童海文，黃保華，張 科，周林航，馬曉飛

（杭州汽輪機(jī)股份有限公司， 浙江 杭州 310022）

工業(yè)驅(qū)動(dòng)用汽輪機(jī)靜撓度計(jì)算

童海文，黃保華，張 科，周林航，馬曉飛

（杭州汽輪機(jī)股份有限公司， 浙江 杭州 310022）

工業(yè)驅(qū)動(dòng)用汽輪機(jī)隨著功率的增加，結(jié)構(gòu)尺寸也越來越大，動(dòng)子和靜子在自重作用下會(huì)產(chǎn)生不可忽略的撓曲，進(jìn)而影響動(dòng)靜間隙的大小。根據(jù)某大功率驅(qū)動(dòng)用汽輪機(jī)的實(shí)際結(jié)構(gòu)，采用有限元方法計(jì)算了靜態(tài)下汽缸和轉(zhuǎn)子的撓度，從而給出汽輪機(jī)本體結(jié)構(gòu)對(duì)動(dòng)靜間隙設(shè)計(jì)的影響。

汽輪機(jī); 靜撓度; 動(dòng)靜間隙; 有限元

0 引言

作為原動(dòng)機(jī)的汽輪機(jī)具有良好的外特性，它的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，利于被驅(qū)動(dòng)機(jī)器的快速啟動(dòng)，且用于驅(qū)動(dòng)時(shí)，很易達(dá)到機(jī)組的平衡運(yùn)行，不會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)速大幅擺動(dòng)的現(xiàn)象[1]，因而在工業(yè)驅(qū)動(dòng)中應(yīng)用廣泛。

隨著冶金、煤化工、化肥等裝置不斷地大型化，相應(yīng)配套驅(qū)動(dòng)的汽輪機(jī)功率和結(jié)構(gòu)尺寸也相應(yīng)增大。為了提高汽輪機(jī)的效率，級(jí)間漏氣需要控制，動(dòng)靜間隙不能過大。而另一方面，汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸增加后，動(dòng)子和靜子在自重的作用下會(huì)產(chǎn)生不可忽略的撓曲。因此，大功率工業(yè)驅(qū)動(dòng)用汽輪機(jī)的動(dòng)靜間隙設(shè)計(jì)除了考慮氣動(dòng)方面的要求外，還需要考慮本體結(jié)構(gòu)方面的要求。

1 汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)

本文中的大功率驅(qū)動(dòng)用汽輪機(jī)靜體部分主要包括前、后支座，外汽缸、進(jìn)汽室，導(dǎo)葉持環(huán)，前、后軸承座及汽封體等，其中導(dǎo)葉持環(huán)是靜葉安裝在隔板套的部件；外汽缸有水平及垂直中分面，上、下汽缸及前汽缸、排汽缸之間用螺栓連接，外汽缸借助貓爪支承在支座上。轉(zhuǎn)子主要包括主軸、動(dòng)葉片、前后汽封、平衡活塞汽封以及盤車棘輪；新汽通過調(diào)節(jié)汽閥進(jìn)入通流部分后，經(jīng)過排汽缸排入凝汽器。轉(zhuǎn)子上動(dòng)葉與靜體的靜葉構(gòu)成了汽輪機(jī)級(jí)，是通流部分的核心；在通流部分，蒸汽膨脹做功，熱能轉(zhuǎn)化為推動(dòng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能，從而驅(qū)動(dòng)其他設(shè)備。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中1為轉(zhuǎn)子，2為外汽缸，3為進(jìn)汽室，4為排汽缸，5為中壓導(dǎo)葉持環(huán)，6低壓導(dǎo)葉持環(huán)，7為前支座，8為后支座，9為調(diào)節(jié)汽閥，10為前徑向軸承，11為后徑向軸承，12為推力軸承。由于本文計(jì)算的汽輪機(jī)的后汽封體是支撐在后支座上，而后支座是安裝在基礎(chǔ)底板上，后汽封體受到汽缸變形的影響小，而此處靠近軸承中心，轉(zhuǎn)子變形也小，所以靜撓度對(duì)后汽封動(dòng)靜間隙的設(shè)計(jì)影響不大。本文主要研究從前汽封開始到低壓末級(jí)的本體結(jié)構(gòu)對(duì)動(dòng)靜間隙的影響。

圖1 某大功率工業(yè)驅(qū)動(dòng)用汽輪機(jī)

2 汽缸和轉(zhuǎn)子撓度計(jì)算

靜子撓曲涉及的結(jié)構(gòu)有汽缸、進(jìn)汽室、導(dǎo)葉持環(huán)、汽封體，靜葉和汽封片，如果將所有模型都直接參與計(jì)算，計(jì)算量過大。為了避免過大的計(jì)算，本文以在重力作用下?lián)隙认鄬?duì)大的汽缸撓曲來表征整個(gè)靜子撓曲。

