東方660 MW超超臨界二次再熱汽輪機低壓外缸剛性及振動特性分析

章艷，劉東旗，饒真炎，陳鐵寧，張明（東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000）

?

東方660 MW超超臨界二次再熱汽輪機低壓外缸剛性及振動特性分析

章艷，劉東旗，饒真炎，陳鐵寧，張明
（東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000）

摘要：文章首先對機組低壓外缸的結構做了較詳細的介紹，并采用三維有限元分析方法，對低壓外缸建立了有限元分析模型，計算了低壓外缸的變形、靜剛度、固有頻率以及動剛度，以確保該低壓外缸的剛性與振動特性滿足設計要求。機組實際投運后低壓外缸振動指標優良，分析結果與實際情況較好吻合。所以低壓缸結構設計中數值分析作為重要的仿真手段能確保汽缸安全穩定運行。

關鍵詞：低壓外缸，變形，振動，有限元

0 引言

汽輪機根據汽缸進口處蒸汽參數可將其分為高壓、中壓、低壓3個主要的模塊。其中低壓外缸的工作特點是工作壓力低，但排汽容積流量很大。針對此設計低壓缸結構的2個要素便是具有良好的氣動性能以及具有足夠的剛性。隨著機組容量的增大、經濟性指標的提高和技術的發展，汽輪機熱力參數也不斷提高，熱力系統復雜化，為了縮短轉子支持軸承間跨距，減小機組總長，降低機組成本，軸承落在低壓缸上的結構形式被廣泛地采用。這也就意味著排氣缸所受的壓力和溫度的變化對軸系將產生一定影響，即不利于維持軸承座標高在運行中的穩定。這就使得低壓缸結構設計中剛性的考核不僅是低壓缸在載荷作用下的變形以及軸承座的靜剛度，還應包括低壓缸的固有頻率和動響應，將軸承座動剛度也視為非常重要的考核指標。顯然采用傳統半經驗式設計的低壓外缸已不能完全滿足機組安全運行的要求。隨著計算機技術不斷發展，數值仿真技術被廣泛地運用于各行業。在設計階段對低壓缸的剛性和振動特性進行較為準確的數值仿真顯得十分必要。

本次分析采用ANSYS軟件對東方華能安源首臺660 MW超超臨界二次再熱汽輪機的大型低壓外缸進行剛性和振動特性分析，以提高機組運行的安全可靠性。

1 660 MW超超臨界二次再熱汽輪機低壓外缸結構簡介

華能安源項目采用東方660 MW超超臨界二次再熱機組。低壓模塊進口蒸汽參數325℃，0.50 MPa，背壓為4.92 kPa，有2個低壓缸：A-LP缸和B-LP缸。單個低壓缸采用3層缸結構，分別為低壓外缸、低壓內缸和低壓進汽室3部分，雙分流2×6級做功后向下排入凝汽器，末級為成熟的1 016 mm葉片。在原600 MW低壓外缸結構基礎上進行優化改型設計。

低壓內缸下半水平中分面法蘭的四角上各有1個貓爪，通過搭在外缸上來支持整個內缸和所有隔板的重量。

內缸水平法蘭中部在對應進汽中心處有軸向定位鍵，作為內外缸的軸向相對死點，使內缸進行軸向定位而允許橫向自由膨脹。內缸上下半兩端底部和頂部分別有橫向定位鍵，沿軸向中心線縱向布置，使內缸相對外缸橫向定位而允許軸向自由膨脹。低壓模塊縱剖面圖見圖1。

圖1　低壓模塊縱剖面圖

2 有限元分析模型

2.1 有限元法

有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）利用數學近似的方法對真實物理系統（幾何和載荷工況）進行模擬，是一種高效能、常用的數值計算方法。其原理是將連續的求解域離散為一組單元的組合體，用在每個單元內假設的近似函數來分片地表示求解域上待求的未知場函數，近似函數通常由未知場函數及其導數在單元各節點的數值插值函數來表達。從而使一個連續的無限自由度問題變成離散的有限自由度問題。

