先进的燃气轮机液压间隙优化技术-.pdf

第 3 9卷 第 2期 2 O1 0年 6月 热 力透平 T H E RM A L T UR Bf NE Vo 1 ． 3 9 NO ． 2 J u n 2 0l 0 先进 的燃 气轮机 液压 间隙优化技 术 沈存 五 ， 虎 煜 ， 崔耀 欣 1 ． 上 海交通 大学机械 与动力工程 学院 ， 上海 2 0 0 0 3 0 ； 2 ． 上海 电气 电站设备有限公 司上海汽轮机厂设计研 究所 ， 上海 2 0 0 2 4 0 摘 要 介 绍 了燃 气 轮 机 液 压 间 隙优 化 技 术 的作 用和 原 理 ， 通 过 研 究 一 种 典 型 的 可 实现 间 隙优 化 功 能 的 转 子 移 动装 置的结构及其 液压 系统的组成 ， 探讨 了液压 间隙优化 系统的基 本设计 和运 行要 求。 实际运行数 据表 明， 液压间隙优化技 术可 以显著提 高燃 气轮机的效率和功率 。 关键词 燃气轮 机 ； 转子移动 ； 液压 间隙优化 ； 效率提 高 中图分类号 TK4 7 1 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 2 5 5 4 9 2 0 1 0 0 2 0 1 0 9 0 4 Op t i m i z a t i o n Te c h no l o g y f o r Ad v a n c e d Hy d r a u l i c Cl e a r a n c e o f Ga s Tu r b i n e s SH ￡N Cun W U ～。H U Yu ，CUI Yao xi n 1 Sc h oo l o f Mech a nica l En gi n e er ing，Sh a n gh ai J i a ot on g Un i v er s i t y，Sh a n gh ai 2 0 003 0，Ch i n a； 2 Sh an g h ai El ec t r i c Power Gen er a t i o n Eq u i pmen t Co． ，Lt d，Sh a n gh ai Tu r bi n e Pl a n t ，Sh a ng h ai 2 00 24 0，Ch i n a Ab s t r a c t Th i s a r t i c l e i n t r o d u c e s t h e f u n c t io n a n d p r i n c i p l e o f t h e h y d r a u l i c c l e a r a n c e o p t i mi z a t i o n t e c hn ol o gy of g a s t ur b i n e s，c a r r i e s o ut t he i nv e s t i ga t i on on t he s t r u c t ur e o f a t y pi c a l r o t or di s pl a c e me n t de v i c e a nd t he c o ns t i t ue n t of i t s hy dr au l i c s ys t e m a n d s e ar c h es a f t e r t h e ge ne r a l de s i gn a nd op e r a t i on r e q ui r e me nt s o f h y d r a u l i c c l e a r a n c e o p t i mi z a t i o n s y s t e m． Th e a c t u a l o p e r a t i n g d a t a s h o ws t h a t t h e g a s t u r b i n e wi t h h y d r a u l i c c l e a r a n c e op t i m i z a t i o n t e c hno l o gy c a n a c hi e ve h i g he r e f f i c i e n c y a nd o ut pu t ． Ke y wo r d s g a s t u r b i n e ；r o t o r d i s p l a c e me n t ；h y d r a u l i c c l e a r a n c e o p t i mi z a t i o n ；e f f i c i e n c y i mp r o v e me n t 现 代 电站 燃气 轮机 燃气 涡轮 的工作 温 度非 常 高 ， 如 西 门子 S GT 5 4 0 0 0 F 4 型燃 气 轮机 的涡 轮 进 气温 度 就 达 到 了 1 2 4 0 ℃ 。