摘要：针对某化工企业用合成气汽轮机高参数、高转速、高功率等要求的问题，基于透平热力学理论，提出了一种反动式工业汽轮机设计方案。使用透平强度理论对汽轮机直叶片的应力进行了详细计算，使用有限元分析对调节级叶片、末级扭叶片的应力进行了详细研究，使用转子动力学理论对汽轮机转子4 种不同振型的不平衡响应振动进行了详细分析。利用动平衡机对转子进行了高速动平衡试验，同时通过汽轮机空负荷试验，检查了转子的实际振动情况。试验结果表明，汽轮机的功率与转速均满足用户的要求，叶片的应力在许用范围之内，叶片强度满足要求，转子的临界转速具有足够的避开余量，转子的振幅不超过25 μm，符合API612 的要求; 该设计方案可满足用户的要求，能广泛满足合成气压缩机的驱动需求。
关键词：驱动合成气；压缩机；汽轮机设计
前言
目前的合成气生产装置均是以大型化发展为主，驱动合成气压缩机用汽轮机(以下简称: 合成气汽轮机) 的功率一般在8000kW ～15000kW之间，为了提高压缩机的效率，要求汽轮机的转速越高越好，一般在10000 /min 以上。为满足驱动压缩机的要求，合成气汽轮机具有高参数、高转速、高功率等特点，它的设计难点在于: 工作转速太高而且工作转速变化范围大，转子的临界转速必须具备足够的避开余量; 为增加转子的刚性，转子的总长尽量缩短，导致汽轮机叶片级数较少，每一级叶片的功率很大，对叶片的强度、效率要求很高。本研究针对某化工企业合成氨改造工程用合成气汽轮机的要求，基于透平热力学理论提出一种反动式工业汽轮机设计方案，并使用有限元分析方法、转子动力学理论、动平衡试验方法对该汽轮机的强度、振动进行分析、试验，证明本研究提出的设计方案满足API612以及用户提出的相关要求，能广泛满足合成气压缩机的驱动需求。
1 汽轮机设计方案
1.1 汽轮机技术参数及结构特点
本研究介绍的合成气汽轮机蒸汽参数如表1所示。
汽轮机的主要结构特点为: 汽缸分为进汽缸和排汽缸，两者通过垂直法兰面相连接，整个汽缸有水平中分面，上、下缸通过法兰面和螺栓连接。汽轮机径向轴承为可倾瓦轴承，推力轴承为自平衡式金斯伯雷( Kingsbury) 推力轴承。汽轮机转子为整锻钢结构，调节级为冲动式直叶片，中间压力级为反动式直叶片，低压级为扭叶片，均为不调频叶片。汽轮机中间设有一个蒸汽溢流口和一个可调抽汽口，用于控制抽汽量，满足生产工艺用汽需求。
式中: Gcr—喷嘴临界流量，p0—新蒸汽压力，V—新蒸汽比容，μ— 流量系数，Acr— 喷嘴通流面积，G— 蒸汽总流量，h s— 汽轮机有效效焓降，ηi— 汽轮机相对内效率。根据热力计算得出汽轮机的通流部分，它由1 个调节级、10 个直叶片压力级、3 个扭叶片级组成，相关通流结构如图1 所示。
1.3 叶片强度分析
汽轮机的动叶片在高速转动时产生很大的离心力，同时还要承受高速汽流产生的作用力，因此对叶片的强度研究、防止叶片断裂必须十分重视。压力级直叶片采用T 型叶根结构，透平强度理论将其当成一端固定的悬臂梁来研究。压力级直叶片的强度校核公式为:
σsum = σbd + σzc + σbc ≤ σzul ( 3)
式中: σsum － 叶片总应力，σbd － 汽流弯应力，σzc － 离心力引起的拉应力，σbc － 离心力引起的弯应力，σzul － 材料允许的应力值。研究显示，传统的零部件强度校核方法，不适用于有限元计算结果的安全性评价。研究显示，应力集中部分承受非振动载荷时，计算的局部最大应力允许达到2 倍屈服极限，但不能超过2 倍屈服极限。根据计算结果，调节级叶片、末级扭叶片的局部最大应力值分别为677．1 MPa 和857．3 MPa，叶片对应的2 倍屈服极限分别为906 MPa和1020 MPa，叶片强度满足要求。
1.4 汽轮机转子动力学分析
汽轮机转子的设计除了满足热力通流效率要求、保证有足够的强度之外，还必须考察转子的动力学特性，避免在运行过程中出现共振现象而危及机组的安全运行。在工业汽轮机行业内，API612 是国际上普遍采用的转子动力学分析和评价标准，它采用的分析方法为: 通过施加按某阶振型的不平衡质量M，以激起该阶振型的不平衡响应，并通过计算一定转速范围内不平衡响应的振幅A，由共振峰值位置得到该阶振型的临界转速。根据转子动力学理论，转子-支承系统的振动微分方程为:
M¨u + ( C + G) u + Ku = F ( 4)
式中: M— 质量矩阵，C— 阻尼矩阵，G— 陀螺矩阵，K— 刚度矩阵，u— 响应位移矢量，F— 不平衡量引起的激振力。本研究使用杭汽专用的转子振动程序进行计算，程序采用传递矩阵法进行求解。
为保证转子安全运行，API612 规定转子的临界转速必须有足够的避开余量，根据API612 提供的公式，计算出转子的避开转速范围为7 752 r /min ～14 750 r /min，即在此范围之内不能出现临界转速。
2 汽轮机转子运转试验及结果分析
根据API612 以及NEMA SM23规定，汽轮机必须在运行转速范围内进行动平衡试验和空负荷试车试验，以检验汽轮机的一般运转情况和转子振动情况等。本研究试验使用的动平衡机为德国Schenck 8T动平衡机。
其主要特点为使用周向等刚度的支架，在真空室中将转子驱动到所需的平衡转速进行测量、平衡; 操作人员通过测量轴承振动烈度或轴振幅，通过各种平衡方式使被平衡转子达到设计要求的平衡精度。API612 规定转子在最高连续转速或规定运行转速范围内的任何其他转速下，转子对应每个径向轴承面上的振幅峰值不能超过25 μm。试验结果表明转子的振动满足API612 的要求。
3 结束语
随着合成气生产装置的大型化发展，为满足合成气压缩机的驱动需求，合成气汽轮机具有高参数、高转速、高功率等特点，这对汽轮机的热力设计、叶片强度、转子振动提出了很高的要求。本研究针对合成气汽轮机特殊要求的问题，提出一种反动式工业汽轮机设计方案，通过使用透平强度理论、有限元分析对汽轮机叶片的强度进行了研究，使用转子动力学理论对转子的振动进行了研究，并通过进行高速动平衡试验和空负荷试车试验，验证了叶片的强度、转子的振动均符合要求，表明本研究的设计方案满足API612 以及用户提出的相关要求，为解决该类问题提供了一种新的思路。
参考文献
[1]蓝吉兵,丁旭东,陈金铨,毛汉忠,孔建强. 高参数高转速工业汽轮机转子稳定性评估[J]. 热力透平. 2015(01)
[2]宋灿,吕彦明,魏中兴. 基于透平叶片精度分析的计算机辅助夹具系统设计[J]. 液压气动与密封. 2015(02)
论文作者:陶野 王浩
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第17期
论文发表时间:2017/11/22
标签：汽轮机论文; 转子论文; 叶片论文; 合成气论文; 转速论文; 应力论文; 强度论文; 《建筑学研究前沿》2017年第17期论文;