燃氣輪機排氣裝置葉片結構與制造工藝優化*

劉 元 劉松濤

1.嘉興南洋職業技術學院 機電與交通分院 浙江嘉興 314031

2.浙江內曼格機械制造有限公司 浙江桐鄉 314500

1 優化背景

燃氣輪機是一種重要的動力設備,廣泛應用于電廠及其它大功率動力輸出場合,具有極強的適配性,能夠實現多種發電模式,不僅可以作為電網的調峰機組,而且更多用于電網的基本負荷發電,同時能滿足日益嚴格的環保要求[1-2]。就世界范圍而言,燃氣輪機發電已成為電力結構中的重要組成部分,我國已成為世界最大的燃氣輪機潛在市場。

排氣裝置是燃氣輪機的重要輔機之一,主要功能是引導氣體流向其它設備,實現能源再利用,保護轉子軸承在穩定的溫度下運行[3-4]。轉子軸承是燃氣輪機運行的重要部件,造價昂貴且維修困難。為軸承提供一個安全穩定的運行環境非常重要,既能降低運行成本,又能提高燃氣輪機的可靠性和安全性。由于電力行業的特殊性,燃氣輪機的計劃外停機不僅會對電廠自身的經濟效益產生影響,而且會對電網產生沖擊[5]。特別是在我國,燃氣輪機多在用電高峰月份或時段進行調峰運行,此時停機很可能造成區域性停電,進而影響人們的生產和生活。在某種程度上,燃氣輪機發電機組設備可靠性水平取決于燃氣輪機核心技術的掌握和國產化進程。

筆者以國內某超臨界重點發電項目配套燃氣輪機輔機的研制為基礎,重點針對SGT6-5000F排氣裝置的制造關鍵技術進行研究,對燃氣輪機排氣裝置葉片結構與制造工藝進行優化。

2 排氣裝置結構特點

排氣裝置是燃氣輪機的重要輔機,作用是對排出的空氣進行導向、消聲,引導氣流進入余熱鍋爐,有效利用余熱或經過冷卻過濾排入大氣,保護系統穩定運行,提高能源利用率。SGT6-5000F排氣裝置直接與燃氣輪機燃燒室相連,運行溫度高,氣流沖擊大。轉子軸承固定在內部,排氣罩必須具備高強度、高耐溫、高穩定性,確?？諝饬鲃痈咝?轉子運行穩定。排氣裝置結構如圖1所示,主要組成部分有排氣罩外殼、排氣罩內殼、軸承支撐座、隔熱系統、冷卻系統等。

圖1 排氣裝置結構

排氣罩外殼和排氣罩內殼由六個葉片連接,是排氣裝置的主要支撐結構,并組成空氣流動通道。

軸承支撐座安裝于排氣罩內外殼和葉片之間,主要作用是安裝轉子的軸承,以確保轉子高速穩定運行。軸承支撐座如圖2所示。

圖2 軸承支撐座

隔熱系統分為兩個部分。一個部分是排氣罩外殼的隔熱,主要作用是防止余熱過多損耗,提高熱能的利用率。另一個部分是軸承支撐座六個葉片的隔熱,主要作用是保護軸承,控制軸承室的溫度,確保軸承的穩定性。

冷卻系統通過循環空氣的冷卻,降低軸承室的溫度,為軸承提供適宜的運行環境。

3 排氣裝置葉片結構優化

排氣裝置一共有六個中空葉片,用于安裝軸承支撐座,這是排氣罩內外殼唯一的連接件。葉片位于空氣流通通道內,葉片的設計必須滿足結構功能及剛性、強度要求,還必須滿足對入口氣流流動阻礙最小化要求。利用PROE軟件建模,并用ANSYS前處理軟件進行網格劃分,以保證復雜流場的計算精度。給定邊界條件為入口平均壓力、入口平均溫度、排氣段出口靜壓力,采用CFX軟件對優化設計前后方案進行三維流體動力學計算[6-7]。

