主汽門安裝方式對(duì)汽輪機(jī)受力影響分析

陰持廷 王鳳曲

摘 要：目前發(fā)電機(jī)組主汽門大多都安裝在汽輪機(jī)中，實(shí)際工作運(yùn)行過程中管道中會(huì)產(chǎn)生較大蒸汽作用力，對(duì)汽輪機(jī)實(shí)際受力狀態(tài)產(chǎn)生較大影響。本文對(duì)主汽門安裝方式對(duì)汽輪機(jī)受力影響進(jìn)行分析，通過時(shí)間計(jì)算，證明通過主汽門側(cè)掛方式對(duì)汽輪機(jī)各個(gè)支點(diǎn)反力以及定位鍵會(huì)產(chǎn)生不同程度的不平衡力，對(duì)汽輪機(jī)整體穩(wěn)定性造成較大影響。通過主汽門中心線安裝方式能夠全面解決各個(gè)支點(diǎn)受力方面存在的問題，降低定位鍵側(cè)向力，提高汽輪機(jī)穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：主汽門；安裝方式；汽輪機(jī)；受力

在汽輪機(jī)完整結(jié)構(gòu)中的主汽門是第一道閥門，是確保汽輪機(jī)組安全穩(wěn)定啟動(dòng)以及停車運(yùn)行的重要部件。主汽門結(jié)構(gòu)具有不同種類，當(dāng)前可以依照尺寸大小值、蒸汽參數(shù)、功能要求、操控系統(tǒng)等進(jìn)行有效劃分。結(jié)構(gòu)形式主要可以分為臥式、立式等。汽閥也可以進(jìn)行劃分，主要有單座式、預(yù)啟功能式、操作系統(tǒng)等，其中操縱系統(tǒng)為液壓結(jié)構(gòu)構(gòu)成，主要有彈簧、油缸等部件構(gòu)成。

一、凝汽式汽輪機(jī)安裝方式分析

主汽門的安裝主要采用氣缸兩側(cè)以及側(cè)掛或是單體落地的方式，如果選取單體落地的方式進(jìn)行安裝布置，主汽門中作為蒸汽管道熱脹產(chǎn)生的重要位置，如主汽門采取支架安裝方式可以具有一定位移量，那么主汽門將不能作為固定位置點(diǎn)。側(cè)掛方式的主要優(yōu)點(diǎn)就是各個(gè)機(jī)組在具體安裝過程中較為緊湊，但是氣缸受力情況會(huì)變得更加復(fù)雜，除了對(duì)閥門自身重量進(jìn)行分析之外，還需要對(duì)蒸汽管道對(duì)閥體實(shí)際作用力進(jìn)行探究。這些力以及力矩會(huì)對(duì)氣缸支撐部分產(chǎn)生較大應(yīng)力，會(huì)導(dǎo)致氣缸以及相應(yīng)的安裝部位發(fā)生一定量位移，會(huì)導(dǎo)致氣缸各個(gè)部件產(chǎn)生不同程度磨損和振動(dòng)的情況。所以在正常工作情況下，氣缸都需要進(jìn)行穩(wěn)定安裝，將力與力矩在管系中引起的變形和應(yīng)力能夠全面控制在固定范圍中。

凝汽式汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組為了全面提升機(jī)組緊湊程度，主汽門側(cè)掛安裝方式得到全面應(yīng)用。此外，當(dāng)前為了全面消除或是控制蒸汽管道產(chǎn)生的熱應(yīng)力，在主汽門前的蒸汽管道往往都設(shè)有管道膨脹補(bǔ)償值。所以當(dāng)前可以選用撓性接管，管道中的盲板力會(huì)全面作用于機(jī)組和主汽門中。目前汽輪發(fā)電組大多都是選用單缸凝汽式汽輪機(jī)，汽輪機(jī)主要包括汽缸體、前軸承座、主汽門等。汽輪機(jī)主要選用三點(diǎn)支撐形式，在機(jī)座上安裝前軸承座，作為前支撐。后汽缸兩側(cè)位置主要作為后支撐。

