汽轮机罩壳轻量化设计

2018-04-10杨增超何阳阳

东方汽轮机 2018年1期

杨增超，何阳阳

（德阳东汽电站机械制造有限公司，四川德阳，618000）

0　引言

近年来，随着国内制造行业产能过剩的严峻形势，电厂业主对汽轮机罩壳隔音性能要求越来越高、对汽轮机罩壳外观美观度[1]要求提高及对汽轮机罩壳采购价格不断压价。面对汽轮机罩壳市场竞争越来越激烈，为提升汽轮机罩壳产品的市场竞争力，必须在保证汽轮机罩壳隔音性能不变及一定美观度的情况下，降低汽轮机罩壳生产成本。

1　汽轮机罩壳技术背景

汽轮机罩壳生产模式为厂内模块化生产，模块运输到现场后现场拼装。汽轮机罩壳模块主要包括外表面面板、内表面多孔板以及它们之间的骨架和吸音填充物。相邻两个模块连接部位内层多孔板上设有手孔盒，用于螺栓连接两个模块。外表面面板四周折弯焊接于骨架上，保证焊缝不暴露在罩壳外表面而影响美观。内表面多孔板采用自攻螺钉固定。吸音填充物采用玻璃纤维棉，它与多孔板之间铺设一层耐高温纤维布[2]。总体而言，汽轮机罩壳主要分为以下四个部分。

1.1　吸音部分[3]

当入射音声波进入吸音材料内时，受到空气分子摩擦和粘滞阻力，以及使细小纤维作机械振动，从而使声能转变为热能，使得音波减弱，音量自然也就变小。常用吸音材料有玻璃纤维棉、聚酯纤维棉、硅酸铝棉等，汽轮机罩壳吸音材料常采用玻璃纤维棉（见图1）。

图1　玻璃纤维棉

1.2　隔音部分

当入射音声波接触到隔音材料时，使得隔音材料产生振动，另一侧空气因受材料振动影响，产生声波继续向前传递，故当隔音材料越结实，其振动愈小，隔音效果愈好。常见隔音材料有钢材、玻璃、钢筋混凝土等，汽轮机罩壳隔音材料常采用钢板。

1.3　骨架部分

汽轮机罩壳模块中，骨架采用槽钢、矩管及角钢焊接而成。为保证罩壳厚度及整体结构强度，汽轮机罩壳常采用槽钢型号及材质为：80X43X5Q235-B，采用矩管型号及材质为：80X60X4Q235-B和80X40X3Q235-B。

1.4　附件部分

根据电厂业主要求罩壳还具有以下附件：门、窥视窗、照明系统、扶梯等。

2　轻量化改进方向分析

在以上汽轮机罩壳四个部分中吸音部分和隔音部分为汽轮机罩壳的核心部分，两者结合起来，整体可达到良好吸音降噪的效果。如果要从这两部分降低成本，就需要减少材料用料或选用价格低廉的替代材料。为保证汽轮机罩壳隔音效果减少材料用料肯定不行，选用价格低廉的替代材料需要对吸音材料和隔音材料进一步研究对比。此外附件部分是业主要求必不可少的部分，制造成本也不高，降低其成本对罩壳整体成本影响不大。所以降低汽轮机罩壳成本必须从其骨架部分入手。

骨架部分在汽轮机罩壳模块中所起作用为支撑整体结构强度，但根据统计，在高中压缸侧板模块中，骨架重量占整体模块重量的42%左右，在高中压缸顶板中，骨架重量占整体模块重量54%左右，故骨架在支撑模块重量时很大程度上要支撑自身重量。如果轻量化设计骨架部分，汽轮机罩壳模块整体重量将减轻，对骨架强度要求也随之降低。

3　原骨架结构介绍

汽轮机罩壳在实际电厂运行过程中不受外界载荷，只需要起到隔音降噪的效果，并且承受住自身重量保持模块不变形即可。在罩壳高中压缸侧板模块中，骨架要支撑部分顶板的重量。在罩壳高中压缸顶板模块中，骨架要保持顶板模块不变形，不出现凹陷变形情况。以阿克苏1#罩壳为例，其外形布局如图2所示，侧板标准模块如图3所示。

图2　阿克苏1#罩壳

图3　侧板标准模块骨架图

在图3标准模块中，总共有3个立柱，立柱1为型号为80X43X5Q235-B的槽钢，立柱2为型号为80X60X4Q235-B的矩管，这三根立柱要支撑顶板模块的部分重量。顶梁与底梁都为80X43X5Q235-B的槽钢，顶梁与底梁在模块中分别于顶部模块、地面相连接。

在阿克苏1#罩壳中，立柱1与立柱2数量统计见表1（立柱3为罩壳墙板转角处型号为125X80X7/Q235-B的角钢）。

表1　立柱数量统计

4　轻量化设计

采用上海埃锡尔数控机床有限公司的PSH-100/4100S型电液同步数控折弯机[4]将1.5 mm厚冷轧钢板边缘折弯成C型结构，冷轧钢板中间的矩管与Z型加强梁布设方式与原骨架一致。C型结构如图4所示，保证罩壳厚度及外形尺寸与原模块一致。模块内部填充的吸引材料玻璃纤维棉厚度与原模块一致，保证其隔音效果不变。

图4　轻量化设计截面图

采用1.5 mm厚冷轧钢板两侧边折弯成C型结构，在折弯区域（见图5）材料因折弯变形形成加工硬化，增加了其稳定性。冷轧钢板在折弯过程中，冷轧钢板发生塑性变形，晶粒发生滑移，出现位错的缠结，使晶粒拉长、破碎和纤维化，金属内部产生了残余应力等，使其强度和硬度都明显增强。

图5　折弯示意图

5　受力分析

采用1.5 mm冷轧钢板两边折弯成C型结构，将高中压缸墙板中所有槽钢换成C型结构后，模块组合后C型结构互相连接示意图，见图6。

图6　C模块间连接图

将顶板模块中的8#槽钢与角钢全部换成这种C型结构后，统计得到罩壳顶板总重量为3856 kg。在图1中可以看出支架会承受一部分罩壳重力，但在此处只考虑28个矩管支柱与25个C型结构组合支柱承受罩壳顶板总重量，平均分配每个支柱承力73 kg。对C型结构组合支柱进行模拟受力分析见图7，从结果可以看出，最大应力为121 MPa，小于钢板屈服应力235 MPa，符合强度要求。