一种燃气轮机径向间隙设计方法及调整结构与流程

1.本发明涉及燃气轮机设计技术领域，具体为一种燃气轮机径向间隙设计方法及调整结构。


背景技术：

2.燃气轮机动静间隙不仅关系到机组运行安全，而且与燃气轮机效率息息相关。基于燃气轮机运行安全考虑要求间隙设计不应过小，需保证机组在任何工况下平稳运行，不发生动静碰磨等现象；而基于燃气轮机整机运行效率则要求间隙足够小，动静间隙越小整机效率越高。燃气轮机动静间隙的设计方法作为一项关键技术，直接关乎整机运行安全和效率，是燃气轮机研发必须要攻克的关键技术。
3.101支撑型燃气轮机基本结构主要由转子和静子两部分组成，静子部分主要分为进气缸、压气机缸、涡轮缸和排气缸四大缸体，转子主要分压气机转子部分和涡轮转子两部分。转子由前径向轴承和后径向轴承支撑在进气缸和排气缸缸体上，转子和静子形成了压气机区域和涡轮区域。
4.燃气轮机动静间隙按类型主要分为轴向间隙和径向间隙。轴向间隙因装配尺寸链长，公差给定需结合生产情况及相关经验给定。径向间隙受众多因素影响，并与装配过程密切相关，需充分考虑各项因素综合确定。由于燃气轮机间隙是设计和验证不断迭代修正的过程，且燃气轮机在高温高压运行状态下，冷热状态差异较大。
5.目前已有调整燃气轮机动静间隙均是局部通过结构去实现调整，调整结构由外缸、内缸和调整结构组成，当需要调整静子位置时，通过对调整结构组合调整来实现内缸中心与外缸的中心位置变化。
6.但是燃气轮机动静间隙是个系统性的工作，如何针对整机的间隙进行设计和互相匹配，需要通过整体计算和一整套完整的数据迭代方法来实现。本技术对101支撑型燃气轮机径向间隙设计调整结构进行了深入研究，通过间隙设计方法和调整结构可以快速实现燃气轮机整机径向间隙的整体调整。


技术实现要素：

7.为克服现有技术中存在的问题，本发明目的在于提供一种燃气轮机径向间隙设计方法及调整结构，将静子结构在可实施范围内进行分段，通过逐段来保证静子与转子中心匹配性，并在每段前后位置适当偏心加工，可以实现径向间隙的局部微调，径向间隙调整方式实现精细化。
8.为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种燃气轮机径向间隙调整结构，包括转子部分和静子部分，对所述静子部分的结构分为n段，按照分段在静子与转子间设置持环。
9.本发明进一步设置为：所述的静子部分包括进气缸、压气机缸、涡轮缸和排气缸；所述的转子部分包括压气机转子和涡轮转子。
10.本发明进一步设置为：所述的转子由前径向轴承和后径向轴承支撑在静子的进气缸和排气缸缸体上；静子和转子间形成压气机区域和涡轮区域。
11.本发明进一步设置为：对静子部分的压气机区域和涡轮区域进行分段，因涡轮区段变化较大，静子部分分段可向涡轮区段倾斜，优选压气机区域分为3段，涡轮区域分为4段。
12.本发明进一步设置为：所述的压气机区域的压气机缸采用压气机持环结构，包括压气机持环1、压气机持环2和压气机持环3。按分段安装于所述压气机区域间。
13.本发明进一步设置为：所述的涡轮区域采用涡轮持环结构，包括涡轮持环1、涡轮持环2、涡轮持环3和涡轮持环4。按分段安装于所述涡轮区域间。
14.本发明进一步设置为：所述的压气机持环和涡轮持环根据每段所需径向间隙参数进行调整。
15.本发明进一步设置为：对所述的压气机区域和涡轮区域中每分段前后进行偏心加工。
16.需要说明的是，本技术主要通过静子分段的方式来实现径向间隙匹配，将静子按照要求分段，将每段转子和静子的中心差平均值作为静子中心的调整量，并在静子前后位置根据需要进行适量偏心加工δj。采用此径向间隙调整方式能保证每段静子与转子都有较好的对中性。
17.本发明还提供一种燃气轮机径向间隙设计方法，适用于上述一种燃气轮机径向间隙调整结构的设计；包括以下步骤：
18.s1：根据燃气轮机静子和转子结构，计算静子/转子冷态中心曲线和径向间隙影响因素；
