新型空冷低压缸模块方案设计
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作者: 田瑞军
摘要：我们结合哈汽600MW三缸四排汽直接空冷凝汽式汽轮机组，并借鉴三菱公司制造生产的25MPa/600℃/600℃两缸两排汽600MW超超临界汽轮机组，自主研究设计新型空冷低压缸模块，以适应电力市场对环保、高效、布局紧凑及利于维护的需求。
关键词：落地低压内缸；落地轴承；
前言
近几年来我国电力事业飞速发展，大容量机组的装机数量逐年上升，同时随着国家对环保事业的日益重视及电厂高效率的要求，大型空冷机组的初参数已从亚临界向超临界快速发展。根据我国电力市场的发展趋势，两缸两排汽 600MW超临界空冷汽轮发电机组将依据其环保、高效、布局紧凑及利于维护等特点占据相当一部分市场份额，为此我们结合哈汽600MW三缸四排汽直接空冷凝汽式汽轮机组，并借鉴三菱技术，自主研究设计新型空冷低压缸模块，以适应电力市场的需求。
1 低压通流部分的优化设计
低压模块以哈汽公司设计开发的超超临界600MW两缸两排汽湿冷汽轮机的低压缸为母型，再根据通流能力进行适当的调整。低压通流部分：静动叶均采用具后加载特点的反动式叶型，第1-3级静叶采用弯叶片，第4-6级静叶采用弯扭叶片；第1-6级动叶采用扭叶片，第1-4级隔板为自带菱形叶冠的导叶片装配结构，第5、6级隔板为导叶片直接焊在内外环上，无中心孔整锻转子，新研发设计第6级动叶片高度940mm，采用自带围带，翼型拉金，通过扭转恢复形成整圈连接。
低压部分通流面积与母型机超超临界600MW两缸两排汽湿冷汽轮机进行比较，在跨距及外形基本不变的情况下，新型低压缸模块在通流面积上增加3% ，在现有模块的基础上，适当调整通流面积，可完成新型超临界600MW空冷汽轮机通流设计。
940mm叶片采用超超临界1000MW湿冷机组末级1220mm叶片模化而来,通过全三维设计技术优化得到，确保其气动性能优良。静叶采用全三维流场设计软件进行弯扭联合成型，使末级不但在设计工况时具有较高的效率，同时根部反动度达到30%，顶部反动度66%,见图2－2。当背压Pk=30.5Kpa时根部反动度ρk=0, 当背压Pk=34Kpa时,ρk=-2%，脱流高度仅35mm( =0.05)。三元流场计算结果表明，该叶片变工况性能良好。940mm末级叶片的自带围带上带有一道汽封片，既可以最大限度地减小叶顶处的泄漏损失，又可以使析出的水滴沿缸壁顺利的导出，避免叶顶水蚀。它比相应冷凝机组对应叶片的宽度增大，它的强度性能增强，刚性增大。因此，940mm叶片是加强型的。
空冷机组的背压变化范围大，末级总是处于变工况下运行， 940mm叶片从流场设计和叶片结构形式上都考虑到各种危险工况并加以调整避开，如：汽流回流、脱流，气流流动不稳定，颤振，叶片动应力大增等。采用加强型结构的叶片，它的静应力比已成功运行的母型1220mm叶片小许多， 940mm叶片的材料采用有成功运行经验的1220mm叶片相同的15Cr钢，强度等级965Mpa。
空冷机组大部分时间都处在高背压小容积流量工况下运行。首先控制汽轮机的排汽温度，其次是对末级叶片的保护，使末级叶片在控制区域内能够长期安全运行。空冷机组运行限制曲线是要兼顾到机组排汽温度的控制和末级动应力控制。使这两部分都能达到适合于机组长期安全运行的目的。
基于以上的原理，经过大量的变工况计算，特别是低负荷、小流量、高背压和大负荷、大流量、高背压工况的计算分析，我们制定出了空冷机组运行限制曲线。
２低压部分主要部件的设计
低压缸采用双层缸结构，由内缸和外缸组成，低压缸为双分流结构，蒸汽进入低压缸中部，通过反动式低压压力级做功后流向排汽端，向下进入排汽管或排汽装置。低压缸的高效叶片设计、扩散式通流设计及可最大限度回收热量的排汽涡壳设计可明显提高缸效率，降低热耗。本机组采用轴承箱与低压缸分开的结构,轴承箱直接坐在基础上。
