汽轮机喷嘴（共4篇）
汽轮机喷嘴 篇1
0 引言
汽轮机喷嘴一般由喷嘴组与喷嘴室两部分组成, 其中焊接结构喷嘴在大型电站用发电汽轮机组中广泛应用。焊接结构喷嘴的喷嘴组与喷嘴室通常经过真空电子束焊形成整体喷嘴, 焊接过程由大型真空电子束焊机完成。然而由于大型真空电子束焊机维修期相对较长且维修困难, 在实际生产过程中一旦遇到焊机维修就会影响生产制造进度, 此外由于电子束焊接过程对工件含磁量要求较高, 一旦出现含磁量超标的情况, 就无法使用真空电子束焊的方式进行焊接。因此有必要开发一套行之有效的焊接方案来解决以上问题, 既要完成喷嘴的装焊, 又要保证焊接质量, 最终摆脱喷嘴装焊对大型电子束焊机过分依赖的窘境。1 可行性分析
在讨论窄间隙自动焊代替真空电子束焊的可行性之前, 首先简要介绍一下此类喷嘴在设计过程中选用真空电子束焊接的主要原因。喷嘴采用电子束焊接方式的原因主要有三点:首先是电子束焊接坡口小、产热低, 易控制焊接变形;其次是电子束焊属于无焊材熔接, 熔焊区、热影响区小;再者是传统手工焊接方式受焊工技能水平和焊接工艺水平限制, 焊接变形不易控制、焊接质量不易保证。由于这3 个因素的限制, 使得焊接喷嘴在设计之初一般都倾向于设计成电子束焊的结构。但是随着窄间隙焊技术的发展和焊接工艺水平的提高, 以及电子束焊自身存在的一些限制因素, 电子束焊接的优势从客观上已不再明显。
1) 目前的窄间隙焊技术可以将焊接坡口尺寸缩小到传统焊接坡口的一半或更小, 焊接坡口的减小意味着熔焊金属量的减少, 同时伴随着产生焊接热量的减少, 再加之焊接工艺的进步, 对变形的控制也达到了较高的水平。
2) 电子束焊接受零件含磁量影响较大, 一旦含磁量超标, 则容易在焊道内产生电子束切割效应, 这种切割效应不但不能使喷嘴组与喷嘴室焊成一体, 反而会将两部件的基体切割开, 导致产品报废。为了避免这种可能存在的隐性缺陷造成严重危害, 目前通常采取在焊道末端进行手工加强焊接。这种手工加强焊接的施焊量仍然很大, 加强区的热影响区范围反而大于窄间隙焊坡口外端的热影响区。
3) 根据现有的焊接技术及工艺水平, 焊缝的缺陷等级已经远低于铸造件本体的缺陷等级, 焊缝及热影响区的强度也较从前大大提高。
基于以上几点原因, 笔者认为使用窄间隙自动焊技术代替电子束焊存在一定的可行性。因此笔者预期通过对焊道改型并通过窄间隙自动焊试验对此构想进行验证, 以期得到理想的结果。
2 试验方案及焊接工艺
基于可行性论证中的分析, 制定试验方案为:1) 改变传统手工焊接的焊接坡口型式, 采用窄间隙坡口, 见图1。2) 焊接采取氩弧焊打底, 窄间隙焊填充的方式进行, 取消手工加强焊。3) 焊后进行探伤及去应力热处理, 工件在炉内摆放平整, 以免产生重力变形。4) 热处理完成后进行尺寸及形位公差检查, 并对随炉焊样进行性能试验。
根据试验方案, 制定试验工艺如下:
1) 清理。对喷嘴组与喷嘴室之间的焊缝进行认真清理。
2) 预热。对喷嘴整体预热至100~150℃。
3) 打底焊。采用单面焊双面成型方式, 使用TGS-9cb焊丝对喷嘴根部进行封底焊接。焊接参数为:极性为直流正接;焊丝规格为 φ1.2;电流为110~130 A;电压为11~13V。
4) 预热。对喷嘴整体预热至200~250℃。
5) 焊接。焊接采用熔化极气体保护自动焊焊接, 焊材选用ER410。焊接参数如下:极性为直流反接;焊丝规格为φ1.6;电流为210~300 A;电压为30~33V;气体流量为25~30L/min。施焊前应清理坡口及附近的污物, 按图2 进行, 焊缝不得有裂纹、气孔、夹渣、未熔合等焊接缺陷。
6) 回火。整体入炉回火, 回火温度740℃±10℃, 升温速度≤100℃/h, 保温8h, 降温速度≤70℃/h, 200℃以下出炉空冷。
