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汽轮机组中压转子带负荷时的www.mg4355cc.com手机版

发布于:2019-03-16 19:47
有限元

      国内外轴系破坏事故调查结果显示,汽轮机轴系破坏主要由机组运行中突然产生转子弯曲导致的不平衡引起,因此,需就转子弯曲对转子温度场、应力场的影响进行深入研究,明确不平衡影响,为确定消除中压转子弯曲技术方案提供科学依据。针对目前国内仅有的2台俄制800MW超临界汽轮机组进行转子弯曲对机组安全性影响的研究,对机组实际运行中振动最大的中压转子进行温度场及应力场有限元分析。在第2次A级检修中,发现中压转子弯曲严重超标,进行了直轴处理。同类机组的调研中也发现中压转子在机组投运一段时间后普遍发生不同程度的弯曲。因此,通过对中压转子应力场的计算,分析该机型中压转子弯曲的根本原因和对轴系安全性的影响,为确定消除中压转子弯曲技术方案提供科学依据。
      由于实际转子模型结构复杂,细微结构众多,不能完全建模分析,根据对计算结果影响小即可忽略的原则,需进行一定的简化处理。由于各级轮盘气动载荷及转子自身重力对转子静强度影响小,因此可忽略转子自身重力及轴向气流力影响,只考虑转子离心力、温度载荷及不平衡离心力。由于实际模型叶片众多,且叶片模型复杂,接触关系众多,无法完全建模模拟,因而将转子轮盘计算外半径取为轮盘的实际外径,并综合考虑气流对叶片及叶片平台等的换热,在计算半径处取综合等效换热系数进行模拟,将叶片的离心力载荷等效为均布径向压力施加在轮缘处。简化对计算结果影响很小的圆角等细小结构。为了较好的模拟轴承对转子弯曲变形的约束作用,左右两端取为轴承的轴向中分面,即忽略轴承轴向上中分面以外的转子结构。在专业的三维建模软件中建立该中压转子的实体模型,然后导入到ANSYS中进行相应处理后得到转子的简化实体模型。采用20节点的三维实体结构单元Solid186模拟应力场,采用相应的20节点实体热单元Solid90模拟温度场;为了保证结果的准确性,采用了足够精密的网格,整个转子的单元数为48240个,节点数为232720个,其有限元模型见图。
      由于实际转子的支撑主要通过轴承实现,为了较好的模拟轴承对转子弯曲变形的约束作用,通过有限元及理论计算的对比分析方法,最终确定采用ANSYS中的SurfaceBasedConstraints技术模拟,即在转子两端通过采用一种特殊的点一面接触方式模拟,其中接触单元分别为TARGE170及CONTACT175。约束了左端控制节点的UX,UY,UZ,ROTY,ROTZ自由度,约束了右端控制节点的UX,UY,ROTY,ROTZ自由度。主要考虑离心力、温度载荷及不平衡离心力载荷,进行温度场分析后,将分析得到的节点温度作为节点载荷施加到后续的应力分析中进行藕合,根据相应的理论计算得到等效的轮缘处径向压力。计算工况为额定工况,即施加旋转角速度为314.16rad/s(3000r/min)。根据大机组的设计导则,转子的一阶不平衡量可按偏心距的不平衡质量作用在转子的中部进行加载。由于转子的实际不平衡量可能要比偏心距大,而实际转子的复杂性无法准确获得,因此在分析过程中拟定了不平衡离心力方案,并根据不同过程中分析目的不同,选取不同工况的组合进行分析,其中不平衡离心力的计算根据F=me,不同工况下不平衡离心力的具体数值见表。在ANSYS中,首先在中压转子中间轴段的中心孔处取一小区域建立SurfaceBasedConstraints然后通过在主节点处加载Y方向的集中力来模拟不平衡离心力作用,定义Y向为转子蠕变弯曲方向。
      温度场的热边界条件根据计算分析结果进行加载所得,应力场的计算采用顺序藕合的方法,即将热分析所得的节点温度作为节点载荷施加在后续的应力分析中进行耦合计算。图为800MW机组的中压转子温度场www.mg4355cc.com手机版结果。可见,转子的温度场分布均匀,基本对称分布于转子的中分面,并从中间进汽部分沿轴线向两端逐渐降低,在转子的径向及周向,温度变化很小。转子的中部表面温度最高,其温度值接近进汽温度,最高温度达538℃,而两端轴颈处的温度最低,约为70℃,转子中部轴段处的温度为400-538℃,为高温区。在轴颈的轴肩处存在较大的温度梯度,由于设定与轴承接触的轴段圆柱面热边界条件为第一类边界条件,取温度值为70℃,而在中压转子末级叶片出口处的排汽温度达220℃该排汽一部分蒸汽将经过汽封泄漏到轴颈附近,从而对末级叶轮与轴颈间的轴段进行换热。



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