李 德，彭麗媛，陳玄鵬，王 帆，張 健

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040)

0 引言

護(hù)環(huán)作為汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子外徑最大的部件，熱套安裝于轉(zhuǎn)子端部，起著穩(wěn)定、支撐、防止轉(zhuǎn)子繞組端部變形和移位的作用。汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子高速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，護(hù)環(huán)既承受自身及端部繞組的高速離心載荷作用，又承受與轉(zhuǎn)軸本體端部過盈配合載荷的作用，故對(duì)護(hù)環(huán)作剛強(qiáng)度評(píng)估是汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必需項(xiàng)之一。

護(hù)環(huán)熱套安裝于轉(zhuǎn)軸本體端部，加之轉(zhuǎn)軸大齒、小齒接觸剛度差異等原因，使得轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)跳動(dòng)行為復(fù)雜且難以理解，一直為工程師們所困擾。查閱現(xiàn)有文獻(xiàn)資料表明，護(hù)環(huán)剛強(qiáng)度設(shè)計(jì)所采用的主流方法是有限單元法，通過有限元方法對(duì)護(hù)環(huán)剛強(qiáng)度進(jìn)行二維或三維的仿真分析。但一般側(cè)重于護(hù)環(huán)二維空間維度的強(qiáng)度設(shè)計(jì)問題，僅文獻(xiàn)[1]建立了1/4部分轉(zhuǎn)軸-護(hù)環(huán)-中心環(huán)三維模型分析了護(hù)環(huán)過盈裝配后的變形呈現(xiàn)類圓形分布的特點(diǎn)。文獻(xiàn)[2]揭示了兩極汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸跳動(dòng)由于極心、極間慣性矩差異表現(xiàn)出45°夾角位置最為顯著的特點(diǎn)。

考慮到有限元仿真技術(shù)有效、直觀、生動(dòng)的優(yōu)勢(shì)，本文采用ANSYS Workbench有限元軟件對(duì)兩極汽輪發(fā)電機(jī)護(hù)環(huán)在靜止、額定、超速工況下變形行為進(jìn)行了分析，并進(jìn)一步研究了轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)跳動(dòng)分布規(guī)律。

1 靜止、額定、超速三種工況下的護(hù)環(huán)變形

本節(jié)對(duì)兩極汽輪發(fā)電機(jī)護(hù)環(huán)在靜止、額定、超速工況下的變形行為進(jìn)行了研究，建立了某一機(jī)型轉(zhuǎn)軸-護(hù)環(huán)-中心環(huán)三維裝配及有限元模型，見圖1～圖3。轉(zhuǎn)子采用懸掛式護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)，護(hù)環(huán)的一端熱套在轉(zhuǎn)子本體上，另一端則熱套在懸掛的中心環(huán)上，對(duì)端部繞組等結(jié)構(gòu)進(jìn)行防護(hù)。護(hù)環(huán)與轉(zhuǎn)軸間的過盈緊量通過ANSYS Workbench非線性接觸設(shè)定實(shí)現(xiàn)。機(jī)組額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，超速轉(zhuǎn)速為3 600 r/min，轉(zhuǎn)子端部繞組結(jié)構(gòu)件等效為離心壓力載荷施加在護(hù)環(huán)內(nèi)表面，在汽端、勵(lì)端軸徑位置施加固定約束。提取汽端、勵(lì)端護(hù)環(huán)內(nèi)側(cè)(靠近本體一側(cè))、中間、外側(cè)(靠近中心環(huán)一側(cè))三個(gè)部位的徑向變形(單位：mm)，分析其變形特點(diǎn)，見圖4～圖7。圖中，垂直軸為極中心線位置，水平軸則為極間中心線位置。

圖1 轉(zhuǎn)軸-護(hù)環(huán)-中心環(huán)剖面圖

圖2 轉(zhuǎn)軸-護(hù)環(huán)-中心環(huán)三維裝配模型示意(1/4顯示)

圖3 轉(zhuǎn)軸-護(hù)環(huán)-中心環(huán)三維有限元模型

圖4顯示了靜止、額定、超速三種工況下的汽端護(hù)環(huán)內(nèi)側(cè)、中部、外側(cè)徑向變形分布。由圖可見，徑向變形整體呈現(xiàn)出類橢圓分布的特點(diǎn)。極心大齒位置變形最大，極間位置則最小，其中靜止工況下變形在極心、極間之間出現(xiàn)波動(dòng)，額定工況下變形接近橢圓分布，超速工況變形沿圓周方向則進(jìn)一步變得均勻。勵(lì)端護(hù)環(huán)變形規(guī)律與汽端基本一致(見圖5)。顯而易見上述這種變形分布特點(diǎn)對(duì)于采用二維軸對(duì)稱有限元模型是難以揭示及表征出來(lái)的，也體現(xiàn)出采用三維模型進(jìn)行有限元仿真的優(yōu)勢(shì)所在。圖6和圖7則表明護(hù)環(huán)沿軸向呈現(xiàn)出中間低、兩側(cè)高的馬鞍形狀，且隨轉(zhuǎn)速升高，內(nèi)側(cè)、中部、外側(cè)護(hù)環(huán)間變形差逐步削弱，與圖4、圖5規(guī)律吻合。

