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汽轮机1000MW等级低压缸变形和振动特性分析

2023-08-01 93 上传者：管理员

摘要：采用三维有限元分析方法建立低压外缸的有限元模型，进而计算了低压缸的变形以及固有频率。计算结果直接指导了低压缸的方案设计。计算结果与实际情况较好吻合，这说明数值分析方法可以作为低压外缸设计过程中的重要手段，并且确保其安全可靠。

关键词：
1000MW汽轮机
低压外缸
低压模块
低压缸设计
安全经济性
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低压模块是汽轮机各部件中较为重要的部分，低压模块整体设计的优劣与否直接影响到汽轮机组的稳定性、安全性，并且对汽轮机组总的效率有着重要影响。汽轮机的低压外缸主要由各种不同规格的钢板拼焊而成，结构复杂、尺寸巨大，常规设计往往参考成熟机组的结构，并辅以简单的经验公式来核算缸体结构的强度以及刚度，这种设计方法在汽轮机发展的初期阶段一般能够满足机组运行要求。但随着技术的不断发展进步，机组功率逐渐增大，随之而来低压外缸的结构尺寸也逐渐增大，以往的设计方法越来越难以满足机组安全、高效运行的要求。因为在以往的设计过程中，对汽缸的变形以及固有频率缺乏有效的分析手段。

本文针对某1000MW汽轮机低压外缸尝试运用有限元分析手段计算低压缸的变形以及固有频率，寻求高可靠性的低压缸设计分析途径[1]。

1、某1000MW汽轮机低压外缸结构简介

某发电分公司1号、2号汽轮机为CCN1030-25/600/600型超超临界凝汽式汽轮机。本机组的两个低压缸结构相同，均为双层、分流、落地式结构。由于采用了双层缸结构，能够使通流部分全部置于内缸中，从而使体积较小的低压内缸承受最主要的温度梯度变化，而体积庞大的低压外缸只与排汽接触，处于相对低温状态，控制其膨胀、变形处于较小的程度。

低压内、外缸均由钢板冷焊拼接而成，以减轻重量，增加刚性。本机组的外缸沿轴向分为3段，以减小构件尺寸，便于加工和运输。安装时，3段之间通过垂直结合面用螺栓作永久连接，上、下外缸也就合为整体了。低压外缸下半有四周连续布置的机架坐落在基础台板上，外缸下半与两端的轴承箱焊接成一体，安装面为同一平面，在运行中能保持轴承箱与缸体同心。内缸下半利用中分面四角伸出的搭子坐落在外缸下半，搭子下方设有调整垫片，供调整中心用。

低压内缸的进汽口与中、低压缸的连通管通过法兰螺栓直接相连接，而内缸与外缸的进汽口之间通过波形筒密封连接，这种结构有利于补偿内、外缸及连通管三者之间的相对膨胀(主要指垂直方向的膨胀)。

低压外缸如图1所示，下半由四周连续布置的机架坐落在基础台板上，与汽缸下半两端整体焊接的轴承箱也支承在同一平面上。1号低压缸后排汽室左、右两侧的机架与台板之间设有一对横销，2号低压缸排汽室左、右两侧的机架与台板之间也设有一对横销，这两对横销对1号低压缸和2号低压缸起纵向定位作用，同时引导低压缸沿横向正确膨胀，从而保证了低压缸排汽口与凝汽器喉部连接的安全。1号低压缸和2号低压缸前后两端与连接垫铁之间还设有纵销，引导低压缸沿纵向膨胀。