在 燃 气 轮 机 启 动 过 程 中 ， 动叶温 度 的上 升 速 度 比气 缸 温度 的上 升 速 度 快 ， 这 导致 动 叶 的膨 胀 量 明 显 大 于气 缸 的膨 胀 量 ， 而且燃气温度越高 ， 这种现象也越严重 。为了 防止动 叶与 气缸 相碰 ， 动静 间 隙 的设 计 值 必 须 考 虑启动时的情况 ， 因此不得不预留一个余量 ， 以容 忍 最大 动静 膨胀 量差 值 。然 而 ， 在 动 叶 的膨 胀 量 达 到最 大值后 ， 气 缸仍 然会 继续膨 胀 ， 导致 动静 间 隙在此后 会逐 渐增 大 ， 直 至 气 缸 的 膨胀 量 达 到 最 大值， 此时设计预 留的余量就会越来 越显得“ 多 余” 。而多余的动静间隙必然会降低燃气 涡轮 的 效 率 。如果 在燃 气 轮 机 进 入 完全 暖机 的状 态 ， 即 动 静 间隙不再 变 化 时 ， 通 过 液 压 装 置将 转 子 沿 着 逆气流方向移动一段距离 ， 使燃气涡轮的动静 间 隙减小 ， 就可以使燃气轮机达 到更高的效率和功 率 ， 这 就 是 先 进 的 燃 气 轮 机 液 压 间 隙 优 化 Hy d r a u l i c Cl e a r a n c e Op t i mi z a t i o n，缩 写 为 HC 0 技 术 。本 文将 详 细 介 绍 该 技 术 的 原 理 、 结 构和液压系统设计以及基本运行要求， 从而全面 地了解该技术的特点 。 1 间隙优化 原理 图 1 所 示是 一 种 典 型 的燃 气 轮 机设 计 ， 压气 机和燃 气 涡轮共 用一 根转 子 。转子 向压 气机 端移 动时 ， 燃气涡轮端 的动静间隙就相应减小 ， 但是压 气机 的动静 间 隙会有 所增 大 。 由于燃气 轮机 机 械 设计 的 固有特 点 ， 即压气 机气 道 的锥度 a 1 远 小 于 燃 气 涡轮气 道 的锥度 a 2 ， 当转 子 沿 轴 向移 动 位 移 A X时 ， 燃 气 涡 轮 的 间 隙减 小 量 d y 2远 大 于 压 气 收稿 日期 2 0 0 9 1 0 2 2 修 订 日期 2 0 0 9 1 2 1 5 作者简介 沈存五 1 9 7 9 一 ， 男 ， 2 0 0 0年毕业于重庆大学热力发动机专业 ， 工程师 ， 现攻读 上海交通 大学动力 工程硕士 ， 长期 从事燃气 轮 机设计 工作。 囊 一 一啊 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 先进的燃 气轮机液压 间隙优化技术 机 的间隙增加量 d y l ， 使得压气机 由此损 失的功 率 比燃气 涡轮 增 加 的功 率要 小 ， 从 而在 总 体 上使 燃气轮机的功率和效率都有所增加。这个结论已 经 被实 际投入运行 的燃气 轮机所 证 明 ， 例如 ， 西 门 子 S G T5 4 0 0 0 F 4 型燃 气 轮机 ， 采 用 了 先进 的 液 压间 隙优化 技术 ， 对 运行 和不 运行 液 压 间 隙优 化 系 统 这 两 种 情 况 进 行 比 较 ， 功 率 可 增 加 约 8 MW ， 效率提 高约 0 ． 3个 百分点 l 】 。 1 燃 气 透 。。。一 垃 ＼ X g／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ ； 享 △ X △X dy 2一 AX t a n a 2 dy l AX t a n a1 图 1 径 向间 隙 优 化原 理 图 2 转子移动装置 为 了达到 间隙优化 的 目的 ， 转子 的死点 即推力 轴承必须能够 在运行 时改变 轴 向位 置 ， 这就需要一 套转子移动装 置来 实现 这项 功 能 。