19.转子冷态/运行态中心曲线，即燃气轮机转子在冷态和运行过程中，转子本身中心曲线；
20.静子冷态/运行态中心曲线，即燃气轮机静子在冷态和运行过程中，静子本身中心曲线；
21.s2：根据径向间隙影响因素计算静子/转子运行态中心曲线；
22.s3：对静子/转子运行态中心取点做差，并判断是否超差；
23.s4：如果超差则修改径向间隙影响因素，重新进行步骤s1-s3的操作，直至步骤s3不超差；
24.s5：确认静子/转子运行态中心不超差条件下径向间隙影响因素；
25.s6：确认静子/转子冷态中心曲线；
26.s7：按照装配要求计算不同合缸状态下的径向间隙；
27.s8：生成必要的间隙图和装配状态说明文件。
28.本发明进一步设置为：所述的径向间隙影响因素包括：
29.转子尺寸及公差r：径向间隙位置转子尺寸及公差；
30.静子尺寸及公差r：径向间隙位置静子尺寸及公差；
31.转子变形δr：径向间隙位置燃气轮机运行后转子相对冷态转子的变形，包括温度载荷和离心力等影响；
32.静子变形δr：径向间隙位置燃气轮机运行后静子相对冷态静子的变形，包括温度
载荷和压力等影响；
33.转子支撑中心变化δh：径向间隙位置燃气轮机运行后转子支撑中心较冷态的变化；
34.轴承中心变化δi：燃气轮机运行前后径向轴承中心的变化情况；
35.静子偏心加工δj：径向间隙位置燃气轮机静子偏心加工量；
36.静子中心调整δk：燃气轮机静子不同径向间隙位置的中心调整量；
37.基于上述径向间隙设计方法，本技术对静子偏心加工δj和静子中心调整δk进行了深入研究。
38.在不考虑任何径向间隙调整因素下，因转子结构较静子结构刚度差，导致转子运行态中心曲线(y)比静子运行态中心曲线(x)低。在压气机区域(5a)和涡轮区域(5b)位置，中心差较大。
39.本发明进一步设置为：为消除中心差的问题，采用分段结构对静子中心进行调整，步骤s4包括：
40.s41：将燃气轮机静子部分根据需要分为n段，即x1-xn；
41.s42：计算每段中心差的平均值δ(n)；
42.在每段内xy沿轴向等距选取m个点，m的取值可以根据段的长度适当变化，极端做法可以直接取首尾两点，得到xn(1)、xn(2)、
……
、xn(m)，和yn(1)、yn(2)、
……
、yn(m)，分别做差得到δ(n1)、δ(n2)、
……
δ(nm)；
43.通过下式计算平均值：
44.δ(n)＝(δ(n1)+δ(n2)+
……
+δ(nm))/m。
45.s43：对每段静子按照其段差平均值下调静子中心δk(n)＝δ(n)；
46.s44：对每段静子的前后位置根据需要进行适量偏心加工δj(n)。
47.本发明进一步设置为：步骤s44具体为，选择静子任意两分段间的位置b，对该位置前后段的静子进行偏心加工；
48.若该段静子运行态中心靠下，则需要对其顶部进行偏心加工，即：
49.δj(n)＝y(b)+δk(n)-x(b)；
50.若该段静子中心在转子中心之上，则需要对该段静子的底部进行偏心加工，加工量则为：
51.δj(n)＝x(b)-y(b)-δk(n)；
52.其中，y(b)表示在静子分段间的b位置转子运行态中心数值，x(b)表示在静子分段间的b位置未调整时静子运行态中心数值，δk(n)为第n段静子中心下调数值。
53.本技术通过缸体分段并采用双层缸的形式，按上述径向间隙调整要求进行分段间隙调整。可以实现在装配阶段快速实现转子和静子中心调整，并保证在运行态转子和静子具有较好的对中。
54.综上，本发明的上述技术方案的有益效果如下：
55.1、本技术将本专利将静子结构在可实施范围内进行分段，通过逐段来保证静子与转子中心匹配性，并提供了相应径向间隙设计方法，在每段前后位置适当偏心加工，可以实现径向间隙的局部微调，使径向间隙调整方式实现精细化。
56.2、本技术提出的径向间隙调整结构，将静子结构在可实施范围内进行分段，转换
