張華杰， 張雪

（哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150046）

0 引言

低壓缸是汽輪機(jī)的最重要部件之一，其用來引導(dǎo)汽輪機(jī)排汽進(jìn)入凝汽器，同時(shí)對汽輪機(jī)整個(gè)低壓模塊起到支撐作用。哈汽1 000 MW汽輪機(jī)低壓缸原設(shè)計(jì)為引進(jìn)國外公司技術(shù)，由于機(jī)組容量大，低壓外缸尺寸非常大,低壓轉(zhuǎn)子軸承座設(shè)計(jì)與低壓外缸焊接為一體，因此低壓外缸的剛度影響到整個(gè)機(jī)組的安全性。由于低壓外缸剛度差，在機(jī)組運(yùn)行時(shí)，存在一定的變形，使局部應(yīng)力變大，影響機(jī)組正常運(yùn)行，因此需要對低壓缸進(jìn)行加固以改善其剛度。哈汽公司根據(jù)1 000 MW機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行情況，并結(jié)合以往機(jī)組低壓缸加固的成功經(jīng)驗(yàn)，采用三維建模和有限元分析等手段，對1 000 MW汽輪機(jī)低壓外缸剛度進(jìn)行了詳細(xì)分析，掌握了低壓外缸在高真空狀態(tài)下整體變形情況。并根據(jù)分析結(jié)果，通過局部增加輔助支撐，適當(dāng)加固，實(shí)現(xiàn)了汽缸局部剛度的增強(qiáng)，減小了局部變形量，解決了低壓缸剛度問題對機(jī)組運(yùn)行的影響。

1 現(xiàn)有低壓汽缸分析

對于現(xiàn)有的1 000 MW超超臨界機(jī)組低壓缸模塊，哈汽公司采用全三維非線性有限元分析技術(shù)進(jìn)行了數(shù)值模擬。有限元計(jì)算模型主要由低壓外缸、低壓內(nèi)缸、低壓蒸汽室，正反向1～5級隔板、低壓排汽導(dǎo)流環(huán)和基礎(chǔ)臺面等部件組成。該模型將靜子與隔板中的葉片略去，由等效當(dāng)量平板代替，這樣就避免了考慮葉片后，單元基本尺寸小，單元數(shù)量龐大，現(xiàn)有計(jì)算機(jī)無法計(jì)算的問題，同時(shí)在不影響計(jì)算精度的前提下突出了分析重點(diǎn)。

計(jì)算中，將基礎(chǔ)假設(shè)為剛性，汽缸鋼板采用直接連接代替焊縫，增加的加強(qiáng)筋焊縫也不予考慮，直接看作一體。模型簡化的主要內(nèi)容是模塊按對稱計(jì)算，對一些圓角、倒角和小孔，有些圓角和小孔等幾何實(shí)體沒有處在需要考慮的重要部位，并且尺寸很小，這時(shí)可以把這些小特征刪除掉。模型簡化完畢之后，附加重力載荷、真空載荷、軸承載荷，進(jìn)行模型分析。

如圖1、圖2所示，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，汽缸中分面法蘭及撐腳處均在中間部位向缸內(nèi)變形0.24～0.279 mm，內(nèi)缸支撐平臺向下變形引起內(nèi)缸下降0.297 mm左右，低壓外缸整體變形量比較大。通過分析，低壓外缸變形量大的部位與理論研究的薄弱點(diǎn)相一致，分別為：低壓外缸重量的主要支撐點(diǎn)，低壓外缸真空吸力的主要受力點(diǎn)，低壓外缸軸承載荷的承受點(diǎn)，這些位置由于承受的載荷較其他位置大得多，設(shè)計(jì)上若無特殊結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，變形量將遠(yuǎn)大于其他位置，從而影響低壓外缸的剛度。

圖1 原百萬超超臨界機(jī)組低壓模塊變形分布圖

圖2 低壓內(nèi)缸支撐處放大500倍后局部變形圖

圖3 低壓外缸加固方案三維模型

2 改進(jìn)措施

經(jīng)過多次改進(jìn)和分析，哈汽公司在對原1 000 MW機(jī)組低壓外缸結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，找到影響低壓外缸強(qiáng)度的關(guān)鍵點(diǎn)，采用適當(dāng)增加輔助支撐的方法對低壓缸進(jìn)行加固，采取了一些行之有效的措施，使剛度問題得到改善。如圖3所示，在低壓外缸端部上半外表面增加了若干加強(qiáng)筋，呈扇形分布，低壓外缸電端上半內(nèi)壁增加撐管和撐板，低壓外缸電端下半增加兩個(gè)撐管。圖3中紅色部分即為輔助支撐加強(qiáng)部分。

改進(jìn)之后的模型經(jīng)有限元分析表明，低壓缸增加輔助支撐之后，外缸總應(yīng)力、總變形、內(nèi)缸支撐垂直變形、軸承洼渦垂直變形、汽封垂直變形均有一定的改善如圖4所示。其中低壓缸總應(yīng)力減少26.3%，總變形減少17.9%，軸承洼渦垂直變形改善20.9%。其他基礎(chǔ)的垂直及橫向變形改善情況也均達(dá)到20%以上。

圖4 加固低壓模塊缸垂直變形

加固前，從整個(gè)機(jī)組的運(yùn)行情況來看，由于低壓外缸剛度偏弱，導(dǎo)致低壓外缸軸承洼渦垂直變形過大，實(shí)際運(yùn)行狀況比原設(shè)計(jì)變形更大，軸系穩(wěn)定性差。低壓外缸軸承洼渦垂直變形大，對原設(shè)計(jì)軸系來說，在運(yùn)行過程中標(biāo)高變化大，依靠低壓缸及軸承座處變形不足以彌補(bǔ)標(biāo)高變化的影響，聯(lián)軸器張口和錯(cuò)位設(shè)計(jì)值難以保證。加固后，分析表明低壓外缸軸承洼渦垂直變形更為接近設(shè)計(jì)值，軸系穩(wěn)定性也趨于合理。經(jīng)過與焊接工藝部門研究，上述增加輔助支撐方案焊接量不大，不會引起排汽蝸殼和汽封處發(fā)生變形，但應(yīng)保證焊接質(zhì)量，嚴(yán)格按焊接工藝執(zhí)行。

3結(jié)語

通過上述對1 000 MW汽輪機(jī)低壓缸的分析和改進(jìn)，全面提高了低壓缸關(guān)鍵部位的剛度特性，減小了由于汽缸變形引起的軸承洼窩的下沉量，改善了應(yīng)力問題，解決了由于汽缸隨真空變化產(chǎn)生變形而引起的動靜碰磨和轉(zhuǎn)子振動問題，為機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行創(chuàng)造了條件，整體改進(jìn)方案經(jīng)實(shí)際項(xiàng)目驗(yàn)證成熟可靠。

［1］ 方宇，劉東旗，徐瓊鷹，等.超超臨界1000MW空冷汽輪機(jī)低壓缸剛性研究［J］，東方汽輪機(jī)，2013（1）：1-4.

［2］ 黃遠(yuǎn)志.T_2A、360、2F、1044 型汽輪機(jī)低壓缸加固［J］.四川電力技術(shù)，1995（6）：23-25.