國(guó)產(chǎn)超超臨界660MW汽輪機(jī)組軸承箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

趙永安

（寧夏京能寧東發(fā)電有限責(zé)任公司，銀川750000）

0 引言

汽輪機(jī)軸承箱是用以安置高速旋轉(zhuǎn)的高（中）壓轉(zhuǎn)子或低壓轉(zhuǎn)子的支撐件，高速旋轉(zhuǎn)時(shí)由重力或偏心造成的離心力由軸承承受，并傳遞到容納各軸承的靜子部件軸承座以及軸承箱上，從而起到固定汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子與靜子部件之間相對(duì)位置的作用[1-2]。

國(guó)內(nèi)某電廠超超臨界660 MW汽輪機(jī)組3#軸承箱膨脹不暢且剛度不足，產(chǎn)生軸向變形過(guò)大，從而引起軸系振動(dòng)問(wèn)題，基于有限元分析方法，本文對(duì)國(guó)內(nèi)某電廠超超臨界660 MW汽輪機(jī)組3#軸承箱結(jié)構(gòu)問(wèn)題進(jìn)行分析研究，并且提出了四種結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，從而解決3#軸承箱軸向剛度不足問(wèn)題，為汽輪機(jī)軸承箱部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案提供技術(shù)參考。

1 軸承箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案及數(shù)值仿真

針對(duì)國(guó)內(nèi)某電廠超超臨界660 MW汽輪機(jī)組3#軸承箱，提出四種結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。優(yōu)化后的三維軸承箱實(shí)體結(jié)構(gòu)分別如圖1～圖4所示。圖中箭頭所指為軸承箱優(yōu)化后所增添的補(bǔ)充結(jié)構(gòu)，其余位置為軸承箱原始結(jié)構(gòu)。

采用有限元軟件Workbench對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行模擬。考慮到模型與載荷的對(duì)稱性，僅采用一半模型用于有限元計(jì)算，以提高計(jì)算效率。位移邊界條件設(shè)置如圖5所示，設(shè)置軸承座底板邊界條件為固定約束邊界條件，軸承箱豎直中分面采用循環(huán)對(duì)稱邊界條件。

圖1 優(yōu)化方案一結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 優(yōu)化方案二結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 優(yōu)化方案三結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 優(yōu)化方案四結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 結(jié)構(gòu)位移邊界與對(duì)稱邊界

軸承箱底板與錨固板簡(jiǎn)化模型之間建立摩擦接觸；方案三與方案四中，用于加固的肋板與錨固板簡(jiǎn)化模型之間建立綁定接觸。力邊界條件如圖6所示，其中包括重力作用示意。為軸承箱體、螺栓和基礎(chǔ)等實(shí)體施加標(biāo)準(zhǔn)的重力加速度；鑒于計(jì)算采用半缸模型，因此計(jì)算中施加的中壓缸重力、轉(zhuǎn)子支反力均采用實(shí)際值的一半，圖6中A代表標(biāo)準(zhǔn)的重力加速度，B區(qū)域施加固定約束，C區(qū)域施加中壓缸重力，D區(qū)域施加4#支反力，E區(qū)域施加5#支反力。其施加具體數(shù)值如表1所示。

圖6 重力的作用區(qū)域和大小

表1 施加參數(shù)數(shù)值

2 數(shù)值結(jié)果討論

應(yīng)用ANSYSWorkbench 16.0軟件對(duì)四種優(yōu)化方案進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)推拉軸向變形、軸承箱底板天地位移、加固裝置強(qiáng)度等方面進(jìn)行對(duì)比分析，選擇最佳的優(yōu)化方案。

表2 1.5 MN推力載荷下各方案參考點(diǎn)軸向位移值 mm

表3 1.5 MN拉力載荷下各方案參考點(diǎn)軸向位移值 mm

圖7 推力載荷下各方案軸向位移對(duì)比

圖8 拉力載荷下各方案軸向位移對(duì)比

2.1 1.5 MN推力/拉力載荷情況

考慮3#軸承箱所受膨脹力（推和拉方向）為1.5 MN的條件下，分別計(jì)算原方案及四種優(yōu)化方案的軸向變形，對(duì)比分析四種方案的優(yōu)劣。

