1000MW等级汽轮机低压缸变形和振动特性分析.pdf

收稿日期:作者简介:刘 博()男高级工程师 主要从事汽轮机设计开发及强度分析工作 等级汽轮机低压缸变形和振动特性分析刘 博赵英兵张志伟(哈尔滨汽轮机厂有限责任公司哈尔滨)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:汽轮机低压外缸安全经济性分类号:.文献标识码:文章编号:()():.:前 言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 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 某 汽轮机低压外缸结构简介某发电分公司 号、号汽轮机为 /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 段以减小构件尺寸便于加工和运输 安装时 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 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 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 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 号低压缸和 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 号低压缸和 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第 卷 第 期汽 轮 机 技 术.年 月.图 汽轮机低压外缸 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 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:()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()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()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 汽轮机低压外缸有限元分析模型.力学边界条件 机组低压外缸在运行过程中受到以下载荷作用:()低压外缸通过轴承箱中的轴承座支撑低压转子的重量()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()外缸自身重力()真空载荷:汽轮机在运行时承受外部大气压力.位移边界条件()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()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()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 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 所示图 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 与电厂测试数据基本一致 表 号机组抽真空低压缸变形实验数据项 目真空/低压内缸前支撑/低压内缸后支撑/号瓦下沉/盘车电流/号瓦顶轴油压/试验前测量值.试验后测量值.低压外缸固有频率分析.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 阶自由度的机械系统的自由振动一般矩阵方程为:式中、分别为 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 汽 轮 机 技 术 第 卷 因此:经过矩阵变换得到:为了便于计算定义:得到:这是一个典型的特征值问题 个特征值()对应着 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.低压外缸固有频率计算结果振型图如图 所示计算结果见表该 等级汽轮机低压外缸固有频率较好地避开了机组 的运行频率能够保证机组的安全稳定运行 表 低压外缸固有频率单位:阶数频率.图 低压外缸振型 结 论()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()该 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 王勖成.有限单元法.北京:清华大学出版社.吴厚玉.透平零件结构和强度计算.西安:西安交通大学出版社.(上接第 页)()对施工及调试注意事项做了重点分析为其它工程提供借鉴参 考 文 献 国务院办公厅.能源发展战略行动计划(年)/.:/./.刘吉臻李云鸷宋子秋等.灵活智能燃煤发电技术及评价体系.动力工程学报():.隋云任梁双印黄登超等.飞轮储能辅助燃煤机组调频动态过程仿真研究.中国电机工程学报():.陈永辉李志强蒋志庆等.基于电锅炉的火电机组灵活性改造技术研究.热能动力程():.():.贺惠民冯澎湃郑 鑫等.非稳态负荷下光热补偿型电加热系统储能容量优化配置研究.节能技术():.曹丽华潘同洋司和勇等.热电厂配置调峰电锅炉最佳容量确定方法.中国电力():.李明皓白永岗鲁晓宇等.基于调度需求的多机组耦合电锅炉优化配置及运行分析.热力发电():.林 军李军.火电厂直热式电锅炉灵活性改造实践.吉林电力():.邓海涛魏瑞东高阳等.多模式供热机组仿真建模与灵活性分析.节能技术():.第 期刘 博等:等级汽轮机低压缸变形和振动特性分析