包大陸

（中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機（集團）有限責(zé)任公司快速反應(yīng)中心，遼寧 沈陽 110043）

引言

R0110重型燃機是我公司近年研制的國內(nèi)首臺具有自主知識產(chǎn)權(quán)的110MW燃氣輪機，性能等級介于國際E級和F級之間，它的研制成功使我公司在燃機研發(fā)、加工制造及裝配試車技術(shù)都得到較大提升，填補我公司乃至我國自主研發(fā)重型燃機領(lǐng)域的空白。重型燃機原型機氣缸設(shè)計大量采用鍛件焊接結(jié)構(gòu)，制造工藝性差，裝配周期長。為此將外氣缸改為整體鑄造水平對開氣缸結(jié)構(gòu)形式。較原結(jié)構(gòu)相比，氣缸壁厚增加，剛性增強，裝配工藝簡化，裝配周期縮短，裝拆更加方便，利于外場維護。

1 重型燃機氣缸結(jié)構(gòu)改進前后特點分析

1.1 重型燃機原型機氣缸結(jié)構(gòu)特點分析

重型燃機原型機由進氣氣缸組件、壓氣機1-5級氣缸組件、壓氣機6-15級氣缸組件、擴壓段、承力錐體、燃燒室、透平第Ⅰ-Ⅳ級氣缸組件、透平后支承組件、軸承組件及燃機平衡轉(zhuǎn)子組件等組成。除進氣氣缸組件為整環(huán)鑄造氣缸外，全部氣缸均采用環(huán)鍛件焊接而成，氣缸壁厚多數(shù)僅14mm，為提高整機剛性，采用半環(huán)與整環(huán)交錯連接，止口定心方式。此設(shè)計優(yōu)點為整機重量較輕，便于實現(xiàn)整體運輸；缺點是大尺寸薄壁鍛件焊接工藝性較差，裝配方式復(fù)雜，整機氣缸剛性不強。

1.2 重型燃機改型機水平對開氣缸結(jié)構(gòu)特點分析

重型燃機改進型機外部氣缸全部改為水平中分鑄造氣缸：進氣氣缸組件、壓氣機1-5級氣缸組件、壓氣機6-15級氣缸組件、擴壓段、燃燒室氣缸、透平Ⅰ-Ⅳ級氣缸、后支撐氣缸組件均改為水平中分鑄造結(jié)構(gòu)。燃機前支撐由在進氣氣缸下半缸主支撐安裝邊處后移至壓氣機第1-5級下半缸靠近水平結(jié)合面位置處。與原結(jié)構(gòu)相比，燃機主支撐更靠近燃機轉(zhuǎn)子止推盤主推力面（轉(zhuǎn)、靜子軸向相對死點）。

為減少帶冠空冷葉片的葉冠鑄造缺陷，燃機平衡轉(zhuǎn)子組件中第Ⅱ級透平葉片新設(shè)計為不帶葉冠錐面結(jié)構(gòu)。相應(yīng)氣缸配合表面改為錐面，配合徑向間隙保持不變。前、后支點軸承氣缸組件以及前、后支承氣缸仍為整環(huán)結(jié)構(gòu)。除燃燒室氣缸和承力錐、燃燒室外套和透平Ⅰ級氣缸的連接配合仍采用止口型式之外，其余各氣缸安裝邊之間均采用端平面對接、精密螺栓定位和螺栓固緊的配合連接形式。

2 燃氣輪機氣缸結(jié)構(gòu)變化對總體結(jié)構(gòu)的影響

2.1 結(jié)構(gòu)變化對燃氣輪機總體結(jié)構(gòu)技術(shù)參數(shù)影響

改進前后燃氣輪機主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對比見表1。

表1 燃機主要總體結(jié)構(gòu)參數(shù)對比 單位：mm

2.2 氣缸結(jié)構(gòu)變化對燃氣輪機膨脹量的影響

原結(jié)構(gòu)和改進結(jié)構(gòu)燃機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)基本一致，壓氣機與透平隔板組件未發(fā)生變化，因此，兩種結(jié)構(gòu)燃機轉(zhuǎn)、靜子膨脹量的變化主要受氣缸結(jié)構(gòu)變化及前后支撐方式改變影響。

2.2.1 徑向膨脹量。改進型重型燃機水平對開結(jié)構(gòu)氣缸選用ZG20SiMn和ZG15Cr13在同等溫度分布的條件下均比原型機氣缸選用0Cr11Ni2MoVNb線膨脹系數(shù)略大，工作狀態(tài)轉(zhuǎn)靜子徑向間隙在保持與原結(jié)構(gòu)一致的條件下，可以保證轉(zhuǎn)子自由轉(zhuǎn)動。改進型重型燃機水平對開結(jié)構(gòu)燃機經(jīng)過試車，在工作轉(zhuǎn)速3000r/min運行狀態(tài)良好，前、后支撐振動沒有出現(xiàn)周期性干擾信號，證明工作狀態(tài)轉(zhuǎn)、靜子無碰磨。