為了更好的適應(yīng)汽缸本身熱膨脹，汽輪機(jī)設(shè)置中設(shè)置滑銷系統(tǒng)，在后汽缸以及后承座位置裝有縱向鍵，作為汽輪機(jī)橫向膨脹中設(shè)有固定點(diǎn)，前軸承座上設(shè)有縱向鍵，能夠確保汽輪機(jī)軸線不發(fā)生偏轉(zhuǎn)用用力。在后汽缸兩側(cè)位置安裝水平鍵，能夠作為汽輪機(jī)膨脹的固定位置。當(dāng)汽缸發(fā)生膨脹之后，前軸承座位置沿著縱向軸進(jìn)行滑動(dòng)。為了確保膨脹時(shí)能夠自由滑動(dòng)，汽缸和基座之間在連接位置需要保留相應(yīng)的間隙。比如船舶凝汽式汽輪機(jī)，在實(shí)際工作中各個(gè)支點(diǎn)的受力需要包括汽輪機(jī)質(zhì)量安全，其中有主汽門位置的蒸汽力等。此項(xiàng)蒸汽力的實(shí)際大小值與主汽門進(jìn)口和壓力值具有較大聯(lián)系，主汽門安裝中相應(yīng)的安裝方式和安裝位置對(duì)蒸汽力的方向影響較大。

二、蒸汽力作用中汽輪機(jī)受力探析

汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組通常都是采用單缸凝汽式汽輪機(jī)，不同主汽門結(jié)構(gòu)以及安裝方式。方式一是主汽門側(cè)掛布置，垂直進(jìn)汽。方式二是選用側(cè)掛布置，通過水平方向進(jìn)汽。方式三主要是中心線布置。本文以方式一為例，對(duì)汽輪機(jī)不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行規(guī)劃分，將中心線與中分面相交位置作為圓點(diǎn)，汽輪機(jī)作為x軸，水平方向是y軸。

汽輪機(jī)主要受力為蒸汽力和重力，對(duì)于重力點(diǎn)G，需要對(duì)主汽門質(zhì)量影響要素進(jìn)行分析，通過不同安裝方式需要對(duì)重力進(jìn)行分析，確保力作用在汽輪機(jī)的重心位置。在主汽門進(jìn)汽位置中，蒸汽壓力處于穩(wěn)定值的時(shí)候，各個(gè)安裝方式所承載的蒸汽力大小相同，但是實(shí)際作用位置與方向存在較大差異。汽輪機(jī)受到自身重力以及蒸汽力影響較大，前軸承座、后汽缸兩側(cè)等位置都有相應(yīng)的作用力分類。根據(jù)軸向力以及的力矩各項(xiàng)平衡條件能夠獲取相應(yīng)規(guī)定的平衡方程[1]。

三、汽輪機(jī)受力的有限元計(jì)算分析

當(dāng)前技術(shù)人員通過的 UG建立模型，在滿足各項(xiàng)計(jì)算精度的要求時(shí)，相關(guān)人員需要對(duì)模型各個(gè)細(xì)節(jié)進(jìn)行有效簡(jiǎn)化，能夠建立汽缸以及主汽門模型，并且融入計(jì)算軟件能夠建立完善的的計(jì)算模型。再對(duì)模型進(jìn)行劃分，能夠獲取有效數(shù)值。

約束邊界基本條件如下，其中其軸承座支點(diǎn)以及后汽缸兩側(cè)支點(diǎn)對(duì)相應(yīng)方向自由度進(jìn)行控制。前軸承座縱向鍵以及相關(guān)構(gòu)件對(duì)y方向自由度具有一定約束作用。

此外不同安裝方式前提下各個(gè)支點(diǎn)支反力存在一定差距，在無蒸汽力狀態(tài)下不同安裝方式支反力計(jì)算結(jié)果存在差距，支點(diǎn)受力主要是重力，三個(gè)方式基本相同，主要差距就是由于主汽門安裝位置的差異。在無蒸汽力形成狀態(tài)下不同安裝方式自身支反力計(jì)算結(jié)果存在較多問題。由于蒸汽力影響，各個(gè)支點(diǎn)支反力變化值較大。例如安裝方式一，前軸承座支反力較大，主要是蒸汽力作用位置點(diǎn)與前軸承座距離較近。蒸汽力在yz平面上會(huì)產(chǎn)生一定力矩，力臂主要是主汽門到汽輪機(jī)的位置，使得汽缸兩側(cè)壓支點(diǎn)承載壓力值不斷擴(kuò)大，左側(cè)的受拉力變大、右側(cè)受壓力變大[2]。

