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低压模块超临界350MW机组模态分析及结构优化

2023-08-01 286 上传者：管理员

摘要：结合某350MW机组低压外缸特点，采用有限元方法，分析了低压外缸-轴承箱结构的固有频率，并对其结构进行优化，使结构的固有频率避开转频的±10%,避免共振现象的发生，使机组可以长期稳定安全的运行。

关键词：
共振
机组长度
模态分析
结构优化
轴承箱
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为了缩短机组长度及低压转子轴距，有些汽轮机低压外缸与轴承箱通过焊接的方式连接，此种类型的汽轮机低压外缸为复杂焊接薄壁结构，常规设计通常参照成熟机组设计结构或模型试验加上简单的计算确定汽缸结构。这种方法通常可以满足机组正常工作。

某机组在设计时采用常规设计方法，由于当时计算机计算能力较差，无法对低压外缸进行整体模态分析计算，且转子的振动可以通过轴承座传递到整个低压外缸上，当此种低压外缸-轴承箱结构固有频率与汽轮机转频接近的概率较大，且在结构阻尼较低的情况下，可能导致共振现象的发生，对机组安全运行产生较大的安全隐患。

本文将某电厂350MW机组作为分析对象，对其低压外缸进行整体模态分析，并对其结构进行优化，以排除该机组振动异常的故障。

1、问题描述

某电厂2号机组为单轴、一次中间再热、两缸两排汽、单抽凝汽式、超临界350MW汽轮机组，低压缸结构剖面如图1所示[1],低压外缸下半与两端轴承箱焊接成一体，具有同一个安装平面，在运行时可以保证轴承箱与缸体处于同心的状态，此类低压外缸-轴承箱结构极易出现共振现象。

2号机组自投运以来，4号轴承瓦振一直较大，4号轴承轴振正常，经过现场动平衡后，瓦振没有明显改善，当站在低压外缸台板上时，可以感觉到明显的振动，怀疑是在机组运行时低压外缸-轴承箱结构发生共振。本文对低压外缸-轴承箱结构进行模态分析，并在此基础上提出了优化方案。

图1某350MW超临界机组低压部分剖面图

2、结构模态分析

2.1三维实体模型建立

该模型主要包括低压外缸前部(调)、低压外缸后部(电)、低压外缸中部上半和低压外缸中部下半，低压外缸各钢板采用直接连接，忽略焊缝的形式[1],三维模型如图2所示。

2.2网格划分

由于低压外缸结构复杂，难以使用映射网格划分该几何体[2],所以本文采用自由网格划分的方式。经过初步的试算，根据计算结果的精度和计算时间之间的平衡，选择合适的网格尺寸。划分后，单元个数为272 040个，节点个数为533 085个，网格划分如图3所示。

图2低压外缸简化模型

图3低压外缸有限元模型

2.3边界条件及接触设置

低压缸四周有框架式撑脚，增加低压缸刚性，撑脚坐落在基架上承担全部低压缸重量，并使得低压缸的重量均匀地分布在基础上。在撑脚四边通过键槽与预埋在基础内的锚固板形成膨胀的绝对死点。按照实际安装条件对低压外缸设置位移边界条件，基础台板采用刚性基础取代[3]。低压外缸各水平和垂直法兰面处设置绑定接触来代替螺栓连接，该假设会增加外缸的刚度，经过计算对比，增加的刚度可以忽略不计，并且可以极大地缩短计算时间。

2.4计算结果分析

将模型导入到有限元分析软件中计算得出结构各阶固有频率及振型，固有频率落在45Hz～55Hz危险区间内的结果如下：

第六阶固有频率为48.8Hz,振型如图4所示，第七阶固有频率为53.4Hz,振型如图5所示，第八阶固有频率为53.7Hz,振型如图6所示。

图4第六阶振型

图5第七阶振型

图6第八阶振型

根据原始方案固有频率和振型计算结果制定相应的加固方案并进行对比分析。

以上阶数的固有频率距离汽轮机转频较近，在机组运行时容易发生共振现象，需要对以上振型进行优化。

2.5优化方案及结果

对该机组低压外缸结构优化的目的在于通过结构的调整改变低压外缸的刚度，使其固有频率避开危险区间。

通过对第六阶固有频率振型分析发现，低压外缸下半垂直方向法兰刚度较小，考虑增加低压外缸下半垂直法兰和肋板的厚度可以增加其刚度，通过对第七和第八阶固有频率振型的分析，轴承箱变形较大，轴承箱变形有扭转趋势，可以在轴承箱下方增加支撑管。

(1)在电端轴承座处增加两个支撑管，加固方式如图7所示。

图7增加支撑管示意图

(2)将低压缸下半肋板加厚20mm,如图8所示，箭头表示加厚方向，双侧箭头表示两边各加厚10mm。

图8加厚肋板示意图

(3)在低压缸下半肋板处45°方向增加支撑管，加固方式如图9所示。

图9新增45°支撑管示意图

(4)加固后结果：

第六阶加固后固有频率为55.0Hz,振型如图10所示，第七阶加固后固有频率为55.3Hz,振型如图11所示，第八阶加固后固有频率为57.1Hz,振型如图12所示。

图10第六阶加固后振型

图11第七阶加固后振型

图12第八阶加固后振型

原设计方案和加固方案的低压缸-轴承箱系统前10阶固有频率计算见表1。

由表1可见，加固后低压外缸固有频率避开工频的±10%,有效地增强了机组的安全性。

3、结论

本文通过有限元方法对低压外缸复杂结构的模态分析结果相对准确，应用此种方法分析得到优化方案，可以指导设计和现场进行合理的结构优化。此方案应用到某电厂后，机组瓦振由60μm降低到20μm,取得明显的效果，保证了机组的安全稳定运行，同时也为此类振动问题的处理提供了参考。

10 表1原设计方案和加固方案固有频率

参考文献：

[1]余红兵，朱鸿宁,王红梅超临界350MW供热汽轮机组的选型及关键技术[J]电站系统工程。2010,26(3):37-38.

[2]张原。辛庆伟,郁大照燃气涡轮盘/叶耦合系统振动特性分析[J]海军航空工程学院学报, 2012,27(1):61-65.

[3]单世超,陈伯树,平路光某型1000MW超超临界机组低压模块结构分析研究[J].汽轮机技术, 2013,55(1):39-42.

文章来源：翟彦恺,刘志德,李洪亮等.超临界350MW机组低压模块模态分析及结构优化[J].汽轮机技术,2023,65(04):268-270.

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