到装配过程中，装配人员可以逐段进行对中设定，对整体装配要求降低，提高了径向间隙调整的便捷性。
57.同时后期在机组大修时，若出现局部变形或结构参数变化时，可以方便快速的实现调整，保证机组运行的安全性，节约机组维护成本。
附图说明
58.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
59.图1为本技术实施例中静子分段间隙调整结构的结构示意图；
60.图2为本技术实施例径向间隙设计流程图；
61.图3为在不考虑任何径向间隙调整因素下，燃气轮机静子运行态中心曲线(x)和转子运行态中心曲线(y)；
62.图4为静子分段径向间隙调整；
63.图5为图4中a处示意图；
64.图6为实施例2中确定分段前后偏心加工量x
n-3
段示意图；
65.图7为x
n-3
段与x
n-2
段静子运行态中心在图4中的b位置与转子运行态中心的高低差示意图；
66.图8为实施例2中确定分段前后偏心加工量x
n-2
段示意图。
67.附图中，各标号所代表的部件列表如下：
68.1-进气缸，1a-前径向轴承。2-压气机缸，2a-压气机持环1，2b压气机持环2，2c-压气机持环3，3-涡轮缸，3a-涡轮持环1，3b-涡轮持环2，3c-涡轮持环3，3d-涡轮持环4，4-排气缸，4a-后径向轴承，5-转子部分，5a压气机区域，5b-涡轮区域。
具体实施方式
69.为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本技术保护的范围。此外，以下实施例中提到的方向词，例如“上”“下”“左”“右”等仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用词是用来说明而非限制本发明创造。
70.下面结合附图和较佳的实施例对本发明作进一步说明。
71.实施例1：
72.如图1所示，为本发明较佳实施例的基本结构示意图，一种燃气轮机径向间隙调整结构，包括转子部分和静子部分，对所述静子部分的结构进行分段，按照分段在静子与转子间设置持环。
73.所述的静子部分包括进气缸1、压气机缸2、涡轮缸3和排气缸4。
74.所述的转子部分5包括压气机转子和涡轮转子。
75.所述的转子部分由前径向轴承1a和后径向轴承4a支撑在静子的进气缸1和排气缸
4缸体上。所述的静子和转子间形成压气机区域5a和涡轮区域5b。
76.因涡轮区域5b分段变化较大，静子部分分段可向涡轮区域5b倾斜，优选压气机区域5a分为3段，涡轮区域5b分为4段。
77.所述的压气机区域5b的压气机缸采用压气机持环结构，包括压气机持环1、压气机持环2和压气机持环3。
78.所述的涡轮区域采用涡轮持环结构，分为涡轮持环1、涡轮持环2、涡轮持环3和涡轮持环4。
79.所述的压气机持环和涡轮持环根据每段所需径向间隙参数进行调整。对所述的压气机区域和涡轮区域中每分段前后进行偏心加工。
80.实施例2：
81.如图2所示，本实施例为适用于实施例1所述的一种燃气轮机径向间隙调整结构的间隙设计方法流程图，包括以下步骤：
82.(1)根据燃气轮机静子和转子结构，计算静子/转子冷态中心曲线和径向间隙影响因素；
83.转子冷态/运行态中心曲线：燃气轮机转子在冷态和运行过程中，转子本身中心曲线；静子冷态/运行态中心曲线：燃气轮机静子在冷态和运行过程中，静子本身中心曲线；
84.所述的径向间隙影响因素包括：
85.转子尺寸及公差r：径向间隙位置转子尺寸及公差；
86.静子尺寸及公差r：径向间隙位置静子尺寸及公差；
87.转子变形δr：径向间隙位置燃气轮机运行后转子相对冷态转子的变形，包括温度载荷和离心力等影响；
88.静子变形δr：径向间隙位置燃气轮机运行后静子相对冷态静子的变形，包括温度载荷和压力等影响；
89.转子支撑中心变化δh：径向间隙位置燃气轮机运行后转子支撑中心较冷态的变化；