針對(duì)安裝方式二，蒸汽力在xz平面上會(huì)產(chǎn)生一定力矩，力臂是主汽門到水平高度的位置，使得各個(gè)機(jī)組能夠呈現(xiàn)出繞y軸逆向旋轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，使得承座支點(diǎn)先承受拉力，而后承受壓力，從而軸承座支點(diǎn)支反力會(huì)呈現(xiàn)出負(fù)值發(fā)展趨勢(shì)。針對(duì)汽缸中兩側(cè)位置，從蒸汽力對(duì)比情況可以看出，兩側(cè)支反力值與無蒸汽力狀態(tài)存在較大差異，所有相應(yīng)差值產(chǎn)生的重要原因是由蒸汽力導(dǎo)致的。所以通過分析可知，蒸汽力偏心數(shù)值會(huì)繞著z軸順時(shí)針力矩，所以前軸承座約束力大小會(huì)順著y軸方向進(jìn)行變化，后汽缸縱向位置約束力會(huì)沿著y負(fù)軸方向變化。對(duì)于安裝方式三，主汽門安裝位置以及蒸汽力作用點(diǎn)在汽輪機(jī)中心位置，蒸汽力受力位置與氣缸支點(diǎn)距離較為接近，所以方式二與方式三力的大小值近似，方式一與方式二、三相比力值較小。

此外，不同安裝方式下水平鍵以及縱向鍵的約束力大小值存在一定差距。針對(duì)安裝方式一，因?yàn)橄蛳抡羝εc幾何中心蒸汽力偏離數(shù)值相差較大，會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)朝著z軸方向進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。所以前軸承座位置約束力會(huì)呈現(xiàn)出負(fù)值，后汽缸約束力為正值，由于實(shí)際方向相反，數(shù)值相等。而后汽缸水平約束力與左側(cè)約束力為負(fù)值，二者方向相反，數(shù)值相等。

針對(duì)水平方向安裝方式，在蒸汽力作用中，在z軸位置順時(shí)針方向上會(huì)產(chǎn)生力矩，前軸承座約束力與汽缸縱向約束力為方向相反，實(shí)際數(shù)值相等。對(duì)不同安裝方式進(jìn)行分析可知，在無蒸汽力作用狀態(tài)下，各個(gè)受力方式基本相同。針對(duì)側(cè)掛安裝，垂向進(jìn)汽方式在蒸汽力作用中兩側(cè)支點(diǎn)支反力差值較大。如果一側(cè)支反力較大，由于安裝問題，會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)產(chǎn)生側(cè)偏，對(duì)汽輪機(jī)穩(wěn)定性造成影響。

結(jié)語：

總而言之，汽輪機(jī)不同的安裝方式對(duì)受力情況影響較大。本文以上通過對(duì)不同安裝方式進(jìn)行分析能夠獲取不同數(shù)據(jù)，主要列舉三個(gè)安裝方式對(duì)其受力情況展開全面探究。通過對(duì)比不同主汽門安裝方式以及進(jìn)汽情況對(duì)受力點(diǎn)影響進(jìn)行分析，在設(shè)計(jì)過程可以對(duì)主汽門安裝位置進(jìn)行適度調(diào)整，將前后支點(diǎn)位置放置在幾何中心，使得支撐位置支反力受力情況更加均勻。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊學(xué)志，張慶泉.切向進(jìn)汽型汽輪機(jī)主汽門安裝施工工法[J].大科技，2016（20）：226-227.

[2]席琛，胡宏偉，鄧宏偉等.核電廠汽輪機(jī)主汽閥檢修用鎖定裝置設(shè)計(jì)研究[J].南方能源建設(shè)，2016，3（3）：54-56.

作者簡(jiǎn)介：

陰持廷（1984.09-），男，籍貫：陜西省銅川市，學(xué)歷：本科學(xué)歷，工程師，研究方向：電力工程。