圖4 汽端護(hù)環(huán)內(nèi)側(cè)、中部、外側(cè)徑向變形分布

圖5 勵(lì)端護(hù)環(huán)內(nèi)側(cè)、中部、外側(cè)徑向變形分布

圖6 汽端護(hù)環(huán)徑向變形沿軸向分布

圖7 勵(lì)端護(hù)環(huán)徑向變形沿軸向分布

上述護(hù)環(huán)變形行為產(chǎn)生的機(jī)理主要在于兩極汽輪發(fā)電機(jī)懸掛式護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)所致。懸掛式護(hù)環(huán)類似一個(gè)圓筒狀結(jié)構(gòu)，其內(nèi)側(cè)熱套固定于轉(zhuǎn)軸本體端部齒所在配合面，外側(cè)則熱套固定于中心環(huán)上，中間部位則處于相對(duì)自由的狀態(tài)。同時(shí)，本體周向分布的大齒、小齒自身剛度具有較大差異，而中心環(huán)圓周方向的剛度則十分均勻，從而使得護(hù)環(huán)變形規(guī)律呈現(xiàn)出上述特點(diǎn)。

2 護(hù)環(huán)跳動(dòng)現(xiàn)象及分析

由于測(cè)量跳動(dòng)時(shí)，汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子處于低速盤車旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，故可按靜止工況模擬護(hù)環(huán)的徑向變形。基于建立的護(hù)環(huán)三維有限元模型，以極間中心線為測(cè)量起點(diǎn)，通過改變重力加速度方向?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，并提取與重力方向垂直向的變形作為跳動(dòng)測(cè)量表計(jì)的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)護(hù)環(huán)旋轉(zhuǎn)一周的徑向圓跳動(dòng)行為進(jìn)行分析。此分析方法為關(guān)注及從事兩極汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)跳動(dòng)分析的工程師提供了參考思路。

汽端、勵(lì)端護(hù)環(huán)內(nèi)側(cè)、中部、外側(cè)徑向變形(單位：絲或道)規(guī)律見圖8及圖9。由圖可見，護(hù)環(huán)跳動(dòng)對(duì)極心、極間呈對(duì)稱關(guān)系，汽端、勵(lì)端規(guī)律基本一致，周向跳動(dòng)呈現(xiàn)類橢圓分布的特點(diǎn)，內(nèi)側(cè)跳動(dòng)值最大、外側(cè)次之，中間則最低。內(nèi)側(cè)護(hù)環(huán)跳動(dòng)最小值位于極間偏極心15°的位置，最大值位于極間偏極心75°的位置；中間部位護(hù)環(huán)跳動(dòng)最小值位于極間，為負(fù)值，表明此位置護(hù)環(huán)處于向內(nèi)凹陷的狀態(tài)，最大值位于極心，為正值，圓周跳動(dòng)由負(fù)至正過渡變化；外側(cè)護(hù)環(huán)跳動(dòng)最小值位于極間，最大值位于極心，整體分布呈橢圓形，再次證明中心環(huán)側(cè)的剛度分布均勻，使得外側(cè)護(hù)環(huán)跳動(dòng)表現(xiàn)出較為規(guī)矩的橢圓形分布特點(diǎn)。

圖8 汽端護(hù)環(huán)跳動(dòng)分布

圖9 勵(lì)端護(hù)環(huán)跳動(dòng)分布

綜合上述內(nèi)容可知，汽輪發(fā)電機(jī)護(hù)環(huán)跳動(dòng)測(cè)量接近于靜態(tài)工況，難以表征實(shí)際運(yùn)行工況下(即額定轉(zhuǎn)速下)的護(hù)環(huán)變形狀態(tài)。但是，根據(jù)跳動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)可以有效判定護(hù)環(huán)套裝后是否偏心(跳動(dòng)分布對(duì)極中心線、極間中心線的對(duì)稱程度)。

3 結(jié)論

本文建立了兩極汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸-護(hù)環(huán)-中心環(huán)三維有限元模型，采用ANSYS Workbench對(duì)靜止、額定、超速三種工況下的護(hù)環(huán)變形規(guī)律進(jìn)行了仿真分析，并進(jìn)一步分析了護(hù)環(huán)徑向跳動(dòng)規(guī)律。研究表明：轉(zhuǎn)軸大齒、小齒剛度差異，轉(zhuǎn)子極心、極間慣性矩差異使得護(hù)環(huán)跳動(dòng)呈現(xiàn)出類橢圓并與極心、極間對(duì)稱分布的特點(diǎn)。由于懸掛式護(hù)環(huán)自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，不同部位的跳動(dòng)規(guī)律又有其各自特點(diǎn)；護(hù)環(huán)跳動(dòng)測(cè)量雖難以表征轉(zhuǎn)子高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，但仍可有效作為護(hù)環(huán)套裝質(zhì)量?jī)?yōu)劣的重要判定依據(jù)。這對(duì)于評(píng)估兩極汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的可靠、穩(wěn)定運(yùn)行具有重要參考價(jià)值，對(duì)于工程師們理解護(hù)環(huán)跳動(dòng)行為具有重要指導(dǎo)意義。