3 结果分析
对主焊道探伤未发现超标缺陷显示, 证明窄间隙自动焊的焊接质量可以满足喷嘴焊接需要。试验件进行性能试验, 屈服强度、硬度结果均满足设计要求, 证明热处理温度、保温时间及冷却方式合理。
进一步检查喷嘴尺寸, 发现直径变形量-0.77 ~+1.35mm, 出汽端面变形量-1.14~+0.85mm, 按照精加工余量3mm计算, 已经完全能够满足加工需要。但是由于圆变形较大, 节圆直径的偏差对通流盖度产生了较大的影响, 这种偏差会导致流场内产生涡流, 涡流会遮挡汽道, 降低机组热效率。
针对圆变形大的现状, 通过热校型的方式对变形进行矫正, 矫正后的喷嘴圆变形控制在±0.5mm以内, 已经能够满足通流需要。后续试验中计划通过调整临时加强筋的焊接部位、增加临时加强筋的数量、调整回火过程中喷嘴摆放姿态等手段将圆变形直接控制在±0.5mm以内。
4结论
通过分析与试验, 证明汽轮机喷嘴采取窄间隙焊接方式替代电子束焊接方式行之有效, 不但焊缝与热影响区的性能满足设计要求, 焊后变形也能够控制在加工允许范围之内, 如果使用在实际生产中, 将能够解决电子束焊机维修期间喷嘴装焊的难题。这种焊接方法的试验成功也为汽轮机喷嘴装焊提供了一种新的选择。
汽轮机喷嘴 篇2
汽轮机是一种利用蒸汽热能来做功的回转动力机械, 是将热能转化成机械能, 向外输出动力的机械装置, 在电力工业、交通运输及国防等众多部门得到了广泛应用。在冶金、化工等部门中也有不少使用汽轮机来带动水泵和风机, 此外许多大型舰船也是使用汽轮机作为原动机。在工业生产过程中有余能和余热的地方, 也广泛使用着不同类型的工业汽轮机, 以充分发挥热能多次梯级利用的优点, 提高了生产的综合效益。所以, 到目前为止, 汽轮机无论在生产电能还是供应热能方面, 都发挥着重要的作用[1]。
喷嘴是由相邻的静叶片构成的汽流通道, 它的作用是将蒸汽的热能变成动能, 或者简单地说成是用来产生高速汽流的。通常汽轮机的第一级喷嘴都是直接装在汽缸喷嘴室的T型槽中, 形成汽轮机第一级的调节级, 而其余各级则装在隔板上, 再随隔板装配在汽缸上[2]。
1 工艺分析
常见的喷嘴室T型槽结构如图1 (a) 所示, 由横向槽和竖向槽构成, 此类结构使用通用成型铣刀在数控镗铣床上即可直接在零件正面实现加工。对于某型汽轮机组喷嘴室, 其上的T型槽结构如图1 (b) 所示, 相对常见的结构图1 (a) 来说, 这类T型槽结构的特殊之处在于其T型的横向槽左右两侧多出了一个“耳垂式”结构。同时由于设计要求, 需喷嘴室与汽缸焊接成一体后才可以加工T型槽, 而汽缸的轴向长度近2 mm, 汽缸两端进口直径分别仅有250 mm和350 mm, T型槽位于汽缸一侧, 回转中心直径为800 mm (如图2所示) , 致使通常的正面镗铣加工无法实现, 必须使用角铣头进行变向。另外, 由于横向槽多出的“耳垂式”结构影响, 单一使用角铣头又无法直接实现镗加工, 必须通过增加角铣头的可控轴, 以角铣头轴向为回转中心, 并使用专用镗 (车) 刀才能实现此结构的加工。
2 解决方案
根据工艺分析可知, 某型机组喷嘴室T型槽加工关键点集中在如何实现“耳垂式”结构的加工。同时, 如何科学地进行工艺方案设计, 也是保证T型槽与汽缸轴线、水平中分面以及各开档的位置关系及精度的关键。
为有效解决上述某型机组喷嘴室T型槽加工过程中存在的关键问题, 根据现有设备实际情况, 做了针对性的工艺安排, 具体过程如下:
1) 加工前的准备工作。将汽缸上下半的两端按着同一方向同时装夹在数控龙门铣床上, 首先确定数控零点, 均匀毛坯的加工余量, 加工中分面上的各个孔。