典 型的转 子移 动装置 的示例 和结 构如 图 2和 图 3 所 示 。多个油 缸沿圆周方 向均匀分 布 ， 从 而在轴 向产生 均匀 的推 力 ， 而且油缸产生 的总推力必须满 足以下条件 f F F 。 F f { F一 ．P ．A 式 中 F 油缸 总推力 ， N F 。 轴 向气 动总推 力 ， N F 其它轴向作用力， N 厂 轴 向静摩 擦 阻力 ， N 油缸数 量 P 液压 油压力 ， P a A 活塞 面积 ， m 图 2 转子移动装置示例 图 3转 子 移 动 装 置不 意 图 当液压油进人油缸时就会推出活塞 ， 活塞接 着 推动推力 轴 承 和转 子 ， 从 而达 到在 轴 向移动 转 子 的 目的 。转 子 的 轴 向最 大 位 移 量 必 须 受 到 限 制 ， 以防 出现动 静相 碰 的情 况 ， 因此 ， 必 须 配置 轴 向限位 器 ， 对 转 子在 正 方 向 和反 方 向上 的位 移 量 进行 限定 。 另外一 个必 须考 虑 的 问题 是 ， 推 力轴 承 移 动 的速 度 不能 太快 ， 因为 过大 的 冲击 载荷 可 能会 损 皿I 一 伤推 力轴 承 ， 例 如 S GT5 4 0 0 0 F 4 型燃 气 轮机 转 子 的移动速 度 被 限定 在 1 ． 5 mm／ s以 内 。转 子 的 移动 速度 可 以 通 过 限 定 流 人 或 流 出油 缸 的 液 压 油的 流量 加 以控 制 。转 子 的移 动速 度 计 算 公 式 为 G／ A。 式 中 转 子移动 速度 ， m／ s G 液压 油流量 ， i n 。 ／ s 油 缸数量 A。 油缸 内孔 截 面积 ， m 3 液压油系统 典型 的转子移 动装置 一般包 括正反 两个 方 向 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 先进的燃 气轮机液压间 隙优化技术 热力透平 的推力 装置 ， 分 别 将转 子 推 到 动 静 问 隙最 小 位 置 和最大 位置 ， 即正 方 向为逆 气流 方 向 ， 反方 向为 顺 气 流方 向 。每 个方 向的推力 装置 都与 一套液 压 油 控 制系 统连接 ， 以确 保 活 塞 的 推 出 和退 回在 可 控 的状态 下进 行 。通 常 ， 正 反 两 侧 推力 装 置 的液 压 油控制 系统是 相 似 的 ， 它 们 可 以 共用 一 套 液 压 油 供 给系 统 。 图 4所示 为 一个 典 型 的 液 压 油 供 给 系 统 ， 液 压 油可 以来 自其 它油 系统或 独立 的油 箱 。液 压 油 供 给系统 包含 以下 主要 设备 回油 供 油 1供 油 泉2供 油 泵3逆 止 4逆 止 5溢 流 l馕 I 6过滤器7逆止 阀8手动关断阀9 手 动关断 阀 图 4液压油供给系统 1 供 油泵 。供 油泵 为容 积 泵 件 1 、 2 ， 输 送 特定 压力 和流 量 的 液 压 油 到液 压 油 控 制 系统 中 。 泵的数量一般为 2台， 当其中一台出现故障时 ， 另 一 台作 为备用 泵起 动 。 2 逆 止 阀 。件 3 、 4 、 7都 是 逆 止 阀 ， 其 中 件 3 、 4防止液 压油倒 灌进 油 泵 中， 形 成短 路 回流 ； 件 7则防止液压油倒灌损伤过滤器 。 3 溢流 阀 ， 用 于 限定 泵 出 口的压力 。 4 过滤器， 用于去除液压油 中的杂质 。 5 关断 阀 。件 8 、 9为手 动关 断 阀 ， 用 于泵 的 检修 和 维护工 作 。 为增 加安 全性 ， 通 常还 配置一 套 蓄能器 系 统 ， 它 可 以在两 台泵都 不能 正常 工作 的情 况下使 系统 继续保 持 压力一 段 时间 ， 确保燃 气 轮机顺 利停 机 。 一 个典型的推力装置的液压油控制系统如图 5 所 示 ， 它包含 以下 主要 设备 供油 ． ． 回 油 1流 量 控 制 阔 2逆 止 阔 3电 磁 阎 4电磁 脚 5溢 流 阀 6流量控制阀 7电磁阀8溢 流阀9电磁 阀 图 5 液压油控制 系统 1 供 油 电 磁 阀 。