90.轴承中心变化δi：燃气轮机运行前后径向轴承中心的变化情况；
91.静子偏心加工δj：径向间隙位置燃气轮机静子偏心加工量；
92.静子中心调整δk：燃气轮机静子不同径向间隙位置的中心调整量；
93.(2)根据径向间隙影响因素计算静子/转子运行态中心曲线；
94.(3)对静子/转子运行态中心取点做差，并判断是否超差；
95.(4)如果超差则修改径向间隙影响因素，重新进行(1)-(3)步操作，直至步骤(3)不超差；
96.(5)确认静子/转子运行态中心不超差条件下径向间隙影响因素；
97.(6)确认静子/转子冷态中心曲线；
98.(7)按照装配要求计算不同合缸状态下的径向间隙；
99.(8)生成必要的间隙图和装配状态说明文件。
100.基于上述径向间隙设计方法，本技术对静子偏心加工δj和静子中心调整δk进行了深入研究。
101.在不考虑任何径向间隙调整因素下，燃气轮机静子运行态中心曲线(x)和转子运
行态中心曲线(y)如图3所示。因转子结构较静子结构刚度差，导致转子运行态中心曲线(y)比静子运行态中心曲线(x)低。在压气机区域(5a)和涡轮区域(5b)位置，中心差较大。
102.为消除图3所示区域内中心差的问题，本专利采用分段结构对静子中心进行调整，主要操作步骤如下：
103.(1)将燃气轮机静子部分根据需要分为n段，即x1-xn，如图4所示；
104.(2)计算每段中心差的平均值δ(n)；
105.以x2段为例，图5所示：在该段内，运行态静子中心x和运行态转子中心y存在中心偏差，在该段内xy沿轴向等距选取10个点，得到x2(1)、x2(2)、
……
、x2(10)，和y2(1)、y2(2)、
……
、y2(10)，分别做差得到δ(n1)、δ(n2)、
……
δ(n10)。然后计算平均值：δ(n)＝(δ(n1)+δ(n2)+
……
+δ(n1))/10
106.(3)对每段静子按照其段差平均值下调静子中心δk(n)＝δ(n)；
107.(4)对每段静子的前后位置根据需要进行适量偏心加工δj(n)，如图6-8所示。
108.经过步骤3调整后，x
n-3
段与x
n-2
段静子运行态中心在b位置与转子运行态中心有较大高低差，如图7所示，为降低这种高低差带来的动静碰磨可能性，基于该位置的数据对两段进行偏心加工处理。
109.在b位置，x
n-3
段静子运行态中心靠下，则需要对其顶部进行偏心加工，其加工量δj(n-3)就等于经过步骤3调整后该位置转子和静子运行态中心差值，转换到具体公式即为:δj(n-3)＝y(b)+δk(n-3)-x(b)
110.y(b)表示在b位置转子运行态中心数值，x(b)表示在b位置未调整时静子运行态中心数值，δk(n-3)为第n-3段静子中心下调数值。
111.对于x
n-2
段静子而言，其静子中心站在转子中心之上，则需要对n-2段静子的底部进行偏心加工，加工量则为δj(n-2)＝x(b)-y(b)-δk(n-2)。δk(n-2)为第n-2段静子中心下调数值。
112.最后应当说明的是，以上内容仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，本领域的普通技术人员对本发明的技术方案进行的简单修改或者等同替换，均不脱离本发明技术方案的实质和范围。

技术特征：
1.一种燃气轮机径向间隙调整结构，包括转子部分和静子部分，其特征在于，对所述静子部分的结构分为n段，按照分段在静子与转子间设置持环。2.根据权利要求1所述的一种燃气轮机径向间隙调整结构，其特征在于，所述的静子部分包括进气缸、压气机缸、涡轮缸和排气缸；所述的转子部分包括压气机转子和涡轮转子。3.根据权利要求2所述的一种燃气轮机径向间隙调整结构，其特征在于，所述的转子由前径向轴承和后径向轴承支撑在静子的进气缸和排气缸缸体上；静子和转子间形成压气机区域和涡轮区域；对静子部分的压气机区域和涡轮区域进行分段。4.