2.2.2 軸向膨脹量。由于兩種結(jié)構(gòu)燃機轉(zhuǎn)、靜子的軸向相對死點--轉(zhuǎn)子推力盤主承力面軸向位置未發(fā)生變化，因此，氣缸在穩(wěn)態(tài)下的受熱膨脹量僅與氣缸結(jié)構(gòu)及材料有關(guān)。根據(jù)徑向膨脹量的分析結(jié)果，同理軸向膨脹量能夠滿足兩種結(jié)構(gòu)燃機轉(zhuǎn)子正常工作的需要。按劃分平均溫度區(qū)域的方法，分別計算改進型重型燃機水平對開結(jié)構(gòu)透平第Ⅱ級工作葉片位置處的轉(zhuǎn)、靜子軸向膨脹量，結(jié)果見表1。

表1 透平第Ⅱ級工作葉片位置處的軸向膨脹量（額定工作狀態(tài)）

從表1中可以看出，氣缸在額定工作狀態(tài)下較轉(zhuǎn)子軸向膨脹量小，保證在該狀態(tài)下轉(zhuǎn)、靜子無碰磨。在過渡態(tài)條件下氣缸結(jié)構(gòu)變化對膨脹量的影響主要體現(xiàn)在起動過程中，轉(zhuǎn)子受熱快，氣缸受熱慢，另外，壁厚增加會減弱膨脹速率，起動過程中會出現(xiàn)轉(zhuǎn)、靜子碰磨現(xiàn)象。經(jīng)過磨合試車后，轉(zhuǎn)、靜子碰磨現(xiàn)象會得以消除。

2.3 重型燃機燃機氣缸結(jié)構(gòu)變化對整機裝配的影響

2.3.1 轉(zhuǎn)子與氣缸裝配方式的變化

原型機氣缸多為整環(huán)結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子與氣缸裝配采用豎直裝配方式，利用透平后支撐組件為定位基準(zhǔn)，轉(zhuǎn)子豎直裝于透平后支撐組件中，按透平、燃燒室及壓氣機的順序依次裝配各段氣缸組件。改進型機氣缸為整體水平對開結(jié)構(gòu)，前、后支承氣缸均為整環(huán)結(jié)構(gòu)。采用豎直裝配方式裝配氣缸組件，燃機氣缸水平裝于前后支撐后，揭開上半缸，轉(zhuǎn)子連同前、后支承氣缸采用水平裝配方式裝入燃機下半缸中。

與原結(jié)構(gòu)相比優(yōu)點在于裝配工作臺降低，裝配方便；下半缸落于燃機前后支撐上，減少翻轉(zhuǎn)臺架的使用次數(shù)；燃機轉(zhuǎn)、靜子軸向、徑向間隙測量結(jié)果準(zhǔn)確，符合實際情況。

2.3.2 燃燒室裝配方式的變化

原型機與改進型機結(jié)構(gòu)相比，燃燒室火焰筒與噴嘴未變化，裝配方式僅受整機氣缸裝配方式變化而發(fā)生改變。原型機燃燒室零部件全部采用豎直裝配方式；改進型機由于轉(zhuǎn)子需水平裝配，因此下半缸燃燒室采用豎直裝配方式，上半缸燃燒室采用水平裝配方式。

結(jié)論

本文通過對兩種重型燃氣輪機氣缸結(jié)構(gòu)以及氣缸結(jié)構(gòu)變化對整機結(jié)構(gòu)的影響分析論證，得出目前重型燃機氣缸結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)點與不足。優(yōu)點體現(xiàn)在氣缸結(jié)構(gòu)更加易裝配、易維護，工藝性更強；不足之處在于對氣缸結(jié)構(gòu)對整機剛度的影響考慮還不足，局部裝配困難。上述問題需要氣缸結(jié)構(gòu)進一步改進完善。另外，本文提出對未來重型燃機氣缸結(jié)構(gòu)設(shè)計的幾點建議和想法，僅供設(shè)計參考。

總之，重型燃機氣缸結(jié)構(gòu)設(shè)計是一項涉及多領(lǐng)域、多學(xué)科的復(fù)雜工程，設(shè)計工作無法一蹴而就，需要循序漸進，不斷實踐積累設(shè)計經(jīng)驗加以改進完善，這樣才能使氣缸結(jié)構(gòu)更加易于市場接受，更加滿足整機要求。

[1] 透平機械現(xiàn)代制造技術(shù)叢書.裝配試車技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社.

[2] 趙士杭.燃氣輪機原理結(jié)構(gòu)與應(yīng)用.上冊[M].北京：科學(xué)出版社.

[3] 焦樹建.燃氣輪機與燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)裝置.上冊[M].北京：中國電力出版社.