600MW直接空冷汽轮机落地轴承箱刚性分析
2013-11-06
刘志德 蒙俊斌 张伟忠 刘永利
（哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，哈尔滨 150046）
（哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，哈尔滨 150046）
摘 要：采用有限元分析软件MSC Nastran对空冷600MW汽轮机落地轴承箱计算模型进行有限元分析，计算轴承座的刚度，分析轴承座的刚性，确保机组运行的安全。
关键词：汽轮机；落地轴承箱；刚性；有限元；安全
0 前言
轴承箱是汽轮机的重要部套之一，传统的轴承座分为单独落地的轴承座和与汽缸一体的轴承座。轴承座承担着汽轮机转子和汽缸动、静载荷，同时还承担着由于传递扭矩而带来的反作用力及高速旋转部件的不平衡质量而引起的动载荷，因此轴承座应该有足够的强度和刚度。此外为满足机组相对胀差和胀差的要求，也对轴承座座体的刚性有一定的要求。
传统的600MW机组的后轴承座采用与汽缸一体的结构，而空冷600MW机组由于自身的结构和性能要求其轴承座采用落地式结构，由于结构上的变化，同时轴承座刚性又是转子——轴承——基础这一大系统的振动特性计算重要影响因素之一，因此必须要对轴承座的各个方向的刚度进行分析。由于传统的刚度获得方法是通过对轴承座进行建立有机玻璃实体模型，经过多次试验测得。这个过程不仅实现起来比较困难，而且耗时比较长，也不能满足机组设计周期的要求。随着现代计算机仿真技术的逐渐发展和完善，以及该技术在工程技术领域上的不断应用，设计人员利用计算机仿真技术，建立实体数学模型，输入相关参数，通过物理仿真进行校核，同时修正以前设计不合理的数据，使轴承座的设计达到优化值，有利于以后的设计。通过计算机仿真技术来核算轴承座的刚度，不但减少了传统试验繁琐的步骤，同时也避免了不少原来试验中偶然因素的影响，也避免了不少资金和人力在设计上的浪费。仿真技术的应用使部套的设计更符合实际的运行情况，能够在设计上满足机组运行安全性的要求，同时也为轴承座的设计找到了一条新的途径。
1 力学模型
实体建模所采集的数据完全取自空冷机组落地轴承箱的结构设计图纸。图1为在二维设计图基础上经过简化在UG环境下生成的方案设计实体模型。其材料性能特性见表1所示。
关键词：汽轮机；落地轴承箱；刚性；有限元；安全
0 前言
轴承箱是汽轮机的重要部套之一，传统的轴承座分为单独落地的轴承座和与汽缸一体的轴承座。轴承座承担着汽轮机转子和汽缸动、静载荷，同时还承担着由于传递扭矩而带来的反作用力及高速旋转部件的不平衡质量而引起的动载荷，因此轴承座应该有足够的强度和刚度。此外为满足机组相对胀差和胀差的要求，也对轴承座座体的刚性有一定的要求。
传统的600MW机组的后轴承座采用与汽缸一体的结构，而空冷600MW机组由于自身的结构和性能要求其轴承座采用落地式结构，由于结构上的变化，同时轴承座刚性又是转子——轴承——基础这一大系统的振动特性计算重要影响因素之一，因此必须要对轴承座的各个方向的刚度进行分析。由于传统的刚度获得方法是通过对轴承座进行建立有机玻璃实体模型，经过多次试验测得。这个过程不仅实现起来比较困难，而且耗时比较长，也不能满足机组设计周期的要求。随着现代计算机仿真技术的逐渐发展和完善，以及该技术在工程技术领域上的不断应用，设计人员利用计算机仿真技术，建立实体数学模型，输入相关参数，通过物理仿真进行校核，同时修正以前设计不合理的数据，使轴承座的设计达到优化值，有利于以后的设计。通过计算机仿真技术来核算轴承座的刚度，不但减少了传统试验繁琐的步骤，同时也避免了不少原来试验中偶然因素的影响，也避免了不少资金和人力在设计上的浪费。仿真技术的应用使部套的设计更符合实际的运行情况，能够在设计上满足机组运行安全性的要求，同时也为轴承座的设计找到了一条新的途径。
