主汽門安裝方式對汽輪機受力影響分析

文/張剛，華電國際萊城發(fā)電廠

主汽門是主蒸汽進入汽輪機的第一道閥門，是保證機組安全起動、停車和運行的關鍵部件。主汽門的結構可按照尺寸大小、蒸汽參數(shù)、功能要求和操縱系統(tǒng)等分類，種類繁多。按結構形式主要包括立式、臥式等。汽閥主要分為單座式、帶預啟功能式、平衡式等;操縱系統(tǒng)則多為液壓式結構，主要包括油缸、彈簧等部件.

1 凝汽式汽輪機安裝方式分析

主汽門的安裝主要采用汽缸兩側以及側掛或是單體落地的方式，如果選取單體落地的方式進行安裝布置，主汽門中作為蒸汽管道熱脹產生的重要位置，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。側掛方式的主要優(yōu)點就是各個機組在具體安裝過程中較為緊湊，但是汽缸受力情況會變得更加復雜，除了對閥門自身重量進行分析之外，還需要對蒸汽管道對閥體實際作用力進行探究。這些力以及力矩會對汽缸支撐部分產生較大應力，會導致汽缸以及相應的安裝部位發(fā)生一定量位移，會導致汽缸各個部件產生不同程度磨損和振動的情況。所以在正常工作情況下，汽缸都需要進行穩(wěn)定安裝，將力與力矩在管系中引起的變形和應力能夠全面控制在固定范圍中。

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

2 蒸汽力作用下汽輪機受力分析

汽輪機的主要受力包括重力與蒸汽力。對于重力G，忽略不同主汽門質量變化的影響因素，二種安裝方式下重力相等，作用在汽輪機的重心處。在主汽門進汽法蘭與蒸汽壓力均為定值的情況下，二種安裝方式所受蒸汽力相等，但作用力的位置與方向不同。

3 汽輪機受力的有限元計算分析

3.1 計算方法與模型

利用UG 二維建模軟件，在滿足計算精度的前提下，對模型的細節(jié)特征進行適當?shù)暮喕⒅髌T及汽缸的二維實體模型，并導入ANSYS 有限元計算軟件建立有限元計算模型，采用10 節(jié)點s olid 187 單元對模型進行網格劃分，劃分節(jié)點數(shù)350 045，單元數(shù)191 980 建立的有限元模型。

約束邊界條件定義:

1)前軸承座支點、后汽缸的兩側支點，約束z 方向的自由度;

2)前軸承座縱向鍵、后汽缸縱向鍵，約束Y 方向的自由度;后汽缸兩側水平鍵，約束x 方向的自由度。

力邊界條件定義:

1)汽輪機及主汽門自身重力，給定材料屬性，彈性模量為2x10" Pa，泊松比為0.3，密度為7.8 kg/cm3;

2)蒸汽力F=}}(D/2)z}Po 取D=300 mm, Po=3.43 MPa，方向為主汽門進汽法蘭法向。

根據(jù)以上邊界條件，求解各支反力及約束力。

3.2 不同安裝方式下汽輪機的受力對比分析3.2.1 不同安裝方式下的各支點支反力分析

這主要是由于蒸汽力作用點更接近于前軸承座。蒸汽力在yz平而產生Y 方向的力矩，力臂為主汽法蘭至汽輪機中心線距離，使機組形成繞x 軸逆時針旋轉的趨勢，使后汽缸右側支點受壓，而左側支點受拉，因此后汽缸右側支點支反力Fz>0，左側支點支反力

對于安裝方式2,蒸汽力在xz 平而產生x 方向的力矩，力臂為主汽門法蘭至水平而高度距離，使機組有繞Y 軸逆時針旋轉的趨勢，使前軸承座支點受拉而后汽缸兩側支點受壓，因而前軸承座支點支反力為負值。此外，對于后汽缸左右兩側支點，二者支反力雖均為正值，但右側明顯小于左側。對比無蒸汽力狀態(tài)可以看出，左右兩側支反力差值要大于無蒸汽力狀態(tài)，即認為此差值是由蒸汽力所引起的。

對于安裝方式2，由于主汽門安裝位置及蒸汽力作用點位于汽輪機中心線上，且蒸汽力受力位置更加靠近后汽缸支點，因此Fz與F3 大小相等，F(xiàn)1 略小于F2,F3。

從二種安裝方式支反力的受力分析來看，在蒸汽力狀態(tài)下，方式2 受力狀態(tài)的穩(wěn)定性明顯優(yōu)于方式1。

不同安裝方式下水平健及縱向健的約束力分析

對于安裝方式1，由于向下的蒸汽力偏離幾何中心，使得汽輪機有繞z 軸逆時針的轉動趨勢，因而前軸承座約束力N,為負，后汽缸縱向鍵約束力坑為正，二者方向相反，數(shù)值相等;后汽缸右側水平鍵約束力Nz 為正，后汽缸左側水平鍵約束力N3 為負，二者方向相反，數(shù)值相等。

對于安裝方式2，在蒸汽力的作用下，產生繞z 軸順時針的力矩，因而前軸承座約束力N,為正，后汽缸縱向鍵約束力N4 為負，二者方向相反，數(shù)值相等;后汽缸兩側水平鍵在承受向后推力的同時，還受到繞z 軸的轉動力矩，因此右側水平鍵受力大于左側水平鍵。

4 結束語

為對比二種不同主汽門安裝方式和進汽方向對汽輪機受力的影響，采用有限元方法對汽輪機進行了數(shù)值計算。在無蒸汽力狀態(tài)下，二種方式受力基木相當。對于側掛安裝，垂向進汽方式在蒸汽力作用下，后汽缸兩側支點支反力差值較大，甚至一側出現(xiàn)了負的支反力，由于安裝而螺栓間隙的存在，會使汽輪機發(fā)生一定的側偏現(xiàn)象，從而影響汽輪機的支撐穩(wěn)定性。