超临界350MW汽轮机高压静叶持环的设计开发

第40卷第3期2011年9月热力透平THERMALTURBINEVO140NO3SEPT2011超临界350MW汽轮机高压静叶持环的设计开发方雅丽，王争艳上海电气电站设备有限公司上海汽轮机厂，上海200240摘要针对超临界350MW汽轮机高压静叶持环的设计难点，详细介绍了其结构开发过程，并以有限元分析为主要手段，对该持环进行了全面分析，其中包括密封计算及优化、强度计算分析，使其满足长期运行要求。从而确保该机组具有良好的安全性和经济性。关键词汽轮机；高压静叶持环；有限元分析；密封；强度中图分类号TK263文献标识码A文章编号16725549201103018004DEVELOPMENTONHPBLADECARRIEROF350MWSUPERCRITICALSTEAMTURBINESFANGYALI，WANGZHENGYANSHANGHAIELECTRICPOWERGENERATIONEQUIPMENTCO，LTDSHANGHAITURBINEPLANT，SHANGHAI200240，CHINAABSTRACTFORTHEDIFFICULTIESINHPBLADECARRIERDESIGNOF350MWSUPERCRITICALSTEAMTURBINES，THISPAPERPRESENTSTHEPROCESSOFTHECONFIGURATIONDESIGNBYUSINGFINITEELEMENTANALYSISTHESEALINGCALCULATION，STRUCTUREOPTIMIZATIONANDSTRENGTHCALCULATIONAREANALYZEDTOMAKETHEUNITMORESAFETYANDGOODECONOMYKEYWORDSSTEAMTURBINE；HPBLADECARRIER；FINITEELEMENTANALYSIS；SEALING；STRENGTH静叶持环是汽缸通流部分中的供安装隔板用的隔板套，是汽轮机的一个重要组成部分。采用静叶持环结构能使汽缸形状简单，便于制造，并可减少汽轮机启停和负荷变化时的温差和热应力。超临界350MW汽轮机是我厂应市场需求，新设计开发的中间再热抽汽凝汽式汽轮机，机组型号C3502420343566566。以前供热机组多停留在亚临界参数范畴，而该新机组既需适应高蒸汽参数，又需满足500H供热抽汽以及80TH工业抽汽的要求，全新的高中压合缸部分是机组设计的难点。高压静叶持环作为高中压模块中的一个重要部件，是本次机组开发的一个重点。为保证机组具有良好的安全性能，本文对该持环设计开发中涉及到的重要难点问题进行了较全面的研究，以确保其成功开发。1结构设计汽轮机各级静叶固定在静叶持环上，静叶持环再固定于汽缸上。持环上装有多级静叶，因而承受了很大的压差负荷。本机组高压共14级静叶，全部安装在高压静叶持环上，L4个压力级的压差负荷通过持环支承凸肩传递到汽缸。所以高压静叶持环需要具有足够的刚度，这样在大的压差负荷下，不会因变形过大而产生动、静部分相碰的危险。持环设计为上、下半结构，在中分面用长螺栓连接，法兰采用成熟的高窄法兰设计，螺栓的布置需保证持环的密封性能。持环内除了安装各级静叶外，还装有径向汽封，它与动叶外缘围带相配，以减少蒸汽绕过动叶顶部的泄漏。持环在汽缸中的安装既要保证自由膨胀，又要维持中心不变J。高压持环设计成用支承键支托于高中压外缸下半的水平中分面上，通过上、下调整垫片保证中心的上下位置；持环的顶部和底部设纵向定位销，以确定中心的左右位置；轴向定位则借助于支承凸缘，持环在电机端通过凹槽与高压内缸上的凸肩相配，并借持环前后的压差压紧。对中分面支承键和上下定位销分别进行强度校核，以确保达到设计要求。收稿日期201LO114修订日期20110314作者简介方雅丽1981一，女，2001年毕业于河海大学热能与动力工程专业，本科，工程师，从事汽轮机设计开发及成本控制工作。囫II15超临界350MW汽轮机高压静叶持环的设计开发热力透平持环在高压第11级后设置一抽汽腔室供1号回热抽汽，根据热力系统的要求和相关数据，通过流速考核确定抽汽口的面积和口径。