2.2 汽缸剛性及振動特性分析

對低壓外缸模型網格離散化處理后，可得到如式（1）所示的求解平衡方程：

式中：K為結構剛度陣；U為結構有限元節點位移，這里荷載主要包含體積荷載（各部件重力）PV、面荷載（真空力）PS。根據低壓缸安裝過程，可求解其分別在半缸（半空缸、半實缸）、全缸情況下變形與結構載荷變化的關系；還可求解機組運行前后汽缸變形與結構載荷變化的關系，即求解汽缸的靜剛度。而動剛度則是指汽缸受到外部激振力后，其抵抗振動的能力。動剛度的分析是汽缸結構設計過程中非常重要的一個環節。

對低壓外缸模型網格離散化處理后，可得到如式（2）所示的動力學運動方程：

式中：M為結構質量矩陣；C為結構阻尼矩陣；K為結構剛度矩陣；{δ}為位移向量；{P(t)}為激振力向量。

2.3 低壓外缸有限元分析模型

分析低壓缸結構以及受力的特點，建立力學模型時做以下考慮：

（1）低壓內缸、內部各靜子部件的重量以及蒸汽作用力均是通過4個搭子支撐在外缸上，在外缸的靜力分析中，分析模型包括內缸。

（2）低壓外缸、低壓內缸中分面法蘭是通過螺栓連接的。假使這種連接使汽缸上下半法蘭剛性連接成一體。

（3）力學模型中的軸承支座采用曲面三維實體單元。

（4）低壓外缸與凝汽器彈性連接。

低壓外缸有限元分析模型見圖2。

圖2　低壓缸有限元分析模型

汽輪機低壓外缸受到下述幾種載荷的作用：

（1）軸承處受轉子載荷作用；

（2）支撐內缸搭子承受低壓內缸、進汽室、隔板以及導流環重量；

（3）外缸自身的重力作用；

（4）真空載荷：根據項目區域大氣壓與設計背壓的差值確定。

汽缸給定以下位移邊界條件：

（1）低壓外缸通過下半支撐臺板支承于基架上，分析時定義臺板與基架之間接觸關系，從而約束汽缸天地向位移；

（2）低壓外缸靠近進汽中心線附近的臺板左、右兩側，以及前后部位沿軸向均設有定位鍵，即機組運行時低壓外缸的軸向、橫向死點，以上位置分別給定軸向、橫向約束；

（3）內缸、外缸與兩者之間的定位鍵均采用接觸單元連接。

3 低壓外缸剛性分析

3.1 低壓外缸的靜變形計算

該低壓外缸與凝汽器采用柔性連接。機組運行時，低壓外缸內部受抽真空力作用。汽缸結構龐大，承受的相應真空載荷也非常巨大。在低壓內缸重力以及真空載荷作用下，軸承支撐中心下沉，在該載荷作用下低壓內缸變形如圖3所示。計算表明低壓外缸各殼板的變形小，剛性滿足設計要求。

圖3　低壓外缸在自重和真空載荷作用下的變形

3.2 低壓外缸的靜剛度分析

低壓外缸的靜剛度應保證機組運行過程中不會發生動靜碰磨以及軸承標高變化引起的機組振動。其數值直接代表了軸承座的剛性以及整個汽缸的剛性。結合機組實際投運經驗以及大量計算，認為低壓外缸垂直向靜剛度在達到一定數值時，可以滿足機組穩定運行的要求。

計算該低壓外缸軸承座靜剛度安全系數為1.5。低壓外缸整體靜剛度為下半缸靜剛度的1.8倍，這是由于低壓外缸上半、下半中分面法蘭通過螺栓把接，這就使得低壓外缸整體剛性得到了加強。計算表明，東方660 MW超超臨界二次再熱汽輪機低壓外缸其軸承座的靜剛度滿足機組穩定運行要求。

4 低壓外缸振動特性分析

低壓外缸的振動特性分析主要包括固有頻率、振型和動剛度。

東方660 MW超超臨界二次再熱汽輪機低壓模塊支持軸承采用橢圓軸承，對于轉速為3 000 r/min的機組，轉子由于不平衡質量導致的油膜壓力波動將會對其軸承座上產生50 Hz的激振力。