根据权利要求3所述的一种燃气轮机径向间隙调整结构，其特征在于，所述的压气机区域的压气机缸采用压气机持环结构，包括压气机持环1、压气机持环2和压气机持环3；按分段安装于所述压气机区域间。5.根据权利要求4所述的一种燃气轮机径向间隙调整结构，其特征在于，所述的涡轮区域采用涡轮持环结构，包括涡轮持环1、涡轮持环2、涡轮持环3和涡轮持环4；按分段安装于所述涡轮区域间。6.根据权利要求4-5所述的一种燃气轮机径向间隙调整结构，其特征在于，所述的压气机持环和涡轮持环根据每段所需径向间隙参数进行调整。7.根据权利要求4-5所述的一种燃气轮机径向间隙调整结构，其特征在于，对压气机区域和涡轮区域中每分段前后进行偏心加工。8.一种燃气轮机径向间隙设计方法，适用于权利要求1-7任一项所述的一种燃气轮机径向间隙调整结构，其特征在于，包括以下步骤：s1：根据燃气轮机静子和转子结构，计算静子、转子冷态中心曲线和径向间隙影响因素；所述的径向间隙影响因素包括转子尺寸及公差r、静子尺寸及公差r、转子变形δr、静子变形δr、转子支撑中心变化δh、轴承中心变化δi、静子偏心加工δj、静子中心调整δk；s2：根据径向间隙影响因素计算静子、转子运行态中心曲线；s3：对静子、转子运行态中心取点做差，并判断是否超差；s4：如果超差则修改径向间隙影响因素，重新进行步骤s1-s3的操作，直至步骤s3不超差；s5：确认静子、转子运行态中心不超差条件下径向间隙影响因素；s6：确认静子、转子冷态中心曲线；s7：按照装配要求计算不同合缸状态下的径向间隙；s8：生成必要的间隙图和装配状态说明文件。9.根据权利要求8所述的一种燃气轮机径向间隙调整结构，其特征在于，步骤s4为消除中心差的问题，采用分段结构对静子中心进行调整，包括以下步骤：s41：将燃气轮机静子部分根据需要分为n段，即x1-xn；s42：计算每段中心差的平均值δ(n)；在每段内xy沿轴向等距选取m个点，m的取值可以根据段的长度适当变化，极端做法可以直接取首尾两点；得到xn(1)、xn(2)、
……
、xn(m)，和yn(1)、yn(2)、
……
、yn(m)，分别做差得到δ(n1)、δ(n2)、
……
δ(nm)；通过下式计算平均值：
δ(n)＝(δ(n1)+δ(n2)+
……
+δ(nm))/m；s43：对每段静子按照其段差平均值下调静子中心δk(n)＝δ(n)；s44：对每段静子的前后位置根据需要进行适量偏心加工δj(n)。10.根据权利要求9所述的一种燃气轮机径向间隙调整结构，其特征在于，步骤s44具体为，选择静子任意两分段间的位置b，对该位置前后段的静子进行偏心加工；若该段静子运行态中心在转子之下，则需要对其顶部进行偏心加工，即：δj(n)＝y(b)+δk(n)-x(b)；若该段静子中心在转子中心之上，则需要对该段静子的底部进行偏心加工，加工量则为：δj(n)＝x(b)-y(b)-δk(n)；其中，y(b)表示在静子分段间的b位置转子运行态中心数值，x(b)表示在静子分段间的b位置未调整时静子运行态中心数值，δk(n)为第n段静子中心下调数值。

技术总结
本发明公开了一种燃气轮机径向间隙设计方法及调整结构，包括转子部分和静子部分，对所述静子部分的结构进行分段，按照分段在静子与转子间设置持环。本申请主要通过静子分段的方式来实现径向间隙匹配，将每段转子和静子的中心差平均值作为静子中心的调整量，并在静子前后位置根据需要进行适量偏心加工。采用此径向间隙调整方式能保证每段静子与转子都有较好的对中性。本申请通过缸体分段并采用双层缸的形式，按上述径向间隙调整要求进行分段间隙调整，可以实现在装配阶段快速实现转子和静子中心调整，并保证在运行态转子和静子具有较好的对中。的对中。的对中。


技术研发人员：詹长庚 郑健生 史雪梅 冯国建 余沛坰 邓喆 史德润 蓝吉兵 隋永枫 徐睿
受保护的技术使用者：浙江燃创透平机械有限公司
技术研发日：2023.02.09
技术公布日：2023/5/12