小型汽輪機結構特點及其抗擺能力分析

李 成

（廣州廣重企業集團有限公司，廣州 510220）

0 引言

隨著分布式能源及小型垃圾焚燒發電市場的發展，小型汽輪機需求量越來越大，小型汽輪機廠家深耕垃圾焚燒發電市場，開發了一系列高效率小型汽輪機，對汽輪機結構進行大膽創新，在大型汽輪機中常用的貓爪支撐方式并不適用于以“輕量化、快裝式、高效率”為目標的小型汽輪機，用彈性板支撐結構代替貓爪支撐，具有體積小、質量輕的成本優勢。本文以某B7.5－6.2／2.1／ ／445 型號上排汽背壓式汽輪機為例，介紹彈性板支撐結構汽輪機的結構特點。汽輪機研究領域對于整體結構穩定性分析的文章較少，畢雪等［1］研究管道設計對汽輪機穩定性的影響，但沒有研究彈性板支撐結構小型汽輪機的抗擺能力，本文結合現場安裝中進汽管道布置不合理導致調試過程中機尾偏移過大、機組振動過大等問題，通過ANSYS Workbench 平臺分析機尾偏移過大的原因，通過加強與后連接板連接處底盤結構的方法，使現場機尾偏移量得到明顯改善，說明彈性板支撐結構汽輪機的抗擺能力主要由后連接板相連處底盤結構的剛性決定，通過在兩側添加三角板支撐能提高汽輪機抗擺能力。通過ANSYS Workbench對汽輪機主機及底盤進行溫度場分析［2］，考慮金屬受熱膨脹，預測熱態條件下機尾偏移量，為機組安全投運提供理論基礎［3］，本文對現場問題的分析及成功處理能為同類型機組在結構設計上提供優化案例，為機組安全運行積累經驗。

1 汽輪機結構特點

傳統汽輪機汽缸采用前后貓爪支撐結構［4］，前后貓爪分別置于前后軸承座處，前后軸承座都較為笨重，該小型高轉速背壓式汽輪機采用彈性板支撐結構，前支撐板與前軸承座一起安裝于汽輪機前汽缸前端，左右支撐板安裝于汽輪機后汽缸的左右（從機頭往機尾看，左側為左，右側為右）兩側，后軸承座安裝于后汽缸后端，整個主機的質量由3 塊支撐板分擔，具有機組占地面積小、質量輕的特點，汽輪機本體如圖1（a）所示。

圖1 汽輪機結構模型

1.1 支撐及滑銷系統

支撐系統由3 塊支撐板及一塊后連接板組成，支撐板垂直連接汽輪機汽缸和底盤，起支撐整機的作用，主要承受汽缸重力等向下的載荷，保證汽輪機本體在豎直方向的位置，后連接板水平連接汽輪機汽缸和底盤，保證汽輪機本體在水平方向不擺動，支撐板與后連接板均安裝于底盤上。支撐板與汽缸通過螺栓和銷連接，螺栓起固定作用，銷主要承擔連接面之間的剪切力作用［5］，故螺栓和銷均需采用高強度合金鋼材料。

前支撐板底部具備縱銷結構，使汽缸可沿軸向自由膨脹，左右支撐板具備橫銷結構，使汽缸可沿兩側膨脹，后連接板則完全固定于底盤上，縱銷和橫銷的設計使得汽缸金屬能受熱自由膨脹，保證了汽缸內各動靜部套的對中［6］，避免受熱膨脹不均勻發生汽缸變形。汽缸膨脹死點位于縱銷和橫銷延長線的交點處，發生熱膨脹時死點位置不變［7］。

1.2 軸系及軸承

機組轉速為8 000 r／min，通過速比8 000／3 000 減速齒輪箱連接發電機，汽輪機與減速齒輪箱安裝于公共底盤上，汽輪機輸出端與齒輪箱高速軸通過撓性聯軸器相連，齒輪箱低速軸與發電機通過撓性聯軸器相連，汽輪機輸出端的振動及軸向熱膨脹由撓性聯軸器吸收，汽輪機前后軸承分別安裝于前后軸承座內，依靠楔形調整墊使軸承對中，前軸承為徑向推力聯合軸承，主要承受軸向推力及轉子重力載荷，后軸承為徑向軸承，只承受汽輪機轉子重力載荷。