4.1 低壓外缸的固有頻率、振型分析

對低壓外缸固有頻率計算分析后發現其振動頻率非常豐富，表1列出了低壓外缸50 Hz附近的固有頻率值。

表1　低壓外缸的固有頻率　Hz

盡管低壓外缸振動頻率很豐富，但并不是每個模態都一樣的重要。其中一部分模態阻尼很大，動響應很小；另一部分模態振動主要發生在局部位置。在低壓缸的復雜頻譜中需要特別加以重視的是軸承座部位結構的共振頻率。低壓外缸的第2～5階振型如圖4所示。

圖4　低壓外缸的第2～5階振型

4.2 低壓外缸動剛度分析

結構的動響應與激振力大小相關。汽輪發電機組轉子高速旋轉，在轉子的不平衡力對軸承座產生相同激振力的條件下，低壓外缸軸承座處結構動剛度越大，則其動響應越小。所以，采用有限元方法分析低壓外缸軸承座的振動特性時，可以用能反應軸承座的振動特性的動剛度加以研究。

多自由度有阻尼系統結構的動剛度是系統的質量、剛度、固有頻率、激振力頻率及對數衰減率的函數，與激振力幅值的大小無關。這樣就可以計算在給定激振力下的動響應，進而求出軸承座的動剛度。

分析結果表明該低壓外缸軸承座沒有50 Hz的固有頻率。低壓外缸的軸承座天地向以及橫向的動剛度如圖5、圖6所示（以靜剛度所需保證值為基準，各頻率對應動剛度與之比值進行無量綱化）。660 MW機型汽輪機低壓外缸軸承座的振動特性滿足設計要求。

圖5　低壓外缸軸承座天地向動剛度

圖6　低壓外缸軸承座橫向動剛度

5 機組實際運行數據

安源項目1#、2#機分別在2015年6月、8月投入運行。根據現場實測數據表明1#、2#機組A、B低壓缸軸承振動優良，軸振座振動都在20 μm以下，與分析結果較為一致。所以，低壓缸結構設計中數值分析作為其重要的仿真手段能確保汽缸安全穩定運行。低壓缸振動數值如表2所示。2#機帶660 MW負荷時TSI畫面如圖7所示。

表2　安源低壓外缸振動實測數據　μm

圖7　2#機組帶660 MW負荷時TSI畫面

6 結論

（1）東方660 MW超超臨界二次再熱汽輪機低壓缸軸承座的靜剛度大小滿足機組運行要求。

（2）東方660 MW超超臨界二次再熱汽輪機低壓外缸軸承座在50 Hz頻率的垂直向和橫向動剛度較大，其振動特性滿足設計要求。

（3）東方華能安源項目1#、2#機低壓缸運行振動指標優良，分析結果與實際情況較好吻合。

參考文獻

[1]中國動力工程協會.火力發電設備技術手冊:第2卷:汽輪機[M].北京:機械工業出版社,2007．

[2]丁有宇.汽輪機強度計算手冊[M].北京:中國電力出版社,2010.

[3]王勖成,邵敏.有限單元法基本原理與數值方法[M].北京:清華大學出版社,1987.

[4]吳厚鈺.透平零件結構和強度計算[M].北京:機械工業出版社,1982.

[5]倪振華.振動力學[M].西安:西安交通大學出版社,1989.

[6]劉東旗,方宇,唐清舟.60 Hz汽輪機低壓缸剛性和振動特性分析[J].東方電氣評論,2013,27(107):5-10.

Stiffness and Vibration Analysis of LP Outer Casing of Dongfang 660 MW Ultra-supercritical Double-reheat Steam Turbine

Zhang Yan，Liu Dongqi，Rao Zhenyan，Chen Tiening，Zhang Ming
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

Abstract:The structure of steam turbine LP outer casing is detailedly introduced.Based on FEA method,3D FEA modle of LP outer casing is established,the deformation,static stiffness,intrinsic frequency and dynamic stiffness are calculated to ensure that the stiff?ness and vibration of LP outer casing meet the design requirement.The stiffness and vibration parameter of LP outer casing are excel?lent in turbine operation.Result of FEA calculatation is conformed with the fact.It shows that the numerical analysis can provide use?ble data for LP outer casing designing and improving.

Key words:LP outer casing,deformation,vibration,finite element

作者簡介：章艷（1983-），女，工程師，2006年畢業于哈爾濱工程大學，現主要從事汽輪機結構可靠性分析工作。

DOI:10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2016.01.006

中圖分類號：TK263

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9987（2016）01-0029-05