排氣裝置葉片前端直接面對渦輪末級出口來流的沖擊,該處氣流流速快,損失大,流場分布復雜,是影響排氣段整體流動性能的關鍵因素。通過結構強度計算和空氣流速等模擬分析,考慮實際加工生產工藝和結構強度需求,改變葉片的弧度,優化型線為流線型,葉片結構完全由圓弧和直線段組成,可以減小高速氣流對葉片的沖擊及流動損失,延長葉片使用壽命,提高排氣段流動效率,有效滿足燃氣輪機實際使用要求。排氣裝置葉片結構型線如圖3所示。

圖3 排氣裝置葉片結構型線

4 排氣裝置制造工藝優化

4.1 制造材料

排氣裝置排氣罩主材原計劃選用厚度為12 mm的347不銹鋼,但鋼廠生產周期長,且價格較昂貴,為降低成本要求和提升產品競爭力,經過綜合性能對比、計算和分析模擬驗證,結合實際運行環境分析,選用耐腐蝕性、耐高溫性、抗蠕變性、焊接性、熱強性與347不銹鋼相近的321不銹鋼作為排氣罩主材,可以滿足排氣裝置穩定運行的要求。確認后續的排氣裝置均采用321不銹鋼,降低了制造成本,提高了產品在行業中的競爭力。

4.2 焊接材料

排氣裝置結構焊接原設計選用E347T1-1焊材,計算分析完全滿足運行要求,但是客戶現場反饋,在長期高溫運行過程中,焊縫有出現裂紋的情況,遠低于排氣罩的計算壽命。經研究,需要使用能滿足高溫運行性能良好,能提升燃汽輪機可靠性,能延長排氣罩實際壽命,減少現場維護費用的焊材。通過計算分析論證,選用ERNiCr-3焊材,可有效克服E347T1-1焊材在高溫下長期運行性能不穩定的缺陷。雖然ERNiCr-3焊材比E347T1-1焊材成本提高10倍左右,但是提升了燃氣輪機的可靠性,延長了排氣罩的壽命,減少了現場維護的費用。

4.3 焊接工藝

燃氣輪機結構尺寸大,工作環境復雜,運行穩定性要求高,對整體結構的焊接成型要求高,排氣裝置同樣如此。制造中,最重要也是最難的是裝入軸承支撐座后最終焊縫的焊接。排氣裝置上下兩端法蘭分別于透平端與第二級排氣罩精密相連,精密尺寸必須通過焊接來保證。由此,對于排氣裝置,優先推薦采用整體組裝焊接,完成后整體機加工[8]。由于組裝完成后體積龐大,能滿足加工要求的大型設備較少,且機加工費用昂貴。對此,經研究并進行工藝試制,先分體機加工,再利用特定工裝組裝焊接,嚴格控制工藝流程,能順利保證尺寸及性能要求。以上技術的采用在較大程度上降低了制造成本,提升了行業競爭力。

對于排氣罩主材12 mm厚度的321不銹鋼,在焊接過程中會產生較明顯的應力集中及收縮量不規律,不利于后續加工裝配和實際運行。對此,優化焊接工藝,采用特定的焊接工裝,并且采用預加熱保溫、雙工位同時對稱焊方式,進行小電流慢速焊,減少熱輸入,有效控制變形量及焊接收縮不均勻問題[9-10]。依據材料特性,反復試驗得出最優的熱處理溫度為860～890 ℃。輔以特定的熱處理工裝固定,既能保證去除焊接應力,又能將變形最小化,確保產品的重要尺寸要求。加工完成后的排氣裝置如圖4所示。

圖4 加工完成后排氣裝置

5 結束語

筆者對國內某超臨界重點發電項目配套燃氣輪機排氣裝置的結構特點進行了分析,優化了葉片結構及關鍵部件的制造工藝。

利用PROE及ANSYS相關處理軟件對排氣裝置葉片進行模擬分析,優化葉片型線,創新葉片結構,減小葉片所受的沖擊,提高葉片的可靠性。內部運行溫度達到598 ℃,排氣質量流速達標,為571kg/s,轉子在3 600 r/min轉速下穩定運行。

優化了排氣裝置的制造材料、焊接材料、焊接工藝及熱處理工藝,提升了排氣罩的可靠性,延長了壽命,降低了制造成本,減少了現場維護費用,提高了排氣裝置在行業中的競爭力。