2) 加工汽缸内的各个开档。各开档圆采用数控龙门铣床上的直角铣头接三面刃盘铣刀进行粗加工, 粗加工的具体参数为:三面刃刀盘直径为φ500 mm, 转速为100~120 r/min, 进给率为700~900 mm/min, 单面余量为1 mm。粗加工完成后, 采用精加工刀片进行精加工, 精加工的具体参数为:三面刃刀盘直径为φ500 mm, 转速为100~120 r/min, 进给率为950~1100 mm/min。
3) 加工竖向槽。在数控龙门铣床上选择直角铣头接立铣刀, 采用玉米铣刀粗铣竖向槽, 粗铣的具体参数为:玉米铣刀的直径为φ40 mm, 转速为300~340 r/min, 进给率为290~310 mm/min, 单面余量为1 mm。粗铣完成后, 采用棒铣刀精铣竖向槽完成竖向槽的精铣加工, 精铣的具体参数为:棒铣刀的直径为φ40 mm, 转速为110~130 r/min, 进给率为70~90 mm/min。
4) 加工横向槽。完成竖向槽的精铣后, 采用硬质合金T型槽铣刀粗铣横向槽, 粗铣的具体参数为:铣刀为φ63×10 mm, 转速为290~310 r/min, 进给率为90~110 mm/min。粗铣完成后, 采用三面刃铣刀精铣T型槽, 精铣的具体参数为:三面刃铣刀为φ80×10 mm, 转速为390~410 r/min, 进给率为110~130 mm/min。精铣完成后, 将平旋盘安装在直角铣头上, 将镗刀杆安装在平旋盘上, 并将镗刀杆调至横向槽的中心处, 将专用镗刀安装在镗刀杆上, 粗镗横向槽。粗镗的具体参数为:平旋盘转速为28~32 r/min, 进给率为28~32 mm/min。精镗横向槽, 精镗的具体参数:平旋盘转速为23~27 r/min, 进给率为32~37 mm/min, 精镗完成后横向槽与竖向槽相连通, 形成T型槽, 进而完成上下半合缸后无错牙的T型槽加工。
3 结语
本文所述工艺方法具有以下效果:1) 加工出的T型槽精度高, 避免了T型槽无法进行直接加工的问题;2) 保证了汽缸上下半对称性, 避免了立式加工时大小半问题的产生;3) 水平装夹加工与安装调试和工作时的状态相一致, 可以避免加工过程中不必要的重力变形, 保证了加工精度。
经实践证明, 本文所提供方法是实现某型汽轮机喷嘴室特殊结构T型槽加工的有效方法。
参考文献
[1]翦天聪.汽轮机原理[M].北京:水利电力出版社, 1992.
汽轮机喷嘴 篇3
1 C25-8.83/0.981型双缸冷凝式汽轮机喷嘴组连接器的基本情况
C25-8.83/0.981型双缸汽轮机是我公司近年来为国内某客户设计制造的冷凝式汽轮机。该汽轮机的输出功率为25MW,输入蒸汽的工作压力为8.83MPa,排出蒸汽的压力为0.981MPa。在汽轮机运转时,由锅炉产生的高温高压蒸汽直接从汽轮机的主汽阀进入,通过安装在外缸体上的喷嘴组连接器(详见图1)的高压管进入汽轮机内缸的喷嘴室,从而推动转子运转。喷嘴组连接器是双缸汽轮机中最重要的部件之一。该工件的工作状态为高温高压,其质量的优劣直接影响到汽轮机的安全性能。
如图1所示,喷嘴组连接器是由一件连接管件、一件法兰和两根接管焊接而成的。为了确保喷嘴组连接器在承受高温高压的情况不发生爆裂等事故,该工件在半精加工后必须进行水压试验,以此来检查管壁是否存在缺陷。喷嘴组连接器的空间1为次高压区,其试验压力为5.1MPa;空间2为高压区,其试验压力为13.2MPa。按设计要求,在次高压区和高压区的水压达到试验值后须保压15min,保压期间不得出现任何管壁渗漏现象。
2 喷嘴组连接器试压的难点分析