外汽缸與排汽缸通過垂直中分面螺栓接缸成為一體，如圖 2所示。外汽缸貓爪安裝在前支座上，排汽缸側(cè)板安裝在基礎(chǔ)底板上，從而構(gòu)成了對(duì)汽缸高度方向上的約束；排汽缸側(cè)板中間與定位塊配合，從而約束了汽缸軸向移動(dòng)；外汽缸下部搭子與前支座配合，排汽缸下部搭子與后支座配合，從而構(gòu)成了對(duì)汽缸左右方向上的約束；外汽缸和排汽缸自身受到重力作用，進(jìn)汽室、導(dǎo)葉持環(huán)、調(diào)節(jié)汽閥和前汽封體的重力以壓力的形式作用在汽缸相應(yīng)的配合面上：計(jì)算的模型中，在上述汽缸配合面上對(duì)汽缸進(jìn)行約束和加載。外汽缸水平中分面、排汽缸水平中分面以及外汽缸排汽缸的垂直中分面設(shè)置摩擦接觸，并對(duì)水平中分面和垂直中分面上的螺栓進(jìn)行預(yù)緊加載。為了減少整個(gè)有限元計(jì)算[2-4]的節(jié)點(diǎn)數(shù)量，取圖2中模型的一半作為研究對(duì)象，并將縱剖面設(shè)置為對(duì)稱約束，從而保證模型計(jì)算的對(duì)稱性。整個(gè)的計(jì)算模型如圖3所示。

圖2 接缸后的外汽缸與排汽缸

汽缸下半靜態(tài)高度方向上的變形結(jié)果如圖4所示，可看到，汽缸變形的變化梯度較大。由于本文要得到重力作用下的動(dòng)靜間隙，所以汽缸的撓曲就以與轉(zhuǎn)子中心最接近的汽缸內(nèi)壁撓曲來表征。從圖 4可看出，縱剖面上的汽缸內(nèi)壁線變形較大，本文在汽缸下半內(nèi)壁線軸向等距地取點(diǎn)讀取變形，如圖5所示。

動(dòng)子包含了轉(zhuǎn)子、動(dòng)葉、盤車棘輪和汽封片，如圖6所示，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將動(dòng)葉和盤車棘輪的重量以壓力的形式作用在轉(zhuǎn)子上；并以轉(zhuǎn)子的一半作為計(jì)算對(duì)象，將縱剖面設(shè)置為對(duì)稱約束，以增加網(wǎng)格密度來提高計(jì)算精度；轉(zhuǎn)子在前后徑向軸承中心處施加徑向約束，推力盤處不約束，用軟彈簧約束軸向的約束，如圖7所示。由于實(shí)際轉(zhuǎn)子與徑向軸承接觸面是有一定軸向長(zhǎng)度的接觸面，徑向軸承支反力的合力點(diǎn)會(huì)比軸承中心偏向轉(zhuǎn)子的重心；此外推力軸承會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子推力盤有一定的約束作用：這兩個(gè)因素都會(huì)減少轉(zhuǎn)子的變形，所以按照?qǐng)D7計(jì)算得到的轉(zhuǎn)子撓曲變形會(huì)比實(shí)際偏大，從而使模型計(jì)算得到的撓度有一定的余量。轉(zhuǎn)子撓曲變形計(jì)算結(jié)果如圖8所示。在轉(zhuǎn)子軸線上讀取對(duì)應(yīng)圖5中汽缸等距內(nèi)壁點(diǎn)的撓度，如圖9所示，從而得到轉(zhuǎn)子的撓度曲線。

圖4 汽缸靜態(tài)變形

圖5 汽缸內(nèi)壁變形拾取點(diǎn)

圖6 轉(zhuǎn)子模型

圖7 轉(zhuǎn)子的撓度計(jì)算

圖8 轉(zhuǎn)子的撓曲變形

圖9 轉(zhuǎn)子相應(yīng)拾取點(diǎn)的撓度

3 結(jié)論

按照上述計(jì)算得到的靜態(tài)汽缸和轉(zhuǎn)子撓度曲線如圖10所示，其中軸向0位是汽缸與前汽封配合的左端面。將轉(zhuǎn)子撓度減去對(duì)應(yīng)汽缸撓度，就可得到相應(yīng)位置的撓度差，靜態(tài)的撓度差曲線如圖11所示。撓度差負(fù)值表示對(duì)應(yīng)位置設(shè)計(jì)動(dòng)靜間隙至少需要留有的間隙，例如在軸向位置1302mm處，動(dòng)靜間隙的設(shè)計(jì)需要為重力作用帶來的變形至少預(yù)留 0.18mm的間隙。

圖10 靜態(tài)撓度曲線

圖11 靜態(tài)撓度差曲線

[1] 蔡頤年. 蒸汽輪機(jī)[M]. 西安: 西安交通大學(xué)出版社, 1988.

[2] Zienkiewicz O C, Taylor R L, Zhu J Z. The finite element method: its basis and fundamentals [M].Oxford: Elsevier Butterworth-Heinemann, 2005.

[3] Zienkiewicz O C, Taylor R L. The finite element method for solid and structural mechanics [M].Oxford: Elsevier Butterworth-Heinemann, 2005.

[4] 王勖成. 有限單元法[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2009.

Analysis on Deformation of Industrial Driving Steam Turbine

TONG Hai-wen, HUANG Bao-hua, ZHANG Ke, ZHOU Lin-hang, MA Xiao-fei
(Hangzhou Steam Turbine Co., Ltd., Hangzhou 310022, China)

With the increase of rated power of industrial driving steam turbine, the structure becomes larger and larger, and the deformation of active cell and stator cannot be ignored. The deformation of the casing and the rotor of a specified high-power steam turbine is calculated by finite element method.The deformation analysis will be helpful to the design of radial clearance between casing and rotor.

steam turbine; deformation; clearance; finite element method

TK262

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.01.013

童海文（1965-），男，本科，副總工程師，主要從事汽輪機(jī)故障診斷分析、安裝指導(dǎo)和調(diào)試工作。