工业驱动用汽轮机静挠度计算.docx

工业驱动用汽轮机静挠度计算童海文，黄保华，张科，周林航，马晓飞（杭州汽轮机股份有限公司， 浙江 杭州 310022）analysis on deformation of industrial driving steam turbinetong hai-wen, huang bao-hua, zhang ke, zhou lin-hang, ma xiao-fei(hangzhou steam turbine co., ltd., hangzhou 310022, china)abstract: with the increase of rated power of industrial driving steam turbine, the structure becomeslarger and larger, and the deformation of active cell and stator cannot be ignored. the deformation of the casing and the rotor of a specified high-power steam turbine is calculated by finite element method. the deformation analysis will be helpful to the design of radial clearance between casing and rotor.key words: steam turbine; deformation; clearance; finite element method0引言作为原动机的汽轮机具有良好的外特性，它的启 动转矩大，利于被驱动机器的快速启动，且用于驱动 时，很易达到机组的平衡运行，不会发生转速大幅摆 动的现象1，因而在工业驱动中应用广泛。随着冶金、煤化工、化肥等装置不断地大型化， 相应配套驱动的汽轮机功率和结构尺寸也相应增大。 为了提高汽轮机的效率，级间漏气需要控制，动静间 隙不能过大。而另一方面，汽轮机结构尺寸增加后， 动子和静子在自重的作用下会产生不可忽略的挠曲。 因此，大功率工业驱动用汽轮机的动静间隙设计除了考虑气动方面的要求外，还需要考虑本体结构方面的要求。1汽轮机结构本文中的大功率驱动用汽轮机静体部分主要包括 前、后支座，外汽缸、进汽室，导叶持环，前、后轴 承座及汽封体等，其中导叶持环是静叶安装在隔板套 的部件；外汽缸有水平及垂直中分面，上、下汽缸及 前汽缸、排汽缸之间用螺栓连接，外汽缸借助猫爪支 承在支座上。转子主要包括主轴、动叶片、前后汽封、 平衡活塞汽封以及盘车棘轮；新汽通过调节汽阀进入作者简介：童海文（1965-），男，本科，副总工程师，主要从事汽轮机故障诊断分析、安装指导和调试工作。2015/1 机电设备46摘 要：工业驱动用汽轮机随着功率的增加，结构尺寸也越来越大，动子和静子在自重 作用下会产生不可忽略的挠曲，进而影响动静间隙的大小。根据某大功率驱动用汽轮机的实 际结构，采用有限元方法计算了静态下汽缸和转子的挠度，从而给出汽轮机本体结构对动静 间隙设计的影响。关键词：汽轮机; 静挠度; 动静间隙; 有限元中图分类号：tk262文献标志码：adoi：10.16443/ki.31-1420.2015.01.013academic research技术交流通流部分后，经过排汽缸排入凝汽器。转子上动叶与静体的静叶构成了汽轮机级，是通流部分的核心；在 通流部分，蒸汽膨胀做功，热能转化为推动汽轮机转 子旋转的机械能，从而驱动其他设备。具体结构如图 1 所示，其中 1 为转子，2 为外汽缸，3 为进汽室，4 为 排汽缸，5 为中压导叶持环，6 低压导叶持环，7 为前 支座，8 为后支座，9 为调节汽阀，10 为前径向轴承，11 为后径向轴承，12 为推力轴承。由于本文计算的汽 轮机的后汽封体是支撑在后支座上，而后支座是安装 在基础底板上，后汽封体受到汽缸变形的影响小，而 此处靠近轴承中心，转子变形也小，所以静挠度对后 汽封动静间隙的设计影响不大。本文主要研究从前汽 封开始到低压末级的本体结构对动静间隙的影响。在上述汽缸配合面上对汽缸进行约束和加载。外汽缸水平中分面、排汽缸水平中分面以及外汽缸排汽缸的 垂直中分面设置摩擦接触，并对水平中分面和垂直中 分面上的螺栓进行预紧加载。为了减少整个有限元计 算2-4的节点数量，取图 2 中模型的一半作为研究对象， 并将纵剖面设置为对称约束，从而保证模型计算的对 称性。整个的计算模型如图 3 所示。图 2接缸后的外汽缸与排汽缸图 1某大功率工业驱动用汽轮机2汽缸和转子挠度计算静子挠曲涉及的结构有汽缸、进汽室、导叶持环、 汽封体，静叶和汽封片，如果将所有模型都直接参与 计算，计算量过大。为了避免过大的计算，本文以在 重力作用下挠度相对大的汽缸挠曲来表征整个静子挠 曲。外汽缸与排汽缸通过垂直中分面螺栓接缸成为一 体，如图 2 所示。