从图1可知,喷嘴组连接器为焊接结构件,中间大,两头小,其中一头伸出部分很长,形状比较特别。喷嘴组连接器中间通管的管壁比较薄,最小壁厚仅为12.5mm,而此空间的水压试验压力为13.2MPa。该工件的两个端面为圆形平面,环形面上无通孔,无法用螺栓和螺母等紧固件固定试压封板。此外,喷嘴组连接器的空间1和空间2的水压试验压力不一样,需要使用不同的试压工装进行试压。
1.连接管件2.接管3.法兰4.接管
以上所述的各种问题均给喷嘴组连接器的顺利试压带来不小的困难。
3 试压工装的设计及使用效果
3.1 工装的结构与材料选用
经过反复研究和试验,我们最终设计出一套简便实用的试压工装。如图2所示,喷嘴组连接器的试压工装主要由密封螺母1、密封板3、高帽密封筒9、长螺杆10、4件高压型石棉橡胶板、螺栓螺母垫圈紧固件、2件试压接头和压力表等组成。密封螺母1为六角形的自制非标件,材料为35CrMoA,内攻M72×4、深86mm的螺纹。密封板3为准215/准74×59mm的环形钢板,材料为16Mn,内有准205.5mm、深9mm的止口,用于安装时定位。
1.密封螺母2.密封垫圈3.密封板4.密封垫圈5.喷嘴组连接器6.螺栓7.螺母8.垫圈9.密封垫圈10.长螺杆11.高帽密封筒12.密封垫圈
高帽密封筒9是材料为16Mn的焊接结构件,由一件环形钢板、一件卷制的钢管和一件圆钢板焊接而成,焊接后需对工件进行去应力退火处理,所有焊缝为对接焊缝且经无损检测(RT)合格,试压前须将高帽密封筒的环形板的两端面进行精加工以保证表面粗糙度符合技术要求。为了保证件长螺杆10的强度,我们使用45钢锻件作为长螺杆的材料,并在该工件粗加工后进行调质处理。在试压过程中,我们选用厚度为3mm的高压型石板橡胶板作为密封垫圈。
为了方便安装试压接头,如图2所示,在焊接和粗加工喷嘴组连接器时,我们对接管1和接管2进行了必要的工艺处理:下料时加长接管1的长度以便加工试压内螺纹;不钻通接管2的通孔准15以便于试压。
3.2 试压工艺与实际效果
如图2所示,喷嘴组连接器的空间1和空间2的试压工艺如下:
(1)安装密封螺母1、密封垫圈2、密封板3、密封垫圈4、喷嘴组连接器5、长螺杆10、密封垫圈12,拧紧密封螺母。
(2)安装密封垫圈9、高帽密封筒11和紧固螺栓螺母垫圈,拧紧紧固件。在接管1上安装好M27×1.5试压接头和量程为10MPa的压力表1。
(3)工装安装就绪后开始对空间1和空间2进行充水加压,待压力升至5.1MPa后停止加压,保压时间为15min。检查有无渗漏及压力表读数的变化情况。在保压时间内压力表的读数保证不变为合格,试验合格后方可进入下一序。
(4)拆除件11高帽密封筒和相应的紧固件和密封垫圈、试压接头以及压力表1。
(5)在长螺杆10上安装好M27×1.5试压接头和量程为16MPa的压力表2。
(6)对空间2进行充水加压,待压力升至13.2MPa后停止加压,保压时间为15min。检查有无渗漏及压力表读数的变化情况,试验合格后方可进入下一序。
(7)压力试验完毕后拆除试压工装。
在使用本套工装对2台双缸汽轮机的4件喷嘴组连接器进行试压的过程中,未出现任何工装失效、密封处渗漏、工件渗漏以及保压期间压力下降的现象,试压效果非常良好。
4结论
本套喷嘴组连接器试压工装的设计建立在多次试制和研究的基础上,结构比较合理,密封及机械性能可靠,使用简单方便。经过逾10次的试压,本套工装尚未出现任何工装失效、密封处渗漏的现象,试压效果非常良好。按照试压工艺,操作者能够连续地对喷嘴组连接器空间1(次高压区)和空间2(高压区)进行试压,并在较短的时间内完成试压全过程。在试压工装的材料选用和结构设计方面仍需进一步研究与优化。
参考文献
[1]成大先,王德夫,等.机械设计手册(第五版)[M].北京:化学工业出版社,2008.
[2]贺光谊,唐之清,等.画法几何及机械制图[M].重庆:重庆大学出版社,1994.