图1 1000MW汽轮机低压外缸

2、低压外缸分析模型

根据低压内、外缸的结构以及定位关系，建立如图2所示的低压外缸分析模型，在模型建立过程中分别考虑了以下因素：

(1)低压内缸及其内部套的重力通过水平中分面的搭子加载到低压外缸的支撑座上，在静力分析中，将内缸以及其内部件的重力以质量点的形式加载到外缸支撑部位。

(2)虽然低压外缸存在结构上的对称性，但由于在固有频率的计算中采用半缸分析可能导致模态丢失现象，所以采用全缸模型进行强度以及固有频率分析。

(3)低压外缸的主体结构以及内部的加强筋、撑管均采用实体单元建模，保证汽缸计算结果的准确性。

图2 1000MW汽轮机低压外缸有限元分析模型

2.1力学边界条件

1000MW机组低压外缸在运行过程中受到以下载荷作用：

(1)低压外缸通过轴承箱中的轴承座支撑低压转子的重量。

(2)低压内缸以及其内部的隔板套、隔板等的重量，以质量点的形式直接加载到外缸支撑座上。

(3)外缸自身重力。

(4)真空载荷：1000MW汽轮机在运行时承受外部大气压力。

2.2位移边界条件

(1)低压外缸裙板支撑在基架上，基架坐落于基础上，有限元分析时约束裙板的垂直方向位移。

(2)在低压外缸的左、右侧裙板中部位置各布置有一处定位键，计算时约束该处轴向位移。

(3)在低压外缸前、后部轴承箱底部布置有定位键，计算时须约束该处横向位移。

3、低压外缸强度变形分析

由于凝汽器抽真空，低压外缸在带负荷运行工作时会使低压外缸内部处于负压工作状态。由于低压外缸体积大，抽真空时，真空载荷非常巨大，且全部由低压外缸的内、外部结构承担，此作用力会导致轴承支撑位置以及低压内缸支撑位置的下沉。下沉值如图3所示。

图3低压缸在自重和真空载荷作用下的变形

低压缸轴瓦位置变形值的有限元分析结果见表1,与电厂测试数据基本一致。

表1 1号机组抽真空低压缸变形实验数据

4、低压外缸固有频率分析

4.1固有频率振动特性理论分析

低压外缸结构在经过有限元网格离散后，运动状态下各点的动平衡方程：

无阻尼情况下n阶自由度的机械系统的自由振动一般矩阵方程为：

[M]⎡⎣⎢⎢θ¨1⋮θ¨n⎤⎦⎥⎥=−[K]⎡⎣⎢⎢θ1⋮θn⎤⎦⎥⎥

式中，[M]、[K]分别为n×n阶的全局惯性和刚度矩阵，一般情况下均为对角带状阵。

设谐振响应频率为ω,

⎡⎣⎢⎢θ¨1⋮θ¨n⎤⎦⎥⎥=−ω2⎡⎣⎢⎢θ1⋮θn⎤⎦⎥⎥

因此：

ω2[M]⎡⎣⎢⎢θ1⋮θn⎤⎦⎥⎥=[K]⎡⎣⎢⎢θ1⋮θn⎤⎦⎥⎥

经过矩阵变换得到：

ω2⎡⎣⎢⎢θ1⋮θn⎤⎦⎥⎥=[M]−1[K]⎡⎣⎢⎢θ1⋮θn⎤⎦⎥⎥

为了便于计算，定义：

[A]=[M]−1[K]

得到：

ω2⎡⎣⎢⎢θ1⋮θn⎤⎦⎥⎥=[A]⎡⎣⎢⎢θ1⋮θn⎤⎦⎥⎥

这是一个典型的特征值问题，n个特征值(ωi2,i=1,…n),对应着n个特征向量，也就是系统的模态振型。因此，机械系统的固有频率为特征值的平方根。

4.2低压外缸固有频率计算结果

振型图如图4所示，计算结果见表2,该1000MW等级汽轮机低压外缸固有频率较好地避开了机组50Hz的运行频率，能够保证机组的安全稳定运行[2]。

表2低压外缸固有频率

图4低压外缸振型

5、结论

(2) (1)1000MW汽轮机低压外缸的有限元计算变形值与现场实测数据有着较好的吻合度，说明数值分析方法可以作为低压外缸设计过程中的重要手段，并且确保其运行的安全可靠。

(3) 该1000MW汽轮机低压外缸固有频率与机组运行频率有着较大的避开率，即机组运行过程中低压外缸不会产生共振现象。

参考文献：

[1]王勛成有限单元法[M].北京:清华大学出版社, 2003.

[2]吴厚玉透平零件结构和强度计算[M].西安:西安交通大学出版社, 1982.

文章来源：刘博,赵英兵,张志伟.1000MW等级汽轮机低压缸变形和振动特性分析[J].汽轮机技术,2023,65(04):283-285.

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期刊名称：汽轮机技术

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国内刊号：23-1251/TH

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创刊时间：1958年

发行周期：双月刊

期刊开本：大16开

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