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汽轮机罩壳轻量化设计

更新时间:2016-07-05

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

2.农村民房管理制度改革。探索试行允许珊瑚石民居或院落改造为高端度假民宿,建设度假民宿配套设施,满足中高端旅游需求。探索在涠洲岛试行民房建筑总量控制和建筑高度限定制度。打破涠洲岛先行的“一户一宅”农村建房模式,将涠洲岛视作城区,严格控制民房建设总量,达到一定数量后将不再审批民房建设。严格控制民房高度(如限高12米),以免影响海岛整体风貌。

2 轻量化改进方向分析

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。

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。

某站220 kV出线GIS断路器型号为LW24-252,操作机构型号为CT20-Ⅳ,分相弹簧操作机构,于2014年10月投运。2017年7月,在对该断路器进行例行试验过程中,发现该断路器机械特性测试数据异常,测试所使用的机械特性测试仪型号为GKC433E。测试数据如表1所示,从表中可以看出该断路器C相合闸时间刚好满足标准要求,但A、B两相合闸时间分别比标准上限大22.00%、26.55%,明显偏大;合闸速度偏低,合闸不同期时间达28.2 ms,严重超过厂家技术标准要求的“≤4 ms”,是标准上限值的7.05倍。

3 原骨架结构介绍

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。

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。

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。

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表1 立柱数量统计

类别数量立柱148立柱228立柱34

4 轻量化设计

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。

图4 轻量化设计截面图

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。

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)。

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。

图7 C型结构组合支柱受力分析

6 总结

将罩壳高中压缸墙板与顶板模块中所有8#槽钢及角钢换成C型结构后,粗略统计可以节省材料3288 kg。

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建设单位临时房屋建筑应归入第五部分独立费用的建设管理费中比较恰当。如继续列入第四部分临时工程中,则应单独列项,并规定计算方法。

面板折弯工艺在原模块制作过程中也有这一工序,面板折弯四周后贴焊在骨架上,防止焊缝暴露在外表面影响美观度。轻量化设计后,面板折弯成C型结构只是折弯尺寸改变,并没有增加工序。此外轻量化设计后,节省了原模块的面板与骨架槽钢焊接工艺。所以轻量化设计使得汽轮机罩壳在

满足隔音效果和美观度的前提下,生产更简便快捷,有效降低了生产成本。

参考文献

[1]范万元,王颖.200 MW汽轮机罩壳设计[J].汽轮机技术,1997,39(2):81-83,98.

[2]颜智坤.汽轮机罩壳:ZL200620159774.X[P].2007-12-19.

[3]刘辅庭.吸音纤维材料[J].产业用纺织品,2011,(1):56-59.

[4]张逸.金属板料自由折弯模型与实验研究[D].武汉:华中科技大学,2012.

杨增超,何阳阳
《东方汽轮机》 2018年第01期
《东方汽轮机》2018年第01期文献

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