1 力学模型
实体建模所采集的数据完全取自空冷机组落地轴承箱的结构设计图纸。图1为在二维设计图基础上经过简化在UG环境下生成的方案设计实体模型。其材料性能特性见表1所示。
图1 轴承箱实体模型
表1
2 有限元模型的建立
将三维落地轴承箱实体模型引入Pantran中，并根据轴承座的各项约束，完成实体模型的前处理。落地轴承箱的模型用四面体单元10节点划分网格，整个模型生成的节点数和单元数分别为：节点数218068；单元数136517，从而生成了利用Pantran前处理后的落地轴承箱结构的有限元计算模型，如图2所示。
将三维落地轴承箱实体模型引入Pantran中，并根据轴承座的各项约束，完成实体模型的前处理。落地轴承箱的模型用四面体单元10节点划分网格，整个模型生成的节点数和单元数分别为：节点数218068；单元数136517，从而生成了利用Pantran前处理后的落地轴承箱结构的有限元计算模型，如图2所示。
图2 落地轴承箱有限元计算模型
3 有限元分析
对轴承座自身的结构等多方面因素进行分析，发现轴承座的垂直方向、轴向和横向的位移对轴承座的刚度对机组运行安全以及机组振动有着决定性的影响。对落地轴承箱的有限元模型用Nastran求解器进行有限元分析，主要在垂直方向、轴向和横向进行有限元分析。经过对轴承座的实体模型用Nastran求解器在这3个方向上进行分析，得到3个方向上的刚度结果如表2所示。
对轴承座自身的结构等多方面因素进行分析，发现轴承座的垂直方向、轴向和横向的位移对轴承座的刚度对机组运行安全以及机组振动有着决定性的影响。对落地轴承箱的有限元模型用Nastran求解器进行有限元分析，主要在垂直方向、轴向和横向进行有限元分析。经过对轴承座的实体模型用Nastran求解器在这3个方向上进行分析，得到3个方向上的刚度结果如表2所示。
表2 3个方向的刚度 单位：109N/m
图3为轴承箱实体模型在工作状态下在垂直方向上根据位移情况得出Z大的垂直刚度值是25×109N/m。
图3 轴承座在垂直方向有限元分析云图
图4为轴承箱实体模型在工作状态下在横向上根据位移情况得出Z大的横向刚度值是4.4×109N/m。
图4 轴承座的横向有限元分析云图
图5为轴承箱实体模型在工作状态下在轴向上根据位移情况得出Z大的轴向刚度值是3.68×109N/m。
图5 轴承座的轴向有限元分析云图
分析这些方向上的刚度远远地大于美国西屋公司所提供的各个方向的刚度值，证明了哈汽公司设计轴承座在刚度上完全符合工作状态下安全要求。
4 结论
根据对轴承箱的有限元分析得出如下的结论：
（1）对空冷轴承箱用Nastran进行静刚度分析，证明轴承箱结构可以满足机组运行的安全。
（2）计算机仿真技术在轴承箱刚度校核上的应用，避免了用有机玻璃模型试验工期长、准确性差的缺点，确实地保证了机组的如期交货和安全运行。
4 结论
根据对轴承箱的有限元分析得出如下的结论：
（1）对空冷轴承箱用Nastran进行静刚度分析，证明轴承箱结构可以满足机组运行的安全。
（2）计算机仿真技术在轴承箱刚度校核上的应用，避免了用有机玻璃模型试验工期长、准确性差的缺点，确实地保证了机组的如期交货和安全运行。
来源：《汽轮机技术》第47卷第6期 2005年12月
