核電35 MW小汽輪機(jī)整體發(fā)貨結(jié)構(gòu)方案研究

邱健，段增輝

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽，618000)

1 前言

近年來，隨著國家高附加值制造業(yè)走出去戰(zhàn)略及國內(nèi)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級形勢的推動，國內(nèi)電站設(shè)備制造商越來越重視開拓海外汽輪發(fā)電機(jī)組市場。東汽作為核電常規(guī)島設(shè)備制造的大型企業(yè)，響應(yīng)國家號召，為核電汽輪機(jī)出口作了積極準(zhǔn)備?？紤]到海外項(xiàng)目路途遙遠(yuǎn)，當(dāng)?shù)仉娊ü舅讲幻?，長途發(fā)貨、安裝質(zhì)量、安裝周期、人工成本等方面不易控制，在核電35 MW小汽輪機(jī)方案設(shè)計(jì)時(shí)，決定進(jìn)行機(jī)組帶排汽缸整體發(fā)貨方案的研究。

2 整體發(fā)貨與傳統(tǒng)發(fā)貨的對比[1]

汽輪機(jī)傳統(tǒng)的散件發(fā)貨方式在發(fā)貨過程中經(jīng)常出現(xiàn)零件缺漏發(fā)及錯發(fā)問題。在現(xiàn)場安裝時(shí)，安裝周期較長且繁瑣，對現(xiàn)場安裝工人的要求較高，安裝質(zhì)量受到電廠所在國家建設(shè)及制造水平限制；安裝過程中若發(fā)現(xiàn)零部件加工質(zhì)量問題難以解決，影響安裝周期。

整體發(fā)貨主要特點(diǎn)：在制造廠內(nèi)將零件全部總裝到位后發(fā)貨，不存在零件缺漏發(fā)及錯發(fā)問題；整體模塊尺寸及質(zhì)量大，需考慮運(yùn)輸條件限制（公路運(yùn)輸限制條件與汽輪機(jī)尺寸對比見表1）；現(xiàn)場安裝時(shí)不開缸，所有模塊零件安裝到位，大幅減少現(xiàn)場安裝工作量，降低了現(xiàn)場總裝難度。因此，整體發(fā)貨有效地降低了昂貴的運(yùn)輸成本和現(xiàn)場安裝用工成本。

表1 公路運(yùn)輸限制條件與汽輪機(jī)尺寸對比表

經(jīng)對比，核電35 MW小汽輪機(jī)整體發(fā)貨尺寸及重量要求滿足公路運(yùn)輸條件限制。到達(dá)樂山后采用河運(yùn)及海運(yùn)，對整體發(fā)貨無限制。

東汽已在燃機(jī)聯(lián)合循環(huán)汽輪機(jī)高中壓模塊及多臺火電汽輪機(jī)的高壓或高中壓模塊實(shí)現(xiàn)了整體發(fā)貨，因此有經(jīng)驗(yàn)及能力進(jìn)行核電35 MW小汽輪機(jī)整體發(fā)貨運(yùn)輸方案的研究。

3 整體發(fā)貨技術(shù)方案介紹

由于核電35 MW汽輪機(jī)功率小，進(jìn)汽參數(shù)低，采用單缸結(jié)構(gòu)，汽缸前部與排汽缸通過垂直法蘭連接，整個(gè)汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，因此，設(shè)計(jì)了整個(gè)汽缸模塊的整體發(fā)貨方案。汽輪機(jī)的整體發(fā)貨示意圖見圖1。

圖1 整體發(fā)貨示意圖

3.1 總體設(shè)計(jì)

整個(gè)汽缸模塊通過前部的推拉裝置和后部的定位鍵實(shí)現(xiàn)橫向固定，通過推拉裝置、下半貓爪定位鍵、排汽缸側(cè)部定位鍵實(shí)現(xiàn)軸向固定，通過特制螺栓與鋼制運(yùn)輸支架把合以實(shí)現(xiàn)天地向固定。

汽缸設(shè)計(jì)時(shí)，吊耳的大小充分考慮了整體起吊時(shí)模塊重量產(chǎn)生的載荷，在整體起吊時(shí)，可以直接通過起吊汽缸下半貓爪吊耳，此時(shí)，運(yùn)輸支架的重量由天地向固定的特制把合螺栓承受，也完全滿足強(qiáng)度要求，見圖2。

圖2 整體起吊方案圖

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

運(yùn)輸支架為專用的焊接鋼制支架，在運(yùn)輸、停放以及現(xiàn)場安裝過程中，運(yùn)輸支架支撐和固定整個(gè)模塊，提供緊固件、定位件的生根。

在運(yùn)輸及存放過程中，前部假汽封能夠起到支撐轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)子軸向定位、密封的作用。為方便拆裝前部假汽封，前部假汽封機(jī)與汽缸采用外把合方式。模塊電機(jī)側(cè)由于排汽缸結(jié)構(gòu)限制，整體發(fā)貨時(shí)后汽封拆裝困難，因此轉(zhuǎn)子電機(jī)側(cè)采用軸承支撐或者假軸承支撐。

轉(zhuǎn)子護(hù)罩焊接在運(yùn)輸支架橫梁上，用以保護(hù)轉(zhuǎn)子外伸段免受外界損傷與腐蝕。特制螺栓兩端分別與轉(zhuǎn)子靠背輪、運(yùn)輸支架把合，以防止運(yùn)輸過程中轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)及軸向竄動過大。