由于该机组高中压外缸下半抽汽口众多，受布置空间的限制，抽汽腔室与外缸下半的1号抽汽口之间还有一段轴向距离，因此在持环下半设置了抽汽流道。1号抽汽插管穿过高中压外缸连通至该抽汽流道，以抽汽供1号高加用。持环电机端与转子及调节级共同构成调节级后高压进汽流道，持环调阀端与转子及高排侧平衡活塞汽封一起形成高排导流通道，如图1所示。对以上各流道分别进行通流性能的优化设计。图1高压静叶持环纵剖面图为保证机组安全有效的运行，还需对该持环进行三维实体建模，利用有限元分析其强度及密封性能，针对计算结果提出改进措施，进一步优化结构，使之满足设计要求。2密封性能分析及优化保证上下半中分面的密封是该持环设计的重点和难点所在，是开发过程中的重中之重。为此我们首先核算该持环的密封性能，根据考核标准按密封间隙对持环密封性进行考核，以确保大修期内中分面不漏汽。根据初步的结构设计进行三维实体建模，利用UNIGRAPHICSNX软件建立高压静叶持环实体模型，用有限元分析软件ABAQUS进行数值模拟和后处理。取上半持环进行计算，由于其对称性，有限元分析时采用12模型，如图2所示。因模型较大，考虑到计算的经济性，持环与内缸的接触面定义轴向约束，持环对称面定义对称约束，持环中分面定义接触。持环的工作载荷包括蒸汽压力、图2高压静叶持环计算模型温度及螺栓载荷，有限元计算网格采用四面体热力耦合单元。计算中所采用的温度和压力为阀门全开VWO工况下的热力参数，持环进口压力为199MPA，进口温度为5347，出口压力为495MPA，出口温度为3257。计算分纯压力工况和运行工况，纯压力工况只包含蒸汽力和螺栓初始应力，而运行工况包含蒸汽力、螺栓热紧力以及温度场，对于在高温区域工作的螺栓还需考虑机组长期运行后螺栓的应力松弛情况。21最初方案考核计算由于额定温度、压力等均为超临界参数，在高温材质选择以及高温影响防颗粒侵蚀、高温蠕变等方面需借鉴大型超临界机组的设计。持环材质参考超临界机组选用ZG15CR2MOL，中分面螺栓材质初步选用2CRL2NIMOLW1V，螺栓预紧力均为310MPA，螺栓分布如图3所示。针对该持环的设计难点，在借鉴以往机组开发经验的同时，螺栓布置又做了一些有针对性的设计。图3中分面螺栓最初布置方案经有限元分析，高压静叶持环最初方案方案1在纯压力工况下密封良好，但在运行工况下高温区接触间隙相对较大，长期运行后可能存在大面积漏气的情况，不能满足设计要求，其中分面密封间隙云图如图4所示。一_皿第3期超临界350MW汽轮机高压静叶持环的设计开发图4运行工况中分面间隙方案122优化设计方案在对上述计算结果进行分析后认为，持环高压侧螺栓的热紧力有待提高，而整圈翼板的结构导致持环刚度过大也是致使持环高压侧中分面无法密封的原因之一。因此，我们对持环的结构作了一系列的优化，提出方案2，主要措施如下1将螺栓AF的材质改为含NB和N的马氏体耐热不锈钢2CRLLNIMONBVN，预紧力增加到345MPA；2在翼板上增开细槽，以降低持环的刚性，并调整翼板及相应螺栓的轴向位置；3减小电机端密封面至翼板间持环外壁的厚度，同时为保证强度，增加持环尾部及抽汽腔室外壁的厚度；4加大进汽侧螺栓B的规格，因空间有限，为避免其螺母顶住了内缸，将内缸内侧圆弧面挖去相应部分以容纳其顶部螺母。根据以上改进措施，中分面法兰及螺栓做相应调整。经计算，方案2持环长期运行后中分面的间隙云图如图5所示。图5运行工况中分面间隙方案2由图5可见，方案2较最初方案有较大的改善，低温区域中分面间隙满足要求，只是高温区进汽边未能完全封住，其长期运行后还存在漏气的可能。为此在方案2的基础上进一步对该持环进行L圜一一黧优化后提出方案3，在保证持环强度的前提下减薄翼板前持环外壁厚度，以便其与内缸中分面法兰保持适当间隙并减小持环刚度。由于空间进一步压缩，螺栓C、D并成一个M64的螺栓。将螺栓F、H和1分别加大为M80、M64和M72，定位尺寸作相应调整。中分面螺栓AF的材料选用2CRL1NIMONBVN，其余均为2CR12NIMOLW1V，预紧力均按310MPA，各螺栓分布如图6所示，长期运行后中分面间隙云图见图7。图6中分面螺栓布置图方案3图7运行工况中分面间隙云图方案3由上图可知，持环方案3能够满足密封考核要求，可确保高压持环在大修期内不漏气。最后再利用UNI