汽轮机喷嘴 篇4
要挖掘电站喷嘴调节汽轮机经济性和可靠性的潜力, 需要解决一系列任务。其中主要任务是降低进入第一个非调节级静叶之前的蒸汽轴向不均匀性。对于采用喷嘴调节的所有大型电站汽轮机来说, 蒸汽都经过4个喷嘴室流向调节级。在额定工况下只有3个喷嘴室处于开启状态, 此时向调节级供汽的弧度很少超过290°。在向第一个非调节级的静叶供汽时, 即使存在较大的匀压室, 汽流仍然还有明显的周向不均匀度。尤其在汽轮机部分负荷工况下, 这些非调节级的效率将大幅度下降。
1 试验结果
虽然已公开发表、涉及到汽轮机部分进汽级试验结果的文章数量可观, 但涉及到调节级的部分进汽度对第一个非调节级和整个高压级组的影响方面的数据却很少。
这种情况在很大程度上与下列观念有关, 即认为在调节级后面存在一个较大的匀压室、所以在其后第一个非调节级静叶前的汽流周向不均匀度不会很大, 因而也不可能严重降低后面所有级的经济性。
然而, 在上述试验装置上进行的第一批试验显示, 在向调节级汽室部分进汽的条件下, 在其后的静叶后面的汽流出现很大的周向不均匀度。部分进汽度取决于已开肩的进汽弧段数量, 是根据对模拟部分进汽的叶栅中部圆周处的汽流进行逐点测量而得。
但是, 对于所研究的整个装置来说, 能量的总损失却明显增加了。在这种情况下能量总损失明显增加的原因是多孔整流板通流能力小 (其通流率是21.7%) 。为了降低安装这种整流板引起的附加能量损失, 增大了整流板的孔径, 并针对盲区开出4个窗口。借此将多孔整流板的通流率提高到54%。在这种情况下, 从供汽弧段出来的汽流一部分通过多孔整流板的孔, 而另一部分通过4个窗口, 从而确保了工质较均匀地充满静叶的整个圆周。此外, 在整流板朝着环形叶栅方向的孔端带有斜角, 以改善整流扳后面的流动状况。
圆筒形多孔整流板:对平面多孔整流板的研究表明, 通过这种方式实际上可以完全解决第1个非调节级静叶进口截面前的汽流参数的均匀问题。但是借此降低静叶叶栅中的损失程度不足以补偿平面多孔整流板所带来的额外能量损失。
在安装多孔整流板时, 调节级汽室中的压力脉动明显降低的外部体现是, 整个装置的壳体振动位移幅度相对降低。其相对降低值也即安装多孔整流板时试验装置壳体的振动位移相对于未安装多孔整流板时实测振动位移的变化值。在隔板静叶叶栅出口处的无量纲速度越高, 采用多孔整流板时壳体的振动降低程度就越大。
2 圆环形多孔整流板在汽轮机通流部分的实际应用
所进行的研究结果证明, 如果汽轮机级的静叶叶栅进口前存在汽流的周向不均匀性, 则从均匀其参数的角度来说, 添置多孔整流板会获得明显的效果。
这种汽流周向不均匀的现象在所有采用喷嘴调节的汽轮机中都存在, 而且在它们的调节级后的汽流周向不均匀程度相当于利用上述试验装置进行研究时获得的不均匀度。
根据以往发表的试验数据, 当压力场存在如此大的周向不均匀度时, 汽轮机高压部分的效率会降低1.5%~2%。因此亟须将上述研究结果运用到现有的汽轮机中。
从结构角度来讲, 在汽轮机第一个非调节级前设置多孔整流板并无特殊困难。就是在汽轮机前两级通流部分添置圆环形多孔整流板。
整流板是一个环形腔室, 具有多孔外侧壁, 并且其端壁和内侧壁上都开有若干个圆形窗口。整流板利用12个螺栓固定在隔板体的凹槽处。在这种情况下, 调节级后的蒸汽沿着多孔整流板的外侧多孔壁周向流动, 并较均匀地通过小孔流入内部环形腔室。从这一角度来看, 安装多孔整流板除了解决纯气动力学的问题以外, 还起到了防止异物进入汽轮机通流部分的辅助保护作用。
采取上述措施只需要增加很少的费用, 不仅能提高汽轮机高压部分的效率, 而且还能明显降低叶片上的动态作用力。
3 结论
所进行的研究结果表明, 对于采用喷嘴调节的汽轮机来说, 在部分进汽的情况下, 调节级汽室中的压力场和速度场存在很大的周向不均匀性, 从而对高压部分随后几级的经济性产生不良影响。
为了均衡进入第一个非调节级静叶叶栅的汽流, 提出并研究了增设整流板的措施, 其费用很小, 却至少能使大功率汽轮机高压部分的效率提高1%。通过对立体 (圆环形) 多孔整流板的结构分析, 现在已经可以将其应用于任何电站汽轮机。
摘要：为提高第一个非调节级的效率, 必须降低其静叶前的汽流周向不均匀度。为此在调节级汽室中、第一个非调节级的隔板前设置了各种多孔整流板。