廠內(nèi)總裝完畢后，軸向測量和徑向測量塊用以指示位置并標(biāo)記，待整體發(fā)貨到達(dá)電廠后用以恢復(fù)轉(zhuǎn)子相對于汽缸的位置。

大部分運(yùn)輸過程都是潮濕的海上環(huán)境，對整體發(fā)貨模塊有很大的腐蝕作用，且各進(jìn)排汽口、抽汽口、疏水口及各精加工配合面需要保護(hù)以防碰磨損壞，因此需要進(jìn)行密封防銹。主要密封防銹件有：氣相保護(hù)劑；防銹薄膜和鐵皮罩；防銹紙、鋁箔紙和布口袋；防銹油和干燥劑；防雨罩。

4 運(yùn)輸支架強(qiáng)度校核

支架的設(shè)計(jì)必須保證足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，不致因支架斷裂坍塌導(dǎo)致整個(gè)高壓模塊受損。前后端轉(zhuǎn)子罩殼在所有工況下都不承受載荷，結(jié)構(gòu)復(fù)雜但對轉(zhuǎn)子強(qiáng)度加強(qiáng)作用不明顯，導(dǎo)致劃分網(wǎng)格難度增大，因此，有限元模型中將轉(zhuǎn)子護(hù)罩去掉。

4.1 網(wǎng)格劃分

計(jì)算網(wǎng)格模型如圖3所示，采用線性四節(jié)點(diǎn)四面體單元，模型共有1325 945個(gè)單元，411277個(gè)節(jié)點(diǎn)，并對關(guān)鍵支承梁進(jìn)行了局部網(wǎng)格加密。

圖3 計(jì)算網(wǎng)格模型

4.2 計(jì)算工況

在實(shí)際運(yùn)輸過程中，勻速運(yùn)輸及停放時(shí)，運(yùn)輸支架只承受模塊重力，而在路上急剎車工況和海上運(yùn)輸船體傾斜工況時(shí)運(yùn)輸支架還承受一定的軸向及橫向沖擊載荷，因此只計(jì)算后兩種惡劣工況下的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，具體計(jì)算工況及內(nèi)容見表2。

表2 運(yùn)輸支架計(jì)算內(nèi)容

4.3 邊界條件

計(jì)算中，支架底板下表面三個(gè)方向位移都進(jìn)行約束。將每個(gè)載荷承受面所受的力除以力的作用面積，轉(zhuǎn)化為軟件的輸入載荷。在公路運(yùn)輸過程中，設(shè)定運(yùn)輸車輛最大時(shí)速為40 km/h，最大加速度為-1.4 m/s2；在海洋運(yùn)輸時(shí)，根據(jù) 《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》規(guī)定，船體的縱傾最大角按照5°計(jì)算，橫傾最大角按照15°計(jì)算[2]。

4.4 計(jì)算結(jié)果

·路上運(yùn)輸：應(yīng)力最大處 （148.4 MPa）為支架前部橫梁處，安全系數(shù)為1.52，且絕大部分應(yīng)力小于50 MPa，形變最大處 （0.836 mm)在支架中部橫梁處，遠(yuǎn)小于模塊內(nèi)部通流間隙及模塊與支架支承處的間隙，見圖4。

圖4 路上運(yùn)輸極限工況應(yīng)力及應(yīng)變圖

·海上運(yùn)輸：應(yīng)力最大處 （168.1 MPa）為支架前部橫梁處，安全系數(shù)為1.34，且絕大部分應(yīng)力小于70 MPa，形變最大處 （0.905 mm)在支架中部橫梁處，遠(yuǎn)小于模塊內(nèi)部通流間隙及模塊與支架支承處的間隙，見圖5。

圖5 海上運(yùn)輸極限工況應(yīng)力及應(yīng)變圖

4.5 計(jì)算分析

綜合上述計(jì)算分析可知：雖然在個(gè)別應(yīng)力尖點(diǎn)，運(yùn)輸支架的安全系數(shù)未達(dá)到2，但支架整體應(yīng)力水平很低，不會產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的嚴(yán)重變形甚至支架斷裂坍塌，在整個(gè)運(yùn)輸過程中支架安全可靠，其強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語

隨著電力設(shè)備市場競爭日趨激烈，控制并減少成本成為提高機(jī)組競爭力的必要途徑。在滿足運(yùn)輸條件限制的前提下，與傳統(tǒng)的發(fā)貨方式相比，在保證機(jī)組質(zhì)量的同時(shí)，整體發(fā)貨具有操作簡捷、工期短、運(yùn)輸及安裝成本低等優(yōu)點(diǎn)，因此小機(jī)組整機(jī)式整體發(fā)貨、大機(jī)組模塊式整體發(fā)貨將得到廣泛應(yīng)用。文章論證了35 MW核電小汽輪機(jī)整體發(fā)貨方案的可行性，并為東汽后續(xù)采用整體發(fā)貨的核電機(jī)組積累了設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

[1]黃慶華，肖蕾.汽輪機(jī)高中壓合缸模塊整體發(fā)運(yùn)技術(shù)研究[J].熱力透平，2012,41（2）：127-130.

[2]中國船級社.鋼質(zhì)海船入級規(guī)范：第3篇：輪機(jī)[S].2014,7.