2 現場問題及初步分析

由于現場管道布置不合理，兩根進汽管的重力載荷集中壓于汽輪機進汽控制閥上方，開始暖管時，受管道重力及熱應力作用，汽輪機整體受擺，導致機尾向左偏移，兩側支撐板與汽缸連接處向下移動，同時左支撐板往左彎曲，右支撐板亦往左彎曲，后連接板與底盤連接處往左偏移0.16 mm；開始沖轉階段，由于機組振動過大被迫終止沖轉停機檢查。

結合機尾偏移及現場沖轉階段振動過大的情況，因偏移量小于缸內汽封間隙0.3 mm，排除缸內動靜部件的碰磨問題，因振動發生遠低于一階臨界轉速且轉子無質量不平衡及其他不平衡影響，排除轉子結構設計問題，考慮到撓性聯軸器能吸收轉子軸向熱膨脹但無法吸收汽輪機輸出端的偏移，初步判斷機尾偏移所導致的汽輪機輸出端與齒輪箱高速軸不對中是機組沖轉時發生振動的根本原因，后連接板與底盤連接處為汽輪機主機末端，最能反映機尾的擺動情況，故設此處為考核點。

3 有限元模型建立及分析求解

3.1 有限元模型建立

由于整體受擺，機尾往左偏移，變形不對稱，建模時不剖分為對稱的兩半，后連接板與底盤連接處為考核點，為簡化模型減少計算時間，增加底盤與后連接板接觸的部分為建模對象，其余底盤部分可不建模，由于模型相對復雜，為簡化計算，需消除對分析結果無關的幾何特征，建立以六面體網格為主的有限元模型，根據有限元理論可知，網格大小對變形計算結果影響不大，對應力分析結果影響較大，分析主要獲取變形量而非應力分布，對不同部套定義合適大小的Body Sizing 以劃分網格，模型網格劃分節點2 631 446 個，單元1 681 843 個，如圖1（b）所示。

支撐板與接觸面之間定義為非對稱摩擦接觸，為減少目標面向接觸面的網格穿透，選擇網格大、大面為目標面，選擇網格小、小面為目標面，摩擦因數設置為0.15，為減少計算時間，加快收斂速度，接觸算法采用增廣拉格朗日，固定支撐板的螺栓采用綁定接觸。

載荷及邊界條件方面，對模型施加重力載荷，螺栓連接處施加螺栓預緊力；在暖管（冷態）條件下：進汽控制閥進口處施加暖管作用力，機組無熱膨脹，前支撐板及左右支撐板底部設置為固定約束；在額定工況（熱態）條件下：進汽控制閥進口處施加額定工況下進汽管作用力，汽缸內部與外界的蒸汽壓差，排汽管作用力，缸體受熱帶動前支撐板底部往前膨脹4 mm、左右支撐板底部分別往左右膨脹2 mm。

3.2 冷態條件下計算結果及加強措施

整體形變如圖2（a）所示，進汽控制閥右側進口變形最大，呈下彎狀態，經初步分析，進汽控制閥進口處為靜止狀態，無動靜碰磨，該處變形過大不會引起機組振動，左右兩支撐板均往左側彎曲，機尾往左偏移，汽輪機呈機尾往左偏移狀態，底盤部分（與后連接板連接處）的Y方向形變如圖2（b）所示，底盤與后連接板連接部分往左偏移0.145 mm，比現場所測0.16 mm 小15%，綜合測量誤差及分析過程中未考慮到的其他影響因素，可認為分析結果和現場情況一致，分析結果對指導后續底盤加強有實際意義。

圖2 冷態變形計算結果

由圖2（a）（b）可判斷外界載荷通過后連接板傳遞到底盤上，底盤與后連接板連接部分剛性不足是機尾發生偏移的主要原因，對底盤部分兩側焊接三角板支撐能增強底盤剛性，抵抗外載荷對機尾的擺動，用同樣的方法對加強后的機組進行變形分析，添加三角板支撐后整體變形如圖2（c）所示，偏移明顯好轉，底盤部分（與后連接板連接處）的Y方向變形如圖2（d）所示，連接部分往左偏移0.005 mm，體現出與后連接板連接部分底盤剛性對汽輪發電機組抵抗外界扭轉載荷的重要作用。三角板加強后的偏移量顯著減小，符合撓性聯軸器安裝標準，機組在冷態條件下各項參數正常，能否滿足機組在熱態條件下穩定運行仍需進一步分析［8］。

