燃?xì)廨啓C(jī)排氣裝置葉片結(jié)構(gòu)與制造工藝優(yōu)化*

劉 元 劉松濤

1.嘉興南洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電與交通分院 浙江嘉興 314031

2.浙江內(nèi)曼格機(jī)械制造有限公司 浙江桐鄉(xiāng) 314500

1 優(yōu)化背景

燃?xì)廨啓C(jī)是一種重要的動(dòng)力設(shè)備,廣泛應(yīng)用于電廠及其它大功率動(dòng)力輸出場(chǎng)合,具有極強(qiáng)的適配性,能夠?qū)崿F(xiàn)多種發(fā)電模式,不僅可以作為電網(wǎng)的調(diào)峰機(jī)組,而且更多用于電網(wǎng)的基本負(fù)荷發(fā)電,同時(shí)能滿足日益嚴(yán)格的環(huán)保要求[1-2]。就世界范圍而言,燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電已成為電力結(jié)構(gòu)中的重要組成部分,我國(guó)已成為世界最大的燃?xì)廨啓C(jī)潛在市場(chǎng)。

排氣裝置是燃?xì)廨啓C(jī)的重要輔機(jī)之一,主要功能是引導(dǎo)氣體流向其它設(shè)備,實(shí)現(xiàn)能源再利用,保護(hù)轉(zhuǎn)子軸承在穩(wěn)定的溫度下運(yùn)行[3-4]。轉(zhuǎn)子軸承是燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行的重要部件,造價(jià)昂貴且維修困難。為軸承提供一個(gè)安全穩(wěn)定的運(yùn)行環(huán)境非常重要,既能降低運(yùn)行成本,又能提高燃?xì)廨啓C(jī)的可靠性和安全性。由于電力行業(yè)的特殊性,燃?xì)廨啓C(jī)的計(jì)劃外停機(jī)不僅會(huì)對(duì)電廠自身的經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生影響,而且會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊[5]。特別是在我國(guó),燃?xì)廨啓C(jī)多在用電高峰月份或時(shí)段進(jìn)行調(diào)峰運(yùn)行,此時(shí)停機(jī)很可能造成區(qū)域性停電,進(jìn)而影響人們的生產(chǎn)和生活。在某種程度上,燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組設(shè)備可靠性水平取決于燃?xì)廨啓C(jī)核心技術(shù)的掌握和國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程。

筆者以國(guó)內(nèi)某超臨界重點(diǎn)發(fā)電項(xiàng)目配套燃?xì)廨啓C(jī)輔機(jī)的研制為基礎(chǔ),重點(diǎn)針對(duì)SGT6-5000F排氣裝置的制造關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究,對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)排氣裝置葉片結(jié)構(gòu)與制造工藝進(jìn)行優(yōu)化。

2 排氣裝置結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

排氣裝置是燃?xì)廨啓C(jī)的重要輔機(jī),作用是對(duì)排出的空氣進(jìn)行導(dǎo)向、消聲,引導(dǎo)氣流進(jìn)入余熱鍋爐,有效利用余熱或經(jīng)過(guò)冷卻過(guò)濾排入大氣,保護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行,提高能源利用率。SGT6-5000F排氣裝置直接與燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室相連,運(yùn)行溫度高,氣流沖擊大。轉(zhuǎn)子軸承固定在內(nèi)部,排氣罩必須具備高強(qiáng)度、高耐溫、高穩(wěn)定性,確保空氣流動(dòng)高效,轉(zhuǎn)子運(yùn)行穩(wěn)定。排氣裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要組成部分有排氣罩外殼、排氣罩內(nèi)殼、軸承支撐座、隔熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等。

圖1 排氣裝置結(jié)構(gòu)

排氣罩外殼和排氣罩內(nèi)殼由六個(gè)葉片連接,是排氣裝置的主要支撐結(jié)構(gòu),并組成空氣流動(dòng)通道。

軸承支撐座安裝于排氣罩內(nèi)外殼和葉片之間,主要作用是安裝轉(zhuǎn)子的軸承,以確保轉(zhuǎn)子高速穩(wěn)定運(yùn)行。軸承支撐座如圖2所示。

圖2 軸承支撐座

隔熱系統(tǒng)分為兩個(gè)部分。一個(gè)部分是排氣罩外殼的隔熱,主要作用是防止余熱過(guò)多損耗,提高熱能的利用率。另一個(gè)部分是軸承支撐座六個(gè)葉片的隔熱,主要作用是保護(hù)軸承,控制軸承室的溫度,確保軸承的穩(wěn)定性。

冷卻系統(tǒng)通過(guò)循環(huán)空氣的冷卻,降低軸承室的溫度,為軸承提供適宜的運(yùn)行環(huán)境。

3 排氣裝置葉片結(jié)構(gòu)優(yōu)化

排氣裝置一共有六個(gè)中空葉片,用于安裝軸承支撐座,這是排氣罩內(nèi)外殼唯一的連接件。葉片位于空氣流通通道內(nèi),葉片的設(shè)計(jì)必須滿足結(jié)構(gòu)功能及剛性、強(qiáng)度要求,還必須滿足對(duì)入口氣流流動(dòng)阻礙最小化要求。利用PROE軟件建模,并用ANSYS前處理軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分,以保證復(fù)雜流場(chǎng)的計(jì)算精度。給定邊界條件為入口平均壓力、入口平均溫度、排氣段出口靜壓力,采用CFX軟件對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)前后方案進(jìn)行三維流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算[6-7]。

