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大型汽轮机轴承支撑刚度研究

时间:2017-10-26 14:06:00   来源:中国轴承网   添加人:admin

  汽轮机技术大型汽轮机轴承支撑刚度研究单世超陈伯树2,平路光2(1中广核工程有限公司,深圳518124;2哈尔滨汽轮机厂有限责任公司,哈尔滨150046)值。采用三维有限元非线性数值仿真技术对各典型汽轮机组的轴承支撑刚度进行分析和研究,探索出可行的轴承支撑刚度计算方法。并根据研究成果提出在汽轮机设计选型时须提前考虑轴承以及轴承支撑结构的特性,以保证汽轮机组轴系的安全稳定。此法避免了轴承支撑刚度现场实测所带来的费用、时间及与设计脱节的问题,为研发新型轴承提供了有力的技术支持,是轴承支撑刚度设计计算手段的提升。

  0刖言汽轮机组轴承设计要考虑到油膜刚度和轴承支撑刚度等条件。支撑刚度主要包括轴承支撑刚度和支撑部分(轴承箱或者汽缸)的支撑刚度。支撑刚度对临界转速的影响如所示1,可见轴承支撑刚度对机组稳定性、安全性是非常重要的。国产化机组亚临界300MW和600MW机组均是引进西屋公司的技术,其临界转速和轴承刚度的计算是按照西屋公司提供特定的程序,轴承支撑刚度采用wecan而该软件开发年代较早且在国内应用极少。采用大型分析软件ABAQUS来分析轴承刚度增加了新产品设计的灵活性。

  本文将采用高度非线性有限元数字模拟技术分析大型机组轴承支撑刚度值,并将该结果引入到临界转速的计算中。

  1大型汽轮机组轴承支撑结构简述汽轮机组所采用的滑动轴承,结构复杂,有可倾瓦轴承、支撑刚度对临界转速的影响三油楔轴承、椭圆轴承等。从支撑部分结构上看主要分轴承箱支撑和汽缸支撑,也就是说落地轴承和不落地轴承。早期汽轮机组由于单机功率较小,轴承多为不落地型式,如前苏联机组、西屋公司亚临界300MW、600MW机组以及600MW等级超临界机组,其结构如所示。

  随着电力需求的增加以及效率、环保的要求,单机容量:201141-)2亚临界600MW等级机组低压轴承及支持不断增大,汽轮机组的体积也越来越大,尤其是低压模块越来越大,如600MW、000MW等级超超临界机组、1 000MW等级核电机组均采用轴承落地技术,提高了轴系的稳定性和运行的安全性,其结构如所示。

  本文以某超超临界600MW等级两缸两排汽一次中间再热凝汽式机组低压支持轴承为例,详细阐述三维有限元非线性数值模拟技术在轴承支撑刚度分析中的应用。并对各种典型机组轴承以及轴承箱(或汽缸)的支撑刚度进行了分析和研究。

  超超临界600MW机组2号轴承如所示,其轴承是由4组垫块支撑的具有自位功能的可倾瓦轴承。该轴承由4块浇有巴氏合金的瓦块组成,每个瓦块支承在垫块的中心上,具有径向调整和润滑功能。垫块的球型端部与调整垫块接触,确保了轴承支承在垫块的支点上,并自对中心。轴承壳体制成两半,在水平中分面用圆柱销固定。轴承壳体用4只钢制球面垫块支承在轴承箱内。球面垫块的外圆直径比轴承座内孔稍小。这些球面垫块分别安装在壳体的上、下半与轴承水平、垂直中心线成45°的位置上。在每个球面垫块和轴承壳体之间装有调整垫片组(18)。利用改变调整垫片组厚度的方法就可以使轴承在竖直方向和水平方向移动,确保转子在汽缸中的精确定位。安装于轴承壳体的止动销(7),伸入轴承座水平中分面下一凹槽内,用以防止轴承在轴承座内转动。

  2物理模型的建立该机组的每根转子有2个支持轴承,高中压转子和低压转子的1号~4号4只支持轴承为可倾瓦轴承,轴承支撑刚度主要由两部分构成,即轴承支撑刚度和轴承箱支撑刚度。

