R0110重型燃气轮机气缸结构研究

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摘 要：r0110重型燃机是我公司近年研制的国内首台具有自主知识产权的重型燃气轮机。本文对首台R0110重型燃机原结构、水平对开结构气缸进行分析论证，找出结构变化对整机膨胀量、振动、装配的影响，发现气缸结构设计问题与不足，尝试提出重型燃机气缸结构完善的想法和建议。

关键词：水平对开；临界转速；膨胀量；刚度

中图分类号：TH138.51 文献标识码：A

引言

R0110重型燃机是我公司近年研制的国内首台具有自主知识产权的110MW燃气轮机，性能等级介于国际E级和F级之间，它的研制成功使我公司在燃机研发、加工制造及装配试车技术都得到较大提升，填补我公司乃至我国自主研发重型燃机领域的空白。重型燃机原型机气缸设计大量采用锻件焊接结构，制造工艺性差，装配周期长。为此将外气缸改为整体铸造水平对开气缸结构形式。较原结构相比，气缸壁厚增加，刚性增强，装配工艺简化，装配周期缩短，装拆更加方便，利于外场维护。

1 重型燃机气缸结构改进前后特点分析

1.1 重型燃机原型机气缸结构特点分析

重型燃机原型机由进气气缸组件、压气机1-5级气缸组件、压气机6-15级气缸组件、扩压段、承力锥体、燃烧室、透平第Ⅰ-Ⅳ级气缸组件、透平后支承组件、轴承组件及燃机平衡转子组件等组成。除进气气缸组件为整环铸造气缸外，全部气缸均采用环锻件焊接而成，气缸壁厚多数仅14mm，为提高整机刚性，采用半环与整环交错连接，止口定心方式。此设计优点为整机重量较轻，便于实现整体运输；缺点是大尺寸薄壁锻件焊接工艺性较差，装配方式复杂，整机气缸刚性不强。

1.2 重型燃机改型机水平对开气缸结构特点分析

重型燃机改进型机外部气缸全部改为水平中分铸造气缸：进气气缸组件、压气机1-5级气缸组件、压气机6-15级气缸组件、扩压段、燃烧室气缸、透平Ⅰ-Ⅳ级气缸、后支撑气缸组件均改为水平中分铸造结构。燃机前支撑由在进气气缸下半缸主支撑安装边处后移至压气机第1-5级下半缸靠近水平结合面位置处。与原结构相比，燃机主支撑更靠近燃机转子止推盘主推力面（转、静子轴向相对死点）。

为减少带冠空冷叶片的叶冠铸造缺陷，燃机平衡转子组件中第Ⅱ级透平叶片新设计为不带叶冠锥面结构。相应气缸配合表面改为锥面，配合径向间隙保持不变。前、后支点轴承气缸组件以及前、后支承气缸仍为整环结构。除燃烧室气缸和承力锥、燃烧室外套和透平Ⅰ级气缸的连接配合仍采用止口型式之外，其余各气缸安装边之间均采用端平面对接、精密螺栓定位和螺栓固紧的配合连接形式。

2 燃气轮机气缸结构变化对总体结构的影响

2.1 结构变化对燃气轮机总体结构技术参数影响

改进前后燃气轮机主要结构参数对比见表1。

2.2 气缸结构变化对燃气轮机膨胀量的影响

原结构和改进结构燃机转子结构基本一致，压气机与透平隔板组件未发生变化，因此，两种结构燃机转、静子膨胀量的变化主要受气缸结构变化及前后支撑方式改变影响。

2.2.1 径向膨胀量。改进型重型燃机水平对开结构气缸选用ZG20SiMn和ZG15Cr13在同等温度分布的条件下均比原型机气缸选用0Cr11Ni2MoVNb线膨胀系数略大，工作状态转静子径向间隙在保持与原结构一致的条件下，可以保证转子自由转动。改进型重型燃机水平对开结构燃机经过试车，在工作转速3000r/min运行状态良好，前、后支撑振动没有出现周期性干扰信号，证明工作状态转、静子无碰磨。

2.2.2 轴向膨胀量。由于两种结构燃机转、静子的轴向相对死点--转子推力盘主承力面轴向位置未发生变化，因此，气缸在稳态下的受热膨胀量仅与气缸结构及材料有关。根据径向膨胀量的分析结果，同理轴向膨胀量能够满足两种结构燃机转子正常工作的需要。按划分平均温度区域的方法，分别计算改进型重型燃机水平对开结构透平第Ⅱ级工作叶片位置处的转、静子轴向膨胀量，结果见表1。

表1 透平第Ⅱ级工作叶片位置处的轴向膨胀量（额定工作状态）

从表1中可以看出，气缸在额定工作状态下较转子轴向膨胀量小，保证在该状态下转、静子无碰磨。在过渡态条件下气缸结构变化对膨胀量的影响主要体现在起动过程中，转子受热快，气缸受热慢，另外，壁厚增加会减弱膨胀速率，起动过程中会出现转、静子碰磨现象。经过磨合试车后，转、静子碰磨现象会得以消除。

2.3 重型燃机燃机气缸结构变化对整机装配的影响

2.3.1 转子与气缸装配方式的变化

原型机气缸多为整环结构，转子与气缸装配采用竖直装配方式，利用透平后支撑组件为定位基准，转子竖直装于透平后支撑组件中，按透平、燃烧室及压气机的顺序依次装配各段气缸组件。改进型机气缸为整体水平对开结构，前、后支承气缸均为整环结构。采用竖直装配方式装配气缸组件，燃机气缸水平装于前后支撑后，揭开上半缸，转子连同前、后支承气缸采用水平装配方式装入燃机下半缸中。

与原结构相比优点在于装配工作台降低，装配方便；下半缸落于燃机前后支撑上，减少翻转台架的使用次数；燃机转、静子轴向、径向间隙测量结果准确，符合实际情况。

2.3.2 燃烧室装配方式的变化

原型机与改进型机结构相比，燃烧室火焰筒与喷嘴未变化，装配方式仅受整机气缸装配方式变化而发生改变。原型机燃烧室零部件全部采用竖直装配方式；改进型机由于转子需水平装配，因此下半缸燃烧室采用竖直装配方式，上半缸燃烧室采用水平装配方式。

结论

本文通过对两种重型燃气轮机气缸结构以及气缸结构变化对整机结构的影响分析论证，得出目前重型燃机气缸结构设计的优点与不足。优点体现在气缸结构更加易装配、易维护，工艺性更强；不足之处在于对气缸结构对整机刚度的影响考虑还不足，局部装配困难。上述问题需要气缸结构进一步改进完善。

另外，本文提出对未来重型燃机气缸结构设计的几点建议和想法，仅供设计参考。

总之，重型燃机气缸结构设计是一项涉及多领域、多学科的复杂工程，设计工作无法一蹴而就，需要循序渐进，不断实践积累设计经验加以改进完善，这样才能使气缸结构更加易于市场接受，更加满足整机要求。

参考文献

[1]透平机械现代制造技术丛书.装配试车技术[M].北京：科学出版社.

[2]赵士杭.燃气轮机原理结构与应用.上册[M].北京：科学出版社.

[3]焦树建.燃气轮机与燃气-蒸汽联合循环装置.上册[M].北京：中国电力出版社.