多工质高温高速套装转子优化设计

于忠斌廖健鑫

（1.海军装备部，四川 成都，610000；2.东方电气集团东方汽轮机有限公司，四川 德阳，618000）

0 引言

氦气透平为第四代核电钍基熔盐堆岛外闭式循环的重要设备，熔盐堆的最大特点是采用溶解在氟化锂、氟化钠等氟化盐中钍的液态融合物作为燃料，无需专门制作固体燃料组件。与其他类型的反应堆相比，熔盐堆具有固有的安全性，灵活的燃料循环特性和采用布雷顿循环的独特优点。

转子是透平装置的关键部件，它将工质作用在叶片上的圆周力转换成旋转的机械能并通过它带动发电机发出电能。转子工作时承受着各种复杂的应力，有时还会经受激烈的振动，合理设计转子结构至关重要。

1 设计参数

由于氦气成本较高，因此常规运行时也要求采用氮气或空气进行模拟，因此机组需具备同时能够运行在氦气、氮气、空气多种工质下的能力。工质不同，各工况所要求的温度、压力以及转速均存在较大差异。详细设计参数见表1。

表1 物性参数

由于空气和氮气差别较小，因此将多参数进行合并，同时校核。而氦气物性差异较大，为满足压比要求，机组在对应工质下需要的转速也存在较大差异。

经评估，在氦气工质下，机组膨胀比达到1.09时需要的工作转速为9 600 r/min，在氮气空气工质下，机组的膨胀比达到1.09时需要的工作转速为4 200 r/min。氦气工质下温度为600 K，而氮气空气工质下温度更高，为800 K。同时，多种工况的气动功率差别较大。

因此，氦气工况运行时，机组低温、高速、大功率；氮气空气工况运行时，机组高温、低速、小扭矩。

为确保机组安全运行，需分别对氦气、氮气空气工况进行考虑，确保设备能同时满足多种不同工况的要求。

2 转子结构形式

透平转子常用型式有套装叶轮转子、整锻转子、焊接转子和组合转子。考虑到用户要求，该项目采用套装叶轮转子结构，见图1。

图1 转子套装结构

该机组氦气工况为高速低温，氮气空气工况为低速高温。为确保机组安全稳定运行，需分别对氦气、氮气空气不同工况的转子特性进行校核。

套装转子是借助叶轮内孔与主轴之间的过盈配合将叶轮热套在主轴上，用轴向键或径向键来传递扭矩。其特点是单件加工方便，制造工艺简单；主轴、叶轮可采用不同材料；主轴和各级叶轮可分散平行加工，生产周期短；叶轮、主轴等锻件尺寸小，质量容易保证。但转子刚性较差，静挠度较大；轮孔应力大；在高温下工作时，叶轮和主轴间容易松动，不利于机组快速启动。因此在使用时需综合考虑。

3 材料选择

考虑到转子温度梯度及应力差别，主轴和轮盘选取不同材料。转子材料为合金钢，轮盘材料为高温合金。

计算得到的轮缘应力氦气工况下（～9 600 r/min）为～650 MPa，氮气空气工况下（～4 200 r/min）为～450 MPa。该机组多个工况温度相差较大，材料需同时满足多个工况的温度、强度要求。

4 套装结构

轮盘切向力主要依靠键来保证，因此不需要太大的摩擦力来保证切向相对静止，仅需要保证在工作温度下轮盘与转子不脱开。轮盘后设置定位环，对轮盘轴向进行定位。右侧气封因为质量较小，考虑进行红套。

该机组氦气工况时转速较高，由离心力引起的变形较大，用键来保证切向相对静止，过盈量只需保证在工作转速下轮盘与转子不脱开即可，过盈量相对较小。套装方案见图2。

图2 转子套装方案

5 计算过程

转子套装方案计算流程见图3。

图3 计算流程图

5.1 高温径向膨胀计算

机组在氮气空气工况下温度为800 K，轮盘线膨胀系数差为0.8×10-6/℃，接触面孔尺寸Φ180 mm。经计算，轮盘与转子膨胀量半径差值为0.037 mm。

机组在氦气工况下温度为600 K，在该温度下轮盘与转子线膨胀系数差为0.6×10-6/℃。膨胀量半径差值0.017 mm。

5.2 离心力引起的变形计算

利用商业软件Ansys workbench对转子离心力引起的变形进行计算。使用周期对称模型，转子与轮盘过盈量为0时施加氦气工况转速，使得转子与轮盘同步计算，离心力同时引起轮盘与转子的变形，如图4所示，经计算得到轮盘与转子的间隙即可认为是由于离心力引起的多部件变形的差值。

图4 轮盘与转子离心力引起变形

由于氮气空气工况转速较低而离心力与转速平方成正比，因此不对氮气空气工况进行计算。

由热膨胀与离心力引起的变形量可共同确定该转子初始的过盈量为单边0.23 mm。可保证在氦气工况下转子与轮盘不脱开。

5.3 冷态应力计算

冷态为转子套装后轮盘与转子温度为常温。该状态由于轮盘与转子过盈量的恢复会在接触面存在较大的应力。

5.4 氦气设计工况计算

设置过盈量单边0.23 mm，转速9 600 r/min，温度600 K，同时在叶轮外侧施加氦气工况下气动扭矩。要求在该工况轮盘与转子接触应力（见图5）不为0，同时，接触间隙（见图6）为0，表明轮盘内孔与转子完全接触。

图5 氦气工况接触应力

图6 氦气工况接触间隙

因此，可认为氦气工况计算合格。

5.5 氮气空气设计工况计算

设置过盈量单边0.23 mm，转速4 200 r/min，温度800 K，同时在叶轮外侧施加氮气空气工况下气动扭矩。要求在该工况轮盘与转子接触应力（见图7）不为0，同时接触间隙（见图8）为0表明轮盘内孔与转子完全接触。

图7 氮气空气工况接触应力

图8 氮气空气工况接触间隙

因此，认为氮气空气工况计算合格。

6 结论

机组需同时在氦气和氮气空气工况下运行，为确保机组同时满足多种不同工况需求，对不同转速和温度下的转子结构、强度、接触等分别进行论证。经评估，结果满足设备运行要求。转子评估过程可作为类似高温高速多工质透平的转子评估参考。