铸铁低压内缸结构设计与优化探究_张文挺.pdf

No.1Mar.2023DONGFANG TURBINE2023年3月第1期DOI:10.13808/ki.issn1674-9987.2023.01.001铸铁低压内缸结构设计与优化探究铸铁低压内缸结构设计与优化探究第一作者简介：张文挺（1991-），男，硕士，工程师，毕业于哈尔滨工程大学船舶与海洋结构物设计制造专业，现主要从事概念机研发工作。张文挺，陈铁宁，王鑫，陈志坤（东方电气集团东方汽轮机有限公司，四川 德阳，618000）摘要：随着铸造工艺和材料研究的不断突破，大功率等级汽轮机低压内缸具备整体铸造条件，铸造汽缸结构形式简单灵活。文章就铸铁低压内缸开发过程中的一些关键技术进行研究，并通过三维有限元方法对汽缸进行结构优化设计，改善汽缸密封性，为类似机型结构设计提供参考。关键词：球墨铸铁，低压内缸，有限元分析，气密性中图分类号：TK262文献标识码：A文章编号：1674-9987（2023）01-0001-04Structural Design and Optimization of Cast Iron IP Inner CylinderZHANG Wenting，CHEN Tiening，WANG Xin，CHEN Zhikun（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）Abstract：With the continuous breakthrough of casting technology and material research,the LP inner cylinder of high-powersteam turbine has integral casting conditions,and the casting cylinder structure is simple and flexible.In this paper,some key tech-nologies in the development of cast iron LP inner cylinder are studied,and the cylinder structure is optimized by 3D finite elementmethod,which improves the cylinder sealing,and provides reference for the structural design of similar structures.Key words：nodular cast iron,LP inner cylinder,finite element analysis,sealing0引言传统汽轮机低压缸通常为焊接结构，板件之间相互拼装焊接在一起。这种汽缸除装焊工作量大外，焊接过程会产生较大热变形，即使焊后进行了除应力退火，运行时仍存在较大热变形问题，导致汽缸密封性能下降，影响机组经济性。后来逐渐发展为将单个持环进行铸造，然后与板件一起拼焊成低压缸。随着铸造工艺的不断突破，采用球墨铸铁制造低压内缸成为可能。1球墨铸铁低压内缸发展概况2010年左右，国外厂商在国内采购低压内缸毛坯时，提出低压内缸采用球墨铸铁制作，产品设计结构为自带持环的整体式结构，流道封闭，结构简单。但限于当时的铸造技术水平，无法制作出整体的流道砂芯，封闭的内腔室也无法进行表面打磨处理，不能满足低压内缸流道的表面粗糙度要求。国外厂家最终采取将持环与缸体分开制造、组装成型的形式，开启了球墨铸铁在大功1Mar.2023No.1DONGFANG TURBINE2023年3月第1期率汽轮机低压汽缸上的应用。经过几年的发展，国内铸造厂家对整体铸造工艺进行了一系列优化，铸件清理设备亦不断发展，封闭式内腔的清理技术已解决。2013年左右，整体铸造内缸在国内制造成功。2球墨铸铁低压内缸优势整体铸造内缸相比于传统焊接内缸具有以下优势：（1）整体成型，减少组装部件，简化低压结构；流道形状趋于理论设计，有助于气流流动，提升机组效率；（2）铸造内缸大幅减小装焊工作量，并能避免焊接过程中产生的热变形，减小运行时变形导致的汽缸密封性降低；（3）球墨铸铁减震性能优异，能大量吸收机组运行过程中的震动，提高机组的运行稳定性；（4）模具可设计有一定通用性，生产周期短，铸造成本较低。3铸铁内缸结构设计关键技术3.1变截面蜗壳切向进汽由于内缸采用整体铸造成型方式，板件拼焊的典型进汽腔室不再适用。新开发了气动性能更加优异的变截面蜗壳切向进汽，并对进汽腔室带首级静叶模型进行CFD分析，计算模型如图1所示，计算结果如图2、表1所示。（a）典型进汽室（b）蜗壳进汽室图1进汽室模型表1计算结果（a）典型进汽（b）切向进汽图2进汽室出口角分布从图（12）、表1可以得出，整体铸铁内缸采用切向进汽蜗壳压损减小0.15%；蜗壳气流出口角分布在140左右时流场更加均匀，带首级静叶效率提高0.32%，切向进汽蜗壳结构明显优于典型进汽结构。