外汽缸猫爪安装在前支座上，排汽 缸侧板安装在基础底板上，从而构成了对汽缸高度方 向上的约束；排汽缸侧板中间与定位块配合，从而约 束了汽缸轴向移动；外汽缸下部搭子与前支座配合， 排汽缸下部搭子与后支座配合，从而构成了对汽缸左 右方向上的约束；外汽缸和排汽缸自身受到重力作用， 进汽室、导叶持环、调节汽阀和前汽封体的重力以压 力的形式作用在汽缸相应的配合面上：计算的模型中，图 3计算的汽缸模型汽缸下半静态高度方向上的变形结果如图 4 所示，可看到，汽缸变形的变化梯度较大。由于本文要得到 重力作用下的动静间隙，所以汽缸的挠曲就以与转子 中心最接近的汽缸内壁挠曲来表征。从图 4 可看出， 纵剖面上的汽缸内壁线变形较大，本文在汽缸下半内 壁线轴向等距地取点读取变形，如图 5 所示。动子包含了转子、动叶、盘车棘轮和汽封片，如图 6 所示，为了简化计算，将动叶和盘车棘轮的重量 以压力的形式作用在转子上；并以转子的一半作为计 算对象，将纵剖面设置为对称约束，以增加网格密度 来提高计算精度；转子在前后径向轴承中心处施加径 向约束，推力盘处不约束，用软弹簧约束轴向的约束，47机电设备 2015/1如图 7 所示。由于实际转子与径向轴承接触面是有一定轴向长度的接触面，径向轴承支反力的合力点会比 轴承中心偏向转子的重心；此外推力轴承会对转子推 力盘有一定的约束作用：这两个因素都会减少转子的 变形，所以按照图 7 计算得到的转子挠曲变形会比实 际偏大，从而使模型计算得到的挠度有一定的余量。 转子挠曲变形计算结果如图 8 所示。在转子轴线上读 取对应图 5 中汽缸等距内壁点的挠度，如图 9 所示， 从而得到转子的挠度曲线。图 7转子的挠度计算图 4 汽缸静态变形图 8转子的挠曲变形图 5 汽缸内壁变形拾取点图 9 转子相应拾取点的挠度3结论按照上述计算得到的静态汽缸和转子挠度曲线 如图 10 所示，其中轴向 0 位是汽缸与前汽封配合的 左端面。将转子挠度减去对应汽缸挠度，就可得到 相应位置的挠度差，静态的挠度差曲线如图 11 所示。 挠度差负值表示对应位置设计动静间隙至少需要留 有的间隙，例如在轴向位置 1302mm 处，动静间隙的 设计需要为重力作用带来的变形至少预留 0.18mm 的 间隙。图 6 转子模型2015/1 机电设备48m/挠度academic research技术交流00-50-50-100-100-150-200-150-250-200-3000100020003000400001000 200030004000轴向位置/mm轴 向位置 /mm图 10静态挠度曲线图 11 静态挠度差曲线参考文献：1 蔡颐年.oxford: elsevier butterworth-heinemann, 2005.zienkiewicz o c, taylor r l. the finite element method for solid and structural mechanics m. oxford: elsevier butterworth-heinemann, 2005. 王勖成. 有限单元法m. 北京: 清华大学出版社, 2009.蒸汽轮机m. 西安: 西安交通大学出3版社, 1988.2 zienkiewicz o c, taylor r l, zhu j z. the finite element method: its basis and fundamentals m.4（上接第 20 页）通过增大扩压器当量面积能有效增大增压器的空 气流量，降低比油耗，改善低工况性能。采用 41.71cm2 喷嘴环面积的方案由于增压压力过高，导致最高爆发 压力超限，虽然油耗率下降明显，但 nox 排放也在全 工况上升；相较之下采用 43.37cm2 喷嘴环面积的方案 具有低的燃油消耗率和 nox 排放量等综合优势，说明43.37cm2 喷嘴环与 30.36cm2 的扩压器配合更为适当，是三种增压器方案中的优选方案。3.4 试验结果分析通过供油定时、燃油系统和增压系统的优化匹配 试验，确定了该机低排放设计的喷油特性参数、增压 器特性参数和供油提前角，在满足排放要求的同时， 兼顾最高爆发压力、燃油消耗率和排温等性能要求， 最终优化参数如表 1 所示。表 1 优化参数定型表增压系统的优化调整试验，有效降低了排放，nox 排量由 9.4006g/kwh 降低到 7.56g/kwh，达到了 tier ii 的 排放标准；比油耗由 222g/kwh 降低到 219.9g/kwh， 提高了柴油机的经济型。通过对活塞型线的优化设计， 解决了在超负荷运行时易“拉缸”的问题。4总结本文依靠机内净化技术，通过对供油提前角、喷 油特性、增压器特性的调整，改善了混合气质量，优 化了燃烧过程，在不增加燃油消耗率的情况下，实现 了 nox 排量的降低。喷油提前角是影响 nox 生成与排 放的主要因素，缩小喷油提前角可有效降低 nox 的生 成与排放量，但同时也会带来燃油消耗率的上升。喷 油特性和增压器特性的优化调整，可使燃油消耗率和 烟度得到改善，使柴油机兼顾排放和经济性。参考文献:1 冷先银, 隆武强. 现代船用柴油机 nox 排放的机 内净化技术j. 柴油机, 2009(2): 19-25.2 陈清彬, 詹志刚，林金英船舶柴油机减排新技术 方案研究j.