3.3 熱態條件下溫度場計算

3.2 節中采用了三角板支撐的方式增加底盤剛性，顯著改善了機組在冷態條件下尾部往左偏移的問題，而額定工況下汽輪機進排汽溫度壓力分別為：445 ℃、6.2 MPa，346 ℃、2.1 MPa，汽缸金屬受熱膨脹較大，熱態條件下機組變形需考慮汽缸等部套受熱膨脹的問題，而金屬受熱膨脹與整機溫度分布息息相關，為使汽輪發電機組安全穩定運行，需求出整機溫度分布［9］，而整機溫度分布中最重要的是汽缸溫度分布，汽缸溫度分布可視為三維穩態熱傳導問題，其偏微分方程可表示為［10］：

汽缸內高溫高壓蒸汽與汽缸內壁間發生對流傳熱，該邊界條件為第三類熱邊界條件，具體體現為定汽缸內蒸汽溫度，定表面傳熱系數，由于每一級蒸汽溫度已在熱力計算中求出，故只需求出各級蒸汽與汽缸內壁表面傳熱系數，表面傳熱系數與蒸汽特性參數、蒸汽流速、轉子直徑、汽缸內徑等相關參數，方程如下［11］：

式中：h為汽缸內壁表面對流傳熱系數；λ為導熱系數；d2為汽缸內徑；d1為轉子外徑；Nu 為努塞爾數；A1和A2均為特征數；Re為雷諾數；Pr為普朗特數。

將上述參數代入方程可得傳熱系數如表1 所示，汽缸由保溫棉包裹，故汽缸外表面視為絕熱，汽缸支撐板、后連接板均裸露于空氣中，其與空氣間的換熱系數取經驗值，外界環境溫度取20 ℃，同時考慮汽缸支架等裸露部分與空氣間的輻射換熱。

表1 傳熱系數計算結果

在Workbench 平臺上輸入表1 中的傳熱系數，熱態條件下汽輪機溫度分布如圖3 所示，最高溫度位于進汽控制閥處，溫度沿汽流方向逐漸降低，蒸汽逐級做功使蒸汽內能轉化為轉子的機械能，蒸汽溫度壓力逐漸降低［12］。

圖3 汽輪機熱態條件下溫度分布

3.4 熱態條件下計算結果

將上述求得的溫度分布結果導入到靜力分析模型中，實現對熱載荷的加載，加強前后連接處底盤的Y 方向變形如圖4 所示。加強前冷態和熱態的最大偏移量分別是0.145、0.347 mm，加強后冷態和熱態的最大偏移量分別是0.005、0.026 mm，對比冷態和熱態，說明在熱態下機尾往左的偏移量更大，在熱態下加強后的偏移量明顯小于加強前，說明在冷態和熱態下，底盤剛性的加強均能明顯提升機組抗擺能力。在熱態下，加強后的底盤表面同時出現往左偏移0.025 7 mm和往右偏移0.011 5 mm的情況，且分別出現在左端部和右端部，而底盤中心則往左偏移0.005 mm 左右，與冷態下偏移量一致，究其原因，是熱態下金屬從中心向兩端熱膨脹，端部所積累的膨脹量是導致端部比中心變形大的原因［13］，而加強前的底盤表面均呈現往左的偏移且在熱膨脹的疊加下偏移量更大。

圖4 熱態變形計算結果

分析結果表明，熱態條件下由于機組受熱膨脹，機組往左偏移量增大，但加強后的偏移量0.025 7 mm大部分由金屬受熱膨脹引起，在設計范圍內，不影響機組的安全運行［14］。現場根據分析結果對底盤兩側焊接三角板支撐后機組順利沖轉開機，各項指標正常，本分析手段及處理方案具有實際意義［15］，對彈性板支撐結構汽輪機主機抗擺能力的提升具有指導作用。

4 結束語

本文描述了彈性板支撐小型背壓式汽輪機的結構特點，該支撐方式相比傳統的貓爪結構有體積小、質量輕的優勢，針對汽輪機運行現場出現機組振動過大并整體往左擺的現象，采用ANSYS Workbench 軟件分析機尾往左偏移的原因，通過對底盤兩側添加三角板支撐的方式，解決了機尾往左偏移過大的問題；根據第三類邊界條件，計算汽缸內各級的傳熱系數，通過ANSYS Workbench 計算了熱態條件下的汽輪機主機和底盤溫度場，證明了加強后的底盤在熱態和冷態條件下均能增強機組抗擺能力，現場根據分析結果對機組底盤進行加強，汽輪機沖轉過程振動在設計范圍內并順利開機。此次現場問題的有效處理對提升彈性板支撐結構汽輪機的抗擺能力和穩定性有重要借鑒意義。