主汽門(mén)安裝方式對(duì)汽輪機(jī)受力影響分析

文/張剛，華電國(guó)際萊城發(fā)電廠

主汽門(mén)是主蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)的第一道閥門(mén)，是保證機(jī)組安全起動(dòng)、停車和運(yùn)行的關(guān)鍵部件。主汽門(mén)的結(jié)構(gòu)可按照尺寸大小、蒸汽參數(shù)、功能要求和操縱系統(tǒng)等分類，種類繁多。按結(jié)構(gòu)形式主要包括立式、臥式等。汽閥主要分為單座式、帶預(yù)啟功能式、平衡式等;操縱系統(tǒng)則多為液壓式結(jié)構(gòu)，主要包括油缸、彈簧等部件.

1 凝汽式汽輪機(jī)安裝方式分析

主汽門(mén)的安裝主要采用汽缸兩側(cè)以及側(cè)掛或是單體落地的方式，如果選取單體落地的方式進(jìn)行安裝布置，主汽門(mén)中作為蒸汽管道熱脹產(chǎn)生的重要位置，如主汽門(mén)采取支架安裝方式可以具有一定位移量，那么主汽門(mén)將不能作為固定位置點(diǎn)。側(cè)掛方式的主要優(yōu)點(diǎn)就是各個(gè)機(jī)組在具體安裝過(guò)程中較為緊湊，但是汽缸受力情況會(huì)變得更加復(fù)雜，除了對(duì)閥門(mén)自身重量進(jìn)行分析之外，還需要對(duì)蒸汽管道對(duì)閥體實(shí)際作用力進(jìn)行探究。這些力以及力矩會(huì)對(duì)汽缸支撐部分產(chǎn)生較大應(yīng)力，會(huì)導(dǎo)致汽缸以及相應(yīng)的安裝部位發(fā)生一定量位移，會(huì)導(dǎo)致汽缸各個(gè)部件產(chǎn)生不同程度磨損和振動(dòng)的情況。所以在正常工作情況下，汽缸都需要進(jìn)行穩(wěn)定安裝，將力與力矩在管系中引起的變形和應(yīng)力能夠全面控制在固定范圍中。

凝汽式汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組為了全面提升機(jī)組緊湊程度，主汽門(mén)側(cè)掛安裝方式得到全面應(yīng)用。此外，當(dāng)前為了全面消除或是控制蒸汽管道產(chǎn)生的熱應(yīng)力，在主汽門(mén)前的蒸汽管道往往都設(shè)有管道膨脹補(bǔ)償值。所以當(dāng)前可以選用撓性接管，管道中的盲板力會(huì)全面作用于機(jī)組和主汽門(mén)中。目前汽輪發(fā)電組大多都是選用單缸凝汽式汽輪機(jī)，汽輪機(jī)主要包括汽缸體、前軸承座、主汽門(mén)等。汽輪機(jī)主要選用三點(diǎn)支撐形式，在機(jī)座上安裝前軸承座，作為前支撐。后汽缸兩側(cè)位置主要作為后支撐。

2 蒸汽力作用下汽輪機(jī)受力分析

汽輪機(jī)的主要受力包括重力與蒸汽力。對(duì)于重力G，忽略不同主汽門(mén)質(zhì)量變化的影響因素，二種安裝方式下重力相等，作用在汽輪機(jī)的重心處。在主汽門(mén)進(jìn)汽法蘭與蒸汽壓力均為定值的情況下，二種安裝方式所受蒸汽力相等，但作用力的位置與方向不同。

3 汽輪機(jī)受力的有限元計(jì)算分析

3.1 計(jì)算方法與模型

利用UG 二維建模軟件，在滿足計(jì)算精度的前提下，對(duì)模型的細(xì)節(jié)特征進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，建立主汽門(mén)及汽缸的二維實(shí)體模型，并導(dǎo)入ANSYS 有限元計(jì)算軟件建立有限元計(jì)算模型，采用10 節(jié)點(diǎn)s olid 187 單元對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分節(jié)點(diǎn)數(shù)350 045，單元數(shù)191 980 建立的有限元模型。

約束邊界條件定義:

1)前軸承座支點(diǎn)、后汽缸的兩側(cè)支點(diǎn)，約束z 方向的自由度;