排氣裝置葉片前端直接面對(duì)渦輪末級(jí)出口來(lái)流的沖擊,該處氣流流速快,損失大,流場(chǎng)分布復(fù)雜,是影響排氣段整體流動(dòng)性能的關(guān)鍵因素。通過(guò)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算和空氣流速等模擬分析,考慮實(shí)際加工生產(chǎn)工藝和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度需求,改變?nèi)~片的弧度,優(yōu)化型線為流線型,葉片結(jié)構(gòu)完全由圓弧和直線段組成,可以減小高速氣流對(duì)葉片的沖擊及流動(dòng)損失,延長(zhǎng)葉片使用壽命,提高排氣段流動(dòng)效率,有效滿足燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)際使用要求。排氣裝置葉片結(jié)構(gòu)型線如圖3所示。

圖3 排氣裝置葉片結(jié)構(gòu)型線

4 排氣裝置制造工藝優(yōu)化

4.1 制造材料

排氣裝置排氣罩主材原計(jì)劃選用厚度為12 mm的347不銹鋼,但鋼廠生產(chǎn)周期長(zhǎng),且價(jià)格較昂貴,為降低成本要求和提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力,經(jīng)過(guò)綜合性能對(duì)比、計(jì)算和分析模擬驗(yàn)證,結(jié)合實(shí)際運(yùn)行環(huán)境分析,選用耐腐蝕性、耐高溫性、抗蠕變性、焊接性、熱強(qiáng)性與347不銹鋼相近的321不銹鋼作為排氣罩主材,可以滿足排氣裝置穩(wěn)定運(yùn)行的要求。確認(rèn)后續(xù)的排氣裝置均采用321不銹鋼,降低了制造成本,提高了產(chǎn)品在行業(yè)中的競(jìng)爭(zhēng)力。

4.2 焊接材料

排氣裝置結(jié)構(gòu)焊接原設(shè)計(jì)選用E347T1-1焊材,計(jì)算分析完全滿足運(yùn)行要求,但是客戶現(xiàn)場(chǎng)反饋,在長(zhǎng)期高溫運(yùn)行過(guò)程中,焊縫有出現(xiàn)裂紋的情況,遠(yuǎn)低于排氣罩的計(jì)算壽命。經(jīng)研究,需要使用能滿足高溫運(yùn)行性能良好,能提升燃汽輪機(jī)可靠性,能延長(zhǎng)排氣罩實(shí)際壽命,減少現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)費(fèi)用的焊材。通過(guò)計(jì)算分析論證,選用ERNiCr-3焊材,可有效克服E347T1-1焊材在高溫下長(zhǎng)期運(yùn)行性能不穩(wěn)定的缺陷。雖然ERNiCr-3焊材比E347T1-1焊材成本提高10倍左右,但是提升了燃?xì)廨啓C(jī)的可靠性,延長(zhǎng)了排氣罩的壽命,減少了現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)的費(fèi)用。

4.3 焊接工藝

燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)尺寸大,工作環(huán)境復(fù)雜,運(yùn)行穩(wěn)定性要求高,對(duì)整體結(jié)構(gòu)的焊接成型要求高,排氣裝置同樣如此。制造中,最重要也是最難的是裝入軸承支撐座后最終焊縫的焊接。排氣裝置上下兩端法蘭分別于透平端與第二級(jí)排氣罩精密相連,精密尺寸必須通過(guò)焊接來(lái)保證。由此,對(duì)于排氣裝置,優(yōu)先推薦采用整體組裝焊接,完成后整體機(jī)加工[8]。由于組裝完成后體積龐大,能滿足加工要求的大型設(shè)備較少,且機(jī)加工費(fèi)用昂貴。對(duì)此,經(jīng)研究并進(jìn)行工藝試制,先分體機(jī)加工,再利用特定工裝組裝焊接,嚴(yán)格控制工藝流程,能順利保證尺寸及性能要求。以上技術(shù)的采用在較大程度上降低了制造成本,提升了行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

對(duì)于排氣罩主材12 mm厚度的321不銹鋼,在焊接過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較明顯的應(yīng)力集中及收縮量不規(guī)律,不利于后續(xù)加工裝配和實(shí)際運(yùn)行。對(duì)此,優(yōu)化焊接工藝,采用特定的焊接工裝,并且采用預(yù)加熱保溫、雙工位同時(shí)對(duì)稱焊方式,進(jìn)行小電流慢速焊,減少熱輸入,有效控制變形量及焊接收縮不均勻問(wèn)題[9-10]。依據(jù)材料特性,反復(fù)試驗(yàn)得出最優(yōu)的熱處理溫度為860～890 ℃。輔以特定的熱處理工裝固定,既能保證去除焊接應(yīng)力,又能將變形最小化,確保產(chǎn)品的重要尺寸要求。加工完成后的排氣裝置如圖4所示。

圖4 加工完成后排氣裝置

5 結(jié)束語(yǔ)

筆者對(duì)國(guó)內(nèi)某超臨界重點(diǎn)發(fā)電項(xiàng)目配套燃?xì)廨啓C(jī)排氣裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行了分析,優(yōu)化了葉片結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵部件的制造工藝。

利用PROE及ANSYS相關(guān)處理軟件對(duì)排氣裝置葉片進(jìn)行模擬分析,優(yōu)化葉片型線,創(chuàng)新葉片結(jié)構(gòu),減小葉片所受的沖擊,提高葉片的可靠性。內(nèi)部運(yùn)行溫度達(dá)到598 ℃,排氣質(zhì)量流速達(dá)標(biāo),為571kg/s,轉(zhuǎn)子在3 600 r/min轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行。

優(yōu)化了排氣裝置的制造材料、焊接材料、焊接工藝及熱處理工藝,提升了排氣罩的可靠性,延長(zhǎng)了壽命,降低了制造成本,減少了現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)費(fèi)用,提高了排氣裝置在行業(yè)中的競(jìng)爭(zhēng)力。