  基于超超临界600MW等级汽轮机组低压轴承箱及其支持轴承的结构对称性,取一半模型按对称边界处理,经研究发现挡油环等部件、轴承箱上半对该分析影响极小,可以忽略不计;油膜刚度有专用程序计算,也不在本次讨论之列;简化后本力学模型如所示,主要包括:低压轴承箱下半、等效转子、轴承瓦块、垫块。离散后网格均为高质量单元,其组成见表1.超超临界600MW低压轴承及轴承箱下半表1超超临界600MW机组轴承及轴承箱单元组成单元类型数目占单元总数百分比,单元总数六面体五面体四面体3求解1温度虽然轴承油温有80T:左右,但对材料的弹性模量影响极其有限,故本次分析不考虑油温的影响。

  3.2材料不考虑温度影响,每个部件材料按常温情况下选取即可,具体材料数据如表2所示。

  3.3非线性分析该模型要考虑瓦块、垫块、螺钉、轴承以及轴承支撑之间的装配接触,在ABAQUS/Standard中,这些零件是通过两个接触面来传递载荷的3,本模型中用tie连接代替实体螺栓。根据网格疏密及接触容差不同设置tie约束。模型载荷只有轴承载荷,其余均不考虑,转子和瓦块之间的油膜刚度用常规程序计算,本次分析中设置为刚性。

  为保证本次分析的精度,分析所用的网格单元均为C3D8I非协调单元。

  表2超超临界60万机组轴承及轴承箱部件材料部件名称弹性模量,MPa泊松比等效转子轴承合金轴承瓦块垫块轴承箱下半4结果分析4.1强度分析结果该模型最大应力=28.2MPa.静态只考虑轴承载荷时应力很小。

  4.2刚度分析结果该模型垂直方向变形分布如所示。垂直方向最大变形为0.0258mm.为前苏联100MW等级高压汽轮机轴承及其支撑垂直方向变形图,最大变形0.056 2mm.两个模型虽然外形相似,但轴承支撑刚度却相差倍左右。这是由于轴承结构型式不同造成的。

  本模型变形整体分布。3计算精度分析表3为典型机组低压轴承支撑总刚度计算值与实测值对比表。从表中可见采用三维非线性有限元模拟的轴承支撑刚度计算误差在7%以内,考虑到模型的简化和部分等效处理,该结果基本满足设计要求。

  表3典型机组低压轴承支撑总刚度计算值与实测值对比机组名称垂直刚度数值分析模拟值/真实值前苏联10万机组西屋亚临界60万超超临界60万机组5各典型机组轴承以及轴承箱(或汽缸)的支撑刚度分析对各典型机组轴承以及轴承箱(或汽缸)的支撑刚度分别计算,结果见表4,可见不同结构的轴承支撑刚度差别很大;同时落地和不落地轴承支撑结构的刚度差别也很大。三维有限元分析还表明,虽然通过一些局部的结构改变可能改变刚度的大小,但这个刚度可改变的范围并不大。所以,为避免在所有设计都完成后才发现因刚度不适当而影响临界转速的情况,在汽轮机设计选型时必须提前考虑轴系、轴承以及轴承支撑结构的选择,因为一旦轴承和支撑确定了,油膜刚度和轴承支撑刚度就基本确定了,其刚度可调整的范围非常有限。

  表4不同轴承和支撑的刚度差别表部件名称所属机组垂直刚度可倾瓦轴承超超60万椭圆轴承超高压10万轴承箱支撑超超60万汽缸支撑亚临界60万6结论三维非线性有限元模拟的轴承支撑刚度计算值与实测值误差较小(7%以内),对比过去的估算法,精度有极大的提高,其结果基本满足设计要求,可以作为轴系计算的输入数据。此法解决了轴承支撑特性计算的设计难题,为大型汽轮机组新型轴承的研制提供了强有力的技术支持。

  不同的轴承结构、不同的轴承支撑结构,其刚度差别很大,局部的结构改变对刚度的影响较小。所以,在汽轮机设计选型时必须提前考虑轴承以及轴承支撑结构的特性,以保证汽轮机组轴系的安全稳定。

  建议现代大型汽轮机组低压模块优先考虑轴承落地结构,此种结构不仅使轴承支撑刚度有较大提高,确保了轴系的稳定性,还可避免因低压模块尺寸大、热变形大而带来的转子与汽缸的对中性差的问题,使机组运行中始终保持恰当的动静间隙,进一步减小了动静碰磨的可能性,同时减少了漏汽,保证了机组安全高效。