核电35 MW小汽轮机整体发货结构方案研究

邱健，段增辉

(东方汽轮机有限公司，四川 德阳，618000)

1 前言

近年来，随着国家高附加值制造业走出去战略及国内经济转型升级形势的推动，国内电站设备制造商越来越重视开拓海外汽轮发电机组市场。东汽作为核电常规岛设备制造的大型企业，响应国家号召，为核电汽轮机出口作了积极准备。考虑到海外项目路途遥远，当地电建公司水平不明，长途发货、安装质量、安装周期、人工成本等方面不易控制，在核电35 MW小汽轮机方案设计时，决定进行机组带排汽缸整体发货方案的研究。

2 整体发货与传统发货的对比[1]

汽轮机传统的散件发货方式在发货过程中经常出现零件缺漏发及错发问题。在现场安装时，安装周期较长且繁琐，对现场安装工人的要求较高，安装质量受到电厂所在国家建设及制造水平限制；安装过程中若发现零部件加工质量问题难以解决，影响安装周期。

整体发货主要特点：在制造厂内将零件全部总装到位后发货，不存在零件缺漏发及错发问题；整体模块尺寸及质量大，需考虑运输条件限制（公路运输限制条件与汽轮机尺寸对比见表1）；现场安装时不开缸，所有模块零件安装到位，大幅减少现场安装工作量，降低了现场总装难度。因此，整体发货有效地降低了昂贵的运输成本和现场安装用工成本。

表1 公路运输限制条件与汽轮机尺寸对比表

经对比，核电35 MW小汽轮机整体发货尺寸及重量要求满足公路运输条件限制。到达乐山后采用河运及海运，对整体发货无限制。

东汽已在燃机联合循环汽轮机高中压模块及多台火电汽轮机的高压或高中压模块实现了整体发货，因此有经验及能力进行核电35 MW小汽轮机整体发货运输方案的研究。

3 整体发货技术方案介绍

由于核电35 MW汽轮机功率小，进汽参数低，采用单缸结构，汽缸前部与排汽缸通过垂直法兰连接，整个汽轮机结构紧凑，因此，设计了整个汽缸模块的整体发货方案。汽轮机的整体发货示意图见图1。

图1 整体发货示意图

3.1 总体设计

整个汽缸模块通过前部的推拉装置和后部的定位键实现横向固定，通过推拉装置、下半猫爪定位键、排汽缸侧部定位键实现轴向固定，通过特制螺栓与钢制运输支架把合以实现天地向固定。

汽缸设计时，吊耳的大小充分考虑了整体起吊时模块重量产生的载荷，在整体起吊时，可以直接通过起吊汽缸下半猫爪吊耳，此时，运输支架的重量由天地向固定的特制把合螺栓承受，也完全满足强度要求，见图2。

图2 整体起吊方案图

3.2 结构设计

运输支架为专用的焊接钢制支架，在运输、停放以及现场安装过程中，运输支架支撑和固定整个模块，提供紧固件、定位件的生根。

在运输及存放过程中，前部假汽封能够起到支撑转子、转子轴向定位、密封的作用。为方便拆装前部假汽封，前部假汽封机与汽缸采用外把合方式。模块电机侧由于排汽缸结构限制，整体发货时后汽封拆装困难，因此转子电机侧采用轴承支撑或者假轴承支撑。

转子护罩焊接在运输支架横梁上，用以保护转子外伸段免受外界损伤与腐蚀。特制螺栓两端分别与转子靠背轮、运输支架把合，以防止运输过程中转子旋转及轴向窜动过大。

厂内总装完毕后，轴向测量和径向测量块用以指示位置并标记，待整体发货到达电厂后用以恢复转子相对于汽缸的位置。

大部分运输过程都是潮湿的海上环境，对整体发货模块有很大的腐蚀作用，且各进排汽口、抽汽口、疏水口及各精加工配合面需要保护以防碰磨损坏，因此需要进行密封防锈。主要密封防锈件有：气相保护剂；防锈薄膜和铁皮罩；防锈纸、铝箔纸和布口袋；防锈油和干燥剂；防雨罩。

4 运输支架强度校核

支架的设计必须保证足够的强度和稳定性，不致因支架断裂坍塌导致整个高压模块受损。前后端转子罩壳在所有工况下都不承受载荷，结构复杂但对转子强度加强作用不明显，导致划分网格难度增大，因此，有限元模型中将转子护罩去掉。

4.1 网格划分

计算网格模型如图3所示，采用线性四节点四面体单元，模型共有1325 945个单元，411277个节点，并对关键支承梁进行了局部网格加密。

图3 计算网格模型

4.2 计算工况

在实际运输过程中，匀速运输及停放时，运输支架只承受模块重力，而在路上急刹车工况和海上运输船体倾斜工况时运输支架还承受一定的轴向及横向冲击载荷，因此只计算后两种恶劣工况下的强度和稳定性，具体计算工况及内容见表2。

表2 运输支架计算内容

4.3 边界条件

计算中，支架底板下表面三个方向位移都进行约束。将每个载荷承受面所受的力除以力的作用面积，转化为软件的输入载荷。在公路运输过程中，设定运输车辆最大时速为40 km/h，最大加速度为-1.4 m/s2；在海洋运输时，根据 《钢质海船入级规范》规定，船体的纵倾最大角按照5°计算，横倾最大角按照15°计算[2]。

4.4 计算结果

·路上运输：应力最大处 （148.4 MPa）为支架前部横梁处，安全系数为1.52，且绝大部分应力小于50 MPa，形变最大处 （0.836 mm)在支架中部横梁处，远小于模块内部通流间隙及模块与支架支承处的间隙，见图4。

图4 路上运输极限工况应力及应变图

·海上运输：应力最大处 （168.1 MPa）为支架前部横梁处，安全系数为1.34，且绝大部分应力小于70 MPa，形变最大处 （0.905 mm)在支架中部横梁处，远小于模块内部通流间隙及模块与支架支承处的间隙，见图5。

图5 海上运输极限工况应力及应变图

4.5 计算分析

综合上述计算分析可知：虽然在个别应力尖点，运输支架的安全系数未达到2，但支架整体应力水平很低，不会产生不可逆转的严重变形甚至支架断裂坍塌，在整个运输过程中支架安全可靠，其强度、刚度和稳定性满足设计要求。

5 结语

随着电力设备市场竞争日趋激烈，控制并减少成本成为提高机组竞争力的必要途径。在满足运输条件限制的前提下，与传统的发货方式相比，在保证机组质量的同时，整体发货具有操作简捷、工期短、运输及安装成本低等优点，因此小机组整机式整体发货、大机组模块式整体发货将得到广泛应用。文章论证了35 MW核电小汽轮机整体发货方案的可行性，并为东汽后续采用整体发货的核电机组积累了设计经验。

[1]黄庆华，肖蕾.汽轮机高中压合缸模块整体发运技术研究[J].热力透平，2012,41（2）：127-130.

[2]中国船级社.钢质海船入级规范：第3篇：轮机[S].2014,7.