張雪， 張華杰

（哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱150046）

0 引言

某電廠配置有兩臺(tái)俄制500 MW汽輪機(jī)，電廠機(jī)務(wù)人員在大修時(shí)發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī)中壓轉(zhuǎn)子發(fā)生了彎曲，針對(duì)這種情況，哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)人員對(duì)彎曲的問(wèn)題進(jìn)行了專業(yè)的分析，并提出了整治方案。

1 彎曲情況介紹及原因分析

該機(jī)組為超臨界沖動(dòng)純凝式汽輪機(jī)，中壓轉(zhuǎn)子彎曲處為汽輪機(jī)中壓進(jìn)汽處。汽輪機(jī)中壓進(jìn)汽為再熱蒸汽，再熱蒸汽壓力為3.5 MPa，再熱蒸汽溫度為540℃。中壓轉(zhuǎn)子為整鍛轉(zhuǎn)子，雙分流結(jié)構(gòu)，正反向各設(shè)有11級(jí)動(dòng)葉，轉(zhuǎn)子材料為25Cr2Mo1V，總長(zhǎng)度約為7.6 m，為保證轉(zhuǎn)子中心部位鍛造質(zhì)量設(shè)有中心孔。

根據(jù)檢修記錄，中壓轉(zhuǎn)子的最大彎曲值達(dá)到了0.15 mm，已嚴(yán)重影響了機(jī)組的安全運(yùn)行。中壓轉(zhuǎn)子彎曲部位為中壓進(jìn)汽處，由于中壓轉(zhuǎn)子為對(duì)稱雙分流結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子重心也在此位置，轉(zhuǎn)子由于鍛造和加工產(chǎn)生的質(zhì)量不均，形成的離心力也作用在此處，所以中壓轉(zhuǎn)子在此處承受的不平衡載荷最大。由于沒(méi)有調(diào)節(jié)級(jí)，中壓轉(zhuǎn)子進(jìn)汽處為整個(gè)機(jī)組溫度最高部位，進(jìn)汽溫度為540℃，受高溫影響，轉(zhuǎn)子材料力學(xué)性能比常溫時(shí)大大降低。根據(jù)俄制500 MW機(jī)組中壓通流結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，機(jī)組運(yùn)行時(shí)，部分蒸汽在經(jīng)過(guò)中壓正、反向第一級(jí)后，直接進(jìn)入到導(dǎo)流環(huán)與中壓轉(zhuǎn)子形成的腔室中，當(dāng)轉(zhuǎn)子以正常轉(zhuǎn)速3 000 r/min運(yùn)行時(shí)，產(chǎn)生鼓風(fēng)生熱，高溫蒸汽直接與進(jìn)汽導(dǎo)流環(huán)相接觸，使得導(dǎo)流環(huán)與中壓轉(zhuǎn)子間的腔室蒸汽溫度升高，導(dǎo)致該處運(yùn)行時(shí)的溫度高于中壓進(jìn)汽溫度，大大超出了原機(jī)組材料允許的蠕變強(qiáng)度。同時(shí)，中壓轉(zhuǎn)子第一級(jí)葉根為T型結(jié)構(gòu)，沒(méi)有葉根的冷卻通道，鼓風(fēng)發(fā)熱引起的溫度變化直接影響到中壓一級(jí)的葉根蠕變強(qiáng)度，久而久之發(fā)生了轉(zhuǎn)子彎曲。最終導(dǎo)致轉(zhuǎn)子永久彎曲。能防治中壓轉(zhuǎn)子彎曲最有效的方法，只有采用冷卻蒸汽對(duì)中壓轉(zhuǎn)子進(jìn)汽處進(jìn)行冷卻，以提高此處的轉(zhuǎn)子力學(xué)性能，減小轉(zhuǎn)子高溫蠕變所產(chǎn)生的彎曲度。

2 解決方案及可行性分析

由于自身結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)理念原因，俄制機(jī)組中壓轉(zhuǎn)子都沒(méi)有冷卻結(jié)構(gòu)，而歐美汽輪機(jī)中壓轉(zhuǎn)子普遍設(shè)有冷卻結(jié)構(gòu)，如GE、西屋、西門子等的機(jī)組，可以很好地防治中壓轉(zhuǎn)子彎曲。歐美機(jī)組與俄制機(jī)組相比，結(jié)構(gòu)形式相差甚遠(yuǎn)，無(wú)法借鑒，因此本機(jī)組中壓轉(zhuǎn)子冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在國(guó)內(nèi)實(shí)屬首創(chuàng)。經(jīng)過(guò)對(duì)該機(jī)組的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究分析，決定采用中壓內(nèi)外缸夾層蒸汽作為中壓轉(zhuǎn)子冷卻蒸汽汽源，在中壓轉(zhuǎn)子正反向第一級(jí)葉輪與導(dǎo)流環(huán)所圍成的流體區(qū)域添加冷卻裝置，將冷卻蒸汽引入此區(qū)域，由此改善中壓轉(zhuǎn)子的溫度場(chǎng)，減少中壓轉(zhuǎn)子的彎曲度。冷卻裝置采用插管結(jié)構(gòu)。插管下部以螺紋固定在導(dǎo)流環(huán)上并焊牢，插管上部為保證內(nèi)缸與導(dǎo)流環(huán)之間的自由膨脹以及安裝定位準(zhǔn)確，采用疊片密封結(jié)構(gòu)固定在中壓內(nèi)缸上。冷卻裝置插管內(nèi)孔作為冷卻蒸汽孔，如設(shè)計(jì)過(guò)大，引入的蒸汽量過(guò)多，影響機(jī)組效率，如設(shè)計(jì)過(guò)小，起不到冷卻效果，所以大小根據(jù)轉(zhuǎn)子冷卻計(jì)算出的流量設(shè)定。冷卻裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

確定冷卻方案后，技術(shù)人員制作了三維UG實(shí)體，并應(yīng)用ANSYS ICEM CFD 12.1生成了幾何體網(wǎng)格。如圖2所示。

圖1 冷卻裝置結(jié)構(gòu)圖

經(jīng)過(guò)反復(fù)多次計(jì)算，轉(zhuǎn)子冷卻孔設(shè)計(jì)為φ50 mm 時(shí)，整體效果最好。中壓轉(zhuǎn)子進(jìn)汽處的溫度場(chǎng)在增加冷卻結(jié)構(gòu)后比增加前改善效果明顯，溫度分布均勻，并有效降低此處轉(zhuǎn)子溫度，減小轉(zhuǎn)子高溫蠕變產(chǎn)生的彎曲度。計(jì)算結(jié)果可如圖3～圖4所示。

圖2 原型轉(zhuǎn)子橫向溫度分布

3 結(jié)論

經(jīng)過(guò)計(jì)算，俄制500 MW機(jī)組增加中壓轉(zhuǎn)子冷卻裝置后，可以有效改善中壓轉(zhuǎn)子進(jìn)汽處溫度場(chǎng)，降低中壓轉(zhuǎn)子進(jìn)汽處溫度，有效防治中壓轉(zhuǎn)子彎曲。目前，安裝該中壓轉(zhuǎn)子冷卻裝置的俄制500 MW機(jī)組已連續(xù)成功運(yùn)行，現(xiàn)場(chǎng)反饋中壓轉(zhuǎn)子運(yùn)行情況良好，證明此種中壓轉(zhuǎn)子冷卻方案設(shè)計(jì)對(duì)防治中壓轉(zhuǎn)子彎曲是行之有效的。

圖4 增加冷卻后轉(zhuǎn)子橫向溫度分布