低压外缸由四部分组成，上半(调)、上半(电)、下半(调)和下半(电)都是装焊结构的。总装配时，首先将上半(调)和上半(电)在垂直接配面处用螺栓把紧永久性连接而成为一个整体，形成低压外缸上半，同理低压外缸下半也在垂直接配面处用螺栓把紧，形成低压外缸下半。上下半外缸在水平中分面处分开，电厂扣缸时在把紧中分面螺栓，这样就形成一个完整的低压缸。
低压缸四周有框架式撑脚，增加低压缸刚性，撑脚座落在基架上承担全部低压缸重量，并使得低压缸的重量均匀地分在基础上。在低压缸撑脚四边通过键槽与预埋在基础内的锚固板配合形成膨胀的绝对死点。低压外缸上、下半设计过程中，在外缸下半内设计了多处相交叉的撑杆和拉筋，这样设计可以保证低压外缸下半具有一定的刚度和强度，在工作环境中不易变形和塌腰。排汽缸内设计有良好的排汽通道，由钢板压制而成，面积足够大的低压排汽口与凝汽器弹性连接。
低压内缸是由加厚的环形钢板、法兰、撑杆及筋板焊接而成，具有一定的刚度，工作状态下变形小，从而保证低压通流轴向和径向各间隙。内缸下半开有抽汽管口，根据热力参数的需要在相应各级后位置打孔抽汽，为了增加刚性，在各个抽汽管外都焊接加强筋，保证内缸的整体刚性，借助有限元分析手段，按受力状态合理布置撑管及加强筋，以保证低压缸在变工况条件下能够稳定运行。低压内缸通过两侧的四个有足够刚度的侧翼支撑在外缸的撑脚上，外缸的撑脚直接支撑在基础上，可保证机组运行时内缸中分面高度变化较小，保证动静间隙变化较小,空冷机组低压缸排气温度高，为避免缸体变形，必须保证低压缸具有良好的刚度。
图1新型低压内缸支撑与旧模块比较图
低压内缸水平中分面螺栓孔按着哈汽螺栓布置规范合理布置螺孔，通过汽缸密封性分析和螺栓强度核算都能满足设计要求。而且为了进一步增加密封性，在水平中分面上开有密封键槽，为了减小水平法兰应力集中问题，在法兰端部开有应力释放槽，降低了法兰裂纹的几率，从而提高了内缸的使用寿命。
低压蒸汽室是由调端隔板套、电端隔板套锻件、水平中分面法兰及撑杆焊接而成，在蒸汽室的垂直中心线上、下各有一块对中心装置，便于低压蒸气室和低压内缸的找中。低压蒸汽室与低压内缸装配时，为了保证低压蒸汽室与低压内缸的密封性，在两者之间采用了一套0间隙密封，可以保证在机组运行时，汽缸相对膨胀后不会漏汽，降低热损失，提高机组发电效率。低压蒸汽室设计了一套导流环，导流环装配在低压正反向第1级隔板上，这样三者形成一个整体，增加强度，使第1级隔板的受力变形降低，反向推力相互抵消，同时也减少流动损失。低压蒸汽室通过两侧的四个有足够刚度的侧翼支撑在低压内缸的撑脚上，并设计一套调整找中装置，来保证低压蒸汽室的正确位置。
低压缸两端的汽缸盖上装有两个大气阀，其用途是当低压缸的内压超过其最大设计安全压力时，自动进行危急排汽。低压缸排汽区设有喷水装置，空转或低负荷、排汽缸温度升高时按要求自动投入，降低低压缸温度，保护末叶片。排汽导流板用螺栓固定在在内缸上，并保持在排汽室中有光滑的蒸汽流道。
３结论
到目前为止，新型空冷低压模块已经应用在大同三期项目上(两台份)，现场正在安装，不久就会运行发电了。我厂已经签订合同的机组定州电厂(两台份)、崇信电厂(两台份)、清水河电厂(两台份)、鄂温克电厂(两台份)均使用此低压模块。
我们对超临界空冷和亚临界空冷以超临界空冷和亚临界湿冷分别进行了比较，临界空冷660MW与亚临界空冷600MW相比，加权平均热耗降低了293.47kJ/kW.h，相同环境条件下，超临界机组比亚临界机组热耗降低了70.094kcal/kW.h。
通过简单的介绍新型空冷低压缸模块的设计过程，使工程设计人员能够更加的清楚了解我厂的设计模式和新一代大型空冷低压缸模块的设计理念。通过比对新型空冷低压模块在技术性能方面达到国内同类机组的先进水平。
参考文献
[1]吴定一 火力发电设备技术手册-总体方案设计[M]. 机械工业出版社，1999
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