2)前軸承座縱向鍵、后汽缸縱向鍵，約束Y 方向的自由度;后汽缸兩側(cè)水平鍵，約束x 方向的自由度。

力邊界條件定義:

1)汽輪機(jī)及主汽門(mén)自身重力，給定材料屬性，彈性模量為2x10" Pa，泊松比為0.3，密度為7.8 kg/cm3;

2)蒸汽力F=}}(D/2)z}Po 取D=300 mm, Po=3.43 MPa，方向?yàn)橹髌T(mén)進(jìn)汽法蘭法向。

根據(jù)以上邊界條件，求解各支反力及約束力。

3.2 不同安裝方式下汽輪機(jī)的受力對(duì)比分析3.2.1 不同安裝方式下的各支點(diǎn)支反力分析

這主要是由于蒸汽力作用點(diǎn)更接近于前軸承座。蒸汽力在yz平而產(chǎn)生Y 方向的力矩，力臂為主汽法蘭至汽輪機(jī)中心線距離，使機(jī)組形成繞x 軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，使后汽缸右側(cè)支點(diǎn)受壓，而左側(cè)支點(diǎn)受拉，因此后汽缸右側(cè)支點(diǎn)支反力Fz>0，左側(cè)支點(diǎn)支反力

對(duì)于安裝方式2,蒸汽力在xz 平而產(chǎn)生x 方向的力矩，力臂為主汽門(mén)法蘭至水平而高度距離，使機(jī)組有繞Y 軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，使前軸承座支點(diǎn)受拉而后汽缸兩側(cè)支點(diǎn)受壓，因而前軸承座支點(diǎn)支反力為負(fù)值。此外，對(duì)于后汽缸左右兩側(cè)支點(diǎn)，二者支反力雖均為正值，但右側(cè)明顯小于左側(cè)。對(duì)比無(wú)蒸汽力狀態(tài)可以看出，左右兩側(cè)支反力差值要大于無(wú)蒸汽力狀態(tài)，即認(rèn)為此差值是由蒸汽力所引起的。

對(duì)于安裝方式2，由于主汽門(mén)安裝位置及蒸汽力作用點(diǎn)位于汽輪機(jī)中心線上，且蒸汽力受力位置更加靠近后汽缸支點(diǎn)，因此Fz與F3 大小相等，F(xiàn)1 略小于F2,F3。

從二種安裝方式支反力的受力分析來(lái)看，在蒸汽力狀態(tài)下，方式2 受力狀態(tài)的穩(wěn)定性明顯優(yōu)于方式1。

不同安裝方式下水平健及縱向健的約束力分析

對(duì)于安裝方式1，由于向下的蒸汽力偏離幾何中心，使得汽輪機(jī)有繞z 軸逆時(shí)針的轉(zhuǎn)動(dòng)趨勢(shì)，因而前軸承座約束力N,為負(fù)，后汽缸縱向鍵約束力坑為正，二者方向相反，數(shù)值相等;后汽缸右側(cè)水平鍵約束力Nz 為正，后汽缸左側(cè)水平鍵約束力N3 為負(fù)，二者方向相反，數(shù)值相等。

對(duì)于安裝方式2，在蒸汽力的作用下，產(chǎn)生繞z 軸順時(shí)針的力矩，因而前軸承座約束力N,為正，后汽缸縱向鍵約束力N4 為負(fù)，二者方向相反，數(shù)值相等;后汽缸兩側(cè)水平鍵在承受向后推力的同時(shí)，還受到繞z 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，因此右側(cè)水平鍵受力大于左側(cè)水平鍵。

4 結(jié)束語(yǔ)

為對(duì)比二種不同主汽門(mén)安裝方式和進(jìn)汽方向?qū)ζ啓C(jī)受力的影響，采用有限元方法對(duì)汽輪機(jī)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。在無(wú)蒸汽力狀態(tài)下，二種方式受力基木相當(dāng)。對(duì)于側(cè)掛安裝，垂向進(jìn)汽方式在蒸汽力作用下，后汽缸兩側(cè)支點(diǎn)支反力差值較大，甚至一側(cè)出現(xiàn)了負(fù)的支反力，由于安裝而螺栓間隙的存在，會(huì)使汽輪機(jī)發(fā)生一定的側(cè)偏現(xiàn)象，從而影響汽輪機(jī)的支撐穩(wěn)定性。