設(shè)備發(fā)生共振，須對基架進行模態(tài)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(tài)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(tài)振型如圖4所示。該機組運行轉(zhuǎn)速為2 800～5 200 r/min，對應(yīng)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(tài)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(fā)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(fā)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(cè)呈分散布置。在ANSYS中對起吊過程進行模擬分析，邊界條件設(shè)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(jié)果如圖5所示。基架的最大等效應(yīng)力為72．6 MPa，低于基架材料Q235-B許用應(yīng)力。

圖5 整體基架起吊分析結(jié)果

4 通流復(fù)查措施

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

4.1 動靜軸向定位復(fù)查

百萬全容量給水泵汽輪機在設(shè)計中考慮在前后轉(zhuǎn)子端面上各設(shè)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(xiàn)場測量的數(shù)值與廠內(nèi)總裝數(shù)值進行對比，若偏差量在允許值以內(nèi)，即可認為轉(zhuǎn)子中心沒有發(fā)生變化，徑向通流間隙合格。

4.2 動靜徑向定位復(fù)查

汽輪機動靜徑向定位的實質(zhì)是轉(zhuǎn)子中心與靜子中心是否一致，現(xiàn)場通過檢測轉(zhuǎn)子中心是否發(fā)生變化，即能推斷內(nèi)部徑向通流間隙是否發(fā)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(shè)置專用測量洼窩，廠內(nèi)總裝完成后，測量左右方向與天地方向的4個間隙值，現(xiàn)場測量的數(shù)據(jù)與之進行對比，若偏差值在允許范圍內(nèi)，那么可以認為轉(zhuǎn)子中心沒有發(fā)生變化，徑向通流間隙合格。

5 運輸固定設(shè)計

對于汽輪機轉(zhuǎn)子來說，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子在運輸過程中完全可能發(fā)生前后的串動以及轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)都可能造成在運輸過程中汽輪機部套發(fā)生位移。因此整體運輸?shù)钠啓C組，必須設(shè)置轉(zhuǎn)子及靜子部套的固定結(jié)構(gòu)，以避免在運輸中各部件發(fā)生相對移動。

5.1 轉(zhuǎn)子固定

轉(zhuǎn)子固定結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)子端部的螺孔把接。通過擰緊螺栓，將轉(zhuǎn)子拉至轉(zhuǎn)子推力盤與推力軸承工作瓦貼緊的狀態(tài)，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子軸向固定。法蘭整圈布置6處螺栓，其共同作用實現(xiàn)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動自由度的固定。

圖6 轉(zhuǎn)子固定結(jié)構(gòu)

5.2 排汽缸固定

排汽缸固定結(jié)構(gòu)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(xiàn)排汽缸相對于基架的固定。

圖7 排汽缸固定結(jié)構(gòu)

6 結(jié)束語

百萬等級100%容量給水泵汽輪機的整體快裝設(shè)計，關(guān)鍵在于整體基架的設(shè)計以及在運輸過程中保證整個機組動靜間隙和位置不發(fā)生變化。文中提及的設(shè)計方法與思路，經(jīng)實踐證明是安全合理的。整體快裝結(jié)構(gòu)能有效縮短現(xiàn)場安裝周期，提高機組安裝質(zhì)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(shè)計具有重要的現(xiàn)實意義，本文也為工業(yè)汽輪機整體快裝設(shè)計指明了研究方向。