3.2变截面抽汽流道大功率汽轮机低压缸部分回热抽汽级数多，通常设计34级抽汽。传统焊接内缸抽汽由钢板隔成多个区域实现，采用整体铸造后，环形汇流腔室和抽汽口均设计为光滑过渡的流道，并进行CFD分析及结构优化，如图3所示。图3变截面抽汽流道参数总压损失系数/总静效率/总总效率/典型进汽0.6588.9693.19切向进汽0.5089.3593.50差值-0.150.390.32多项式（10%叶高）04080120160200240280320360theta/（）出口角/（）17015013011090705030多项式（50%叶高）多项式（90%叶高）04080120160200240280320360多项式（10%叶高）多项式（50%叶高）多项式（90%叶高）出口角/（）17015013011090705030theta/（）2No.1Mar.2023DONGFANG TURBINE2023年3月第1期流道的结构设计可用分析得到的流速分布及压损来决定，通道中蒸汽流速沿周向变化应尽量小1。因此，腔室设计为从顶部至下方抽口处由小变大的变截面结构，可使流场分布更加均匀，流速变化小，蒸汽流经流道的压损和对通流部分的影响变小，减少能量损失，提升经济性。3.3基于提升气密性的结构优化探究大功率机组低压汽缸通常采用双分流结构以便采用较短的末级叶片来满足较大的排汽面积要求。低压内缸进出口之间的温差大，热应力和汽缸的不对称变形会影响汽缸运行可靠性，结构优化时重点关注中分面密封性能，防止蒸汽串流和泄漏。3.3.1汽缸中分面接触优化在汽缸设计时，首先是根据工作性能、强度和密封要求以及工艺性能来选择初步结构尺寸，然后进行详细的应力计算和强度校核，修订结构尺寸，形成初步结构方案2，如图4所示。后续进行三维有限元分析优化。图4初步结构方案对初步结构方案进行分析，稳态运行工况球墨铸铁汽缸整体应力不高，强度满足要求。但中分面气密性较差，叶片持环部位最大张口达到1.3mm，且范围较大，会导致通流效率下降和抽口异常超温，张口分布如图5所示。图5初步方案中分面张口量从图5可以看出，法兰区域密封良好，但持环部位当温差引起热变形时，无足够螺栓力使其密封。参考常规管道正反法兰密封结构，若能将密封压力集中在内侧，则能增加持环部位密封性。因此在持环部位设计密封直段，上半汽缸中分面铣一小斜面，优化中分面接触情况。结构示意及有限元分析结果如图67所示。图6中分面接触优化示意图7接触优化后张口量优化过程中综合考虑密封性和螺栓应力，选取合适的斜度。最终计算结果表明，上半中分面增加一定斜度，持环部位最大张口由1.3 mm降至1 mm，有效减小张口、级间漏汽和腔室串汽。但漏汽面积仍然较大，不满足设计要求。3.3.2汽缸法兰结构优化由于持环离螺栓较远，中间悬臂长，一定张口下漏汽面积较大，因此对内缸结构进行大调整，将法兰靠中心布置，缩短悬臂长。经多次分析优化，得到如图8所示的内缸结构和计算结果。图8法兰结构优化后张口量直段密封面中分面带斜度3Mar.2023No.1DONGFANG TURBINE2023年3月第1期法兰内收后，持环部位最大张口减小幅度有限，但能有效减小持环漏汽长度，大幅减小级间串汽，降低抽口超温超压风险。并且比较前后计算结果，可以发现汽缸右侧部分法兰内收后，密封效果显著提升，已基本无张口。3.3.3抽汽位置对称化初步设计方案中，虽然汽缸结构设计对称，但实际抽汽位置不对称，导致汽机侧和电机侧第1个抽汽腔室与进汽室温差不一样。将第1个抽汽腔室一分为二，实现抽汽位置对称化。计算结果如图9所示。图9抽汽位置对称化后张口量将非对称抽汽改为对称抽汽后，虽然最大张口值有所增加，但减小了进汽与第一抽汽腔室温差，温度场分布更加合理，进汽区域气密性明显改善。3.3.4内部增设螺栓由于低压内缸尺寸大，人员可以从进汽口进入汽缸，因此将密封性能差的持环部分增加2颗螺栓，这样进汽室与第1个抽汽腔室已完全密封，密封效果最佳。计算结果如图10所示。图10内部增设螺栓后张口量3.3.5径向槽道优化抽汽径向槽道由分段形式优化为全周形式。分段槽道各级静叶持环之间相互连接，相当于设计了加强筋，汽缸刚性强。全周槽道为整圈去除，持环之间不连接，热变形不连续，也不相互影响。结构如图11所示。图11不同径向槽道结构张口量通过对比有限元计算结果可以得出，全周抽汽避免了持环间相互约束，腔室间悬臂上张口量更小，持环整体气密性提升。并且全周抽汽加工成本更低。4结论本文概括了在铸铁低压内缸结构设计开发过程中的一些关键技术，重点从5个方面探讨了改善汽缸密封性的结构优化策略，通过有限元分析，改进结构，提高了机组可靠性和经济性，可为同类汽缸结构优化设计提供参考。参考文献1中国动力工程学会.火力发电设备技术手册:第二卷:汽轮机M.北京:机械工业出版社,1998.2丁有宇.汽轮机强度计算手册M.北京:中国电力出版社,2010.全周槽道分段槽道4