由表2和表3、圖7和圖8可知，優(yōu)化方案四在軸承箱承受推力載荷和拉力載荷情況下軸向變形方面優(yōu)化效果均較為顯著。

2.2 軸承箱底板的天地位移對(duì)比

在軸承箱底板上取四處參考點(diǎn)，如圖9～圖10所示。對(duì)比參考點(diǎn)在1.5 MN推力/拉力載荷作用下的天地位移，詳見表4、表5。

由表4和表5、圖11和圖12對(duì)比分析可以看出，從天地位移角度分析，方案四為各結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案中的最優(yōu)方案。

圖9 軸承箱底板天地位移云圖和參考點(diǎn)（1.5 MN推力）

圖10 軸承箱底板天地位移云圖和參考點(diǎn)（1.5 MN拉力）

表4 1.5 MN推力載荷下各方案參考點(diǎn)天地位移值 mm

表5 1.5 MN拉力載荷下各方案參考點(diǎn)天地位移值 mm

圖11 推力載荷下各方案天地位移對(duì)比

圖12 拉力載荷下各方案天地位移對(duì)比

2.3 加固裝置的MISES應(yīng)力對(duì)比

考核各方案加固裝置的MISES應(yīng)力，最大值見表6。

表6 各方案加固裝置MISES應(yīng)力最大值 MPa

加固裝置材料為普通Q235鋼，常溫下許用應(yīng)力為156.7 MPa，由表6中數(shù)據(jù)可知，方案四為最優(yōu)方案。

方案四加固裝置局部MISES應(yīng)力云圖如圖13所示。

圖13 方案四加固裝置局部MISES應(yīng)力云圖

從以上計(jì)算結(jié)果可以看出，同一加固方案下，推力載荷作用產(chǎn)生的軸向位移、天地位移和最大MISES應(yīng)力均大于拉力載荷，因此后文將僅分析推力載荷作用下的計(jì)算結(jié)果。

2.4 其他推力載荷作用下，對(duì)比原方案與方案四

本部分內(nèi)容分別對(duì)比了原方案與方案四，在推力載荷為0.85、2.50 MN時(shí)，各參考位置的強(qiáng)度與剛度情況。在貓爪上取5處參考點(diǎn)，對(duì)比參考點(diǎn)在0.85、2.50 MN推力載荷作用下的軸向位移，詳見表7。

在軸承箱底板上取5處參考點(diǎn)，對(duì)比參考點(diǎn)在0.85、2.50 MN推力載荷作用下的天地位移，詳見表8。

表7 軸向位移 mm

圖14 0.85 MN推力載荷情況下軸向位移對(duì)比

圖15 2.50 MN推力載荷情況下軸向位移對(duì)比

表8 兩種推力載荷下各方案參考點(diǎn)天地位移值 mm

圖16 0.85 MN推力載荷情況下天地位移對(duì)比

由表8、圖16和圖17可以看出，在0.85、2.50 MN推力載荷作用下，方案四貓爪處的軸向位移和軸承箱底板的天地位移均明顯小于原方案，可見加固方案四在不同推力/拉力載荷作用下對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度的優(yōu)化效果顯著。

圖17 2.50 MN推力載荷情況下天地位移對(duì)比

3 結(jié)論

本文針對(duì)國(guó)內(nèi)某電廠超超臨界660 MW汽輪機(jī)組3#軸承箱在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中表現(xiàn)出剛度不足問(wèn)題，提出了四種加固方案。應(yīng)用商業(yè)軟件，研究了優(yōu)化后軸承箱的響應(yīng)，分別對(duì)比分析了參考點(diǎn)軸向位移、天地位移以及MISES應(yīng)力最大值。數(shù)值結(jié)果表明，在不同推力/拉力載荷作用下，優(yōu)化方案四對(duì)軸承箱的強(qiáng)度和剛度的優(yōu)化效果顯著。同時(shí)也為今后汽輪機(jī)軸承箱設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了依據(jù)。