供 油 电磁 阀 为 关 断 阀 ， 位 于供油 管 路上 ， 一 般 配 置 3套 。第 一 套为 主供 油 电磁 阀 ， 在 推 力 活 塞 推 出 时 必 须 打 开 ， 在 推 力 活 塞 退 回时 则 必 须 关 闭 。第 二 套 为 辅 助 供 油 电 磁 阀 ， 它 与 主供 油 电 磁 阀 并 联 ， 仅 在 系 统放 气 和 置 换 液 压 油 时 打 开 ， 该 阀 门 不 能 用 于移 动 转 子 ， 因 为 它会 使 转 子 的 移 动 速 度 失 去 控 制 。第 三 套 供 油 电磁 阀 串 连 在 主供 油 电 磁 阀 和辅 助供 油 电 磁 阀的下游 ， 起 到冗余 控制的作用 ， 它可以防止主 供 油 电磁 阀 或 辅 助 供 油 电 磁 阀 因错 误 打 开 而 移 动 推力 活塞 。 2 回油 电磁 阀 。 回油 电磁 阀位 于 回油 管 路 上 ， 在放 气 、 液压 油 置 换 和 推力 活 塞 退 回时 打 开 ， 在 推力活 塞推 出时 必须 关闭 。 3 流量控 制 阀 。流量控 制 阀为手 动调 节 阀 ， 供 油管路 和 回 油 管 路 上 各 配 置 一 套 件 6和 件 1 。件 6控制 流 入 油 缸 的 液 压油 流 量 ， 从 而 控 制 推力活塞推出的速度。件 1控制流出油缸的液压 油 流量 ， 从 而控 制 推 力 活 塞退 回 的速 度 。流 量 控 制 阀在机 组 调试 时设定 好流 量 。 4 逆止 阀 ， 用 于 防止液 压油 从油 缸 中倒 流 回 供 油管路 。 5 溢 流 阀 。件 5和 件 8都 是 溢 流 阀 。件 8 将 系统油 压 限定在 规定 的工 作 压力 范 围 内 。件 5 则限定油缸内油压的最大值 ， 防止推力过大， 它是 根 据转子 的实际轴 向阻力进 行设 定 的 。 4 基本运行 要求 在燃气轮机起动前必须执行以下操作 1 启动顶轴油系统； 麓I I 皿 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 先进的燃 气轮机液压 间隙优化技 术 2 激活液 压间 隙优化 系统 ， 分别 对正推 力 系 统和反推力系统进行放气并置换液压油 ， 以去除 系统 中残 留 的空气和 杂质 ； 3 激活反推力侧液压系统， 使转子处于反推 力 侧位 置 ， 即动 静间 隙最大位 置 。 上述 三项操 作完成 后 ， HC O系统 处于就 绪状 态 ， 为燃气 轮 机 的启 动 做好 了准备 。燃 气 轮 机启 动完成后 ， 必须 运 行一 段 时 间使 机 组 达到 完 全 暖 机状态 ， 然后转子才允许被液压间隙优化系统移 动 。 燃气 轮机运 行过 程 中 ， 在某 些功 率 范 围 内转 子 可能不适 合 移动 ， 如 S G T5 4 0 0 0 F 4 燃 气 轮机 在 4 ～3 5 负荷 范 围 内是不 允 许 移 动转 子 的。 燃气轮机降负荷时， 通常不必将转子移到反推力 侧 ， 但是当机组负荷 降低的速度过快或开始盘车 冷却时 ， 则必须将转子移动到反推力侧 。 ⋯⋯⋯l l 5 结论 本文介绍了燃气轮机液压间隙优化技术的作 用和原理 ， 通过研究一种典型的可实现间隙优化 功能 的转 子 移 动装 置 的 结 构 及其 液压 系 统 的组 成 ， 进而 探讨液 压 间 隙优 化 系统 的基本 设 计 和运 行 要求 ， 并且用 实 际 运行 数 据说 明液 压 间 隙优化 技 术 的效 果 。 综上所述 ， 液压 间隙优化技术可以有效地解 决高温燃气涡轮动静 间隙大的问题， 从而显著提 高燃 气轮 机 的效 率和功率 ， 其 系统设计 较为 简单 ， 可靠性高 ， 是一项非常先进和实用的技术。 参考文献 [ 1 3 R o b e r t o Ch e l l i n i ．S i e me n s U p g r a d e P h i l o s o p h y Ap p l i e d t o F - C l a s s [ J ] 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w w w .x u e t u t u .c o m