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啤嶺機(jī)電設(shè)備（上海）有限公司
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600MW直接空冷汽輪機(jī)落地軸承箱剛性分析

2013-11-06

劉志德　蒙俊斌　張偉忠　劉永利
（哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱　150046）
　　摘　要：采用有限元分析軟件MSC Nastran對空冷600MW汽輪機(jī)落地軸承箱計算模型進(jìn)行有限元分析，計算軸承座的剛度，分析軸承座的剛性，確保機(jī)組運(yùn)行的安全。
　　關(guān)鍵詞：汽輪機(jī)；落地軸承箱；剛性；有限元；安全
　　0　前言
　　軸承箱是汽輪機(jī)的重要部套之一，傳統(tǒng)的軸承座分為單獨(dú)落地的軸承座和與汽缸一體的軸承座。軸承座承擔(dān)著汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子和汽缸動、靜載荷，同時還承擔(dān)著由于傳遞扭矩而帶來的反作用力及高速旋轉(zhuǎn)部件的不平衡質(zhì)量而引起的動載荷，因此軸承座應(yīng)該有足夠的強(qiáng)度和剛度。此外為滿足機(jī)組相對脹差和脹差的要求，也對軸承座座體的剛性有一定的要求。
　　傳統(tǒng)的600MW機(jī)組的后軸承座采用與汽缸一體的結(jié)構(gòu)，而空冷600MW機(jī)組由于自身的結(jié)構(gòu)和性能要求其軸承座采用落地式結(jié)構(gòu)，由于結(jié)構(gòu)上的變化，同時軸承座剛性又是轉(zhuǎn)子——軸承——基礎(chǔ)這一大系統(tǒng)的振動特性計算重要影響因素之一，因此必須要對軸承座的各個方向的剛度進(jìn)行分析。由于傳統(tǒng)的剛度獲得方法是通過對軸承座進(jìn)行建立有機(jī)玻璃實(shí)體模型，經(jīng)過多次試驗(yàn)測得。這個過程不僅實(shí)現(xiàn)起來比較困難，而且耗時比較長，也不能滿足機(jī)組設(shè)計周期的要求。隨著現(xiàn)代計算機(jī)仿真技術(shù)的逐漸發(fā)展和完善，以及該技術(shù)在工程技術(shù)領(lǐng)域上的不斷應(yīng)用，設(shè)計人員利用計算機(jī)仿真技術(shù)，建立實(shí)體數(shù)學(xué)模型，輸入相關(guān)參數(shù)，通過物理仿真進(jìn)行校核，同時修正以前設(shè)計不合理的數(shù)據(jù)，使軸承座的設(shè)計達(dá)到優(yōu)化值，有利于以后的設(shè)計。通過計算機(jī)仿真技術(shù)來核算軸承座的剛度，不但減少了傳統(tǒng)試驗(yàn)繁瑣的步驟，同時也避免了不少原來試驗(yàn)中偶然因素的影響，也避免了不少資金和人力在設(shè)計上的浪費(fèi)。仿真技術(shù)的應(yīng)用使部套的設(shè)計更符合實(shí)際的運(yùn)行情況，能夠在設(shè)計上滿足機(jī)組運(yùn)行安全性的要求，同時也為軸承座的設(shè)計找到了一條新的途徑。
　　1　力學(xué)模型
　　實(shí)體建模所采集的數(shù)據(jù)完全取自空冷機(jī)組落地軸承箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計圖紙。圖1為在二維設(shè)計圖基礎(chǔ)上經(jīng)過簡化在UG環(huán)境下生成的方案設(shè)計實(shí)體模型。其材料性能特性見表1所示。

圖1　軸承箱實(shí)體模型
表1
　　2　有限元模型的建立
　　將三維落地軸承箱實(shí)體模型引入Pantran中，并根據(jù)軸承座的各項(xiàng)約束，完成實(shí)體模型的前處理。落地軸承箱的模型用四面體單元10節(jié)點(diǎn)劃分網(wǎng)格，整個模型生成的節(jié)點(diǎn)數(shù)和單元數(shù)分別為：節(jié)點(diǎn)數(shù)218068；單元數(shù)136517，從而生成了利用Pantran前處理后的落地軸承箱結(jié)構(gòu)的有限元計算模型，如圖2所示。

圖2 落地軸承箱有限元計算模型
　　3　有限元分析
　　對軸承座自身的結(jié)構(gòu)等多方面因素進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)軸承座的垂直方向、軸向和橫向的位移對軸承座的剛度對機(jī)組運(yùn)行安全以及機(jī)組振動有著決定性的影響。對落地軸承箱的有限元模型用Nastran求解器進(jìn)行有限元分析，主要在垂直方向、軸向和橫向進(jìn)行有限元分析。經(jīng)過對軸承座的實(shí)體模型用Nastran求解器在這3個方向上進(jìn)行分析，得到3個方向上的剛度結(jié)果如表2所示。
表2　　3個方向的剛度　　單位：109N/m
 
　　圖3為軸承箱實(shí)體模型在工作狀態(tài)下在垂直方向上根據(jù)位移情況得出Z大的垂直剛度值是25×109N/m。

圖3　軸承座在垂直方向有限元分析云圖
　　圖4為軸承箱實(shí)體模型在工作狀態(tài)下在橫向上根據(jù)位移情況得出Z大的橫向剛度值是4.4×109N/m。

圖4　軸承座的橫向有限元分析云圖
　　圖5為軸承箱實(shí)體模型在工作狀態(tài)下在軸向上根據(jù)位移情況得出Z大的軸向剛度值是3.68×109N/m。

圖5　軸承座的軸向有限元分析云圖
　　分析這些方向上的剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)地大于美國西屋公司所提供的各個方向的剛度值，證明了哈汽公司設(shè)計軸承座在剛度上完全符合工作狀態(tài)下安全要求。
　　4　結(jié)論
　　根據(jù)對軸承箱的有限元分析得出如下的結(jié)論：
　　（1）對空冷軸承箱用Nastran進(jìn)行靜剛度分析，證明軸承箱結(jié)構(gòu)可以滿足機(jī)組運(yùn)行的安全。
　　（2）計算機(jī)仿真技術(shù)在軸承箱剛度校核上的應(yīng)用，避免了用有機(jī)玻璃模型試驗(yàn)工期長、準(zhǔn)確性差的缺點(diǎn)，確實(shí)地保證了機(jī)組的如期交貨和安全運(yùn)行。
來源：《汽輪機(jī)技術(shù)》第47卷第6期 2005年12月