百万等级核电半速汽轮发电机组低压转子轴承支撑刚度的研究

2012-06-25 06:51王秀瑾李汪繁

动力工程学报 2012年8期

王秀瑾，孙庆，李汪繁，危奇，葛庆

（1.上海发电设备成套设计研究院，上海200240；2.上海电气电站设备有限公司上海汽轮机有限公司，上海200240）

随着我国节能减排战略以及大型先进核电设备国产化战略的大力推进，百万等级以上的核电关键设备自主研发正在国内全面展开.大型半速汽轮发电机组是核电常规岛的关键设备之一，其转子的支撑系统动特性对整个机组的安全稳定运行有着重要影响，而大型汽轮发电机组的支撑轴承是转子支撑系统的重要组成部分［1-4］.目前，国内根据引进技术研制的百万等级核电半速汽轮发电机组的轴系动特性设计和计算时的轴承支撑刚度，尤其是汽轮机低压转子轴承支撑刚度通常采用经验数据或已有的引进技术值.针对不同的机型和基础形式，国内设计人员尚缺乏必要的第一手轴承支撑刚度方面的技术资料.因此，在工程实际中，迫切需要通过计算或者试验来研究不同支撑刚度对转子振动特性的影响，因为支撑刚度是进行转子试验和数学建模计算的前提，且随设备安装以及运行工况变化而变化，从而导致转子动力特性发生变化.大型汽轮发电机组所采用的滑动轴承支撑主要分轴承箱支撑和汽缸支撑，即轴承箱式落地轴承座和坐缸式轴承座.随着机组装机容量的提高，汽轮机的低压模块也越来越大，如600 MW、1 000MW 等级超超临界机组以及百万等级以上的核电半速汽轮发电机组均采用独立的落地式轴承座，大大提高了轴系的稳定性和机组的安全性.

笔者采用三维有限元软件Ansys分析了百万等级核电半速汽轮发电机组两个低压转子之间的落地式轴承座的刚度，获得了轴承座刚度分析数据.迄今为止，对越来越多的百万等级核电半速汽轮发电机组采用了弹簧基础.为了研究低压转子轴承座所在横梁的支撑刚度对轴承座刚度的影响，采用三维有限元法对弹簧基础横梁的支撑刚度进行了分析.在综合考虑轴承座和横梁支撑刚度的基础上，参考汽轮机低压转子轴承支撑刚度的经验数据，计算和研究了轴承座刚度在一定范围内变化时对大型汽轮机低压转子临界转速的影响，为采用落地式轴承座的同类核电汽轮机设计尤其是汽轮机低压转子动特性设计提供了参考.

1 核电汽轮机低压转子的轴承座支撑刚度计算

1.1 落地式轴承座支撑刚度的计算

以某百万等级核电半速汽轮发电机组汽轮机低压转子落地式轴承座为研究对象，运用三维有限元分析软件Ansys分析了该轴承座的支撑静刚度和动刚度.该轴承座为两个低压缸之间的联体轴承座，在只考虑轴承座的主要结构而忽略对轴承座支撑刚度影响极小的局部细微结构条件下建立了轴承座模型.图1为百万等级核电半速汽轮发电机组低压转子轴承座实体模型.

轴承座的实体模型结构选择实体六面体单元Solid186，考虑到计算效率和计算精度，划分网格时在几何不光滑结构区域和轴承支撑位置对网格进行加密，而在非关键性承载区域，网格略为稀疏，并使粗细网格之间的过渡尺寸平滑.计算网格以六面体网格为主，在不规则区域，少量为带中间节点的四面体单元［5］.

图1 百万等级核电半速汽轮发电机组低压转子轴承座实体模型Fig.1 Entity model for turbine LP rotors＇bearing support of a 1 000 MW nuclear power half-speed T-G set

由于低压转子轴承座为落地式，轴承座底部固定在汽轮机基础的二次灌浆部位，因此将落地轴承座底部与汽轮机基础的连接视为刚性连接.考虑到轴承座上盖的质量，将转子设计负荷作为静载荷施加在轴承座支撑位置来计算轴承座静刚度，并根据转子动载荷计算轴承座支撑动刚度.图2为在上述边界条件下低压转子落地式轴承座有限元模型的静刚度和动刚度计算用位移分布云图，轴承座刚度计算结果见表1.

由表1可知：该轴承座在25 Hz时的动刚度和静刚度差异很小，这是因为作用在轴承座的动载荷频率（25Hz）远小于轴承座固有频率；两个轴承结构相似，支撑刚度基本一致；由于受载荷作用的轴承座上各点变形不同，因此计算的刚度值是一个范围.

表1 轴承座刚度计算结果Tab.1 Bearing stiffness calculation results N／m

1.2 轴承座所在弹簧基础横梁的支撑刚度计算

图2 落地式轴承座静刚度和动刚度计算用位移云图Fig.2 Displacement cloud chart for static and dynamic stiffness calculation of the ground standing type bearing bracket

弹簧基础的汽轮机平台通过弹簧隔振器支撑在立柱上，由于立柱刚度远大于汽轮机平台的横梁刚度，因此可以直接建立弹簧基础汽轮机平台模型.考虑到弹簧的支撑作用，载荷条件与轴承座类似，百万等级核电半速汽轮发电机组汽轮机低压转子落地式轴承座所在弹簧基础横梁支撑刚度计算所用位移云图见图3.由图3可知：在负荷作用下，横梁上各点位移响应不同，通过计算可得到低压缸I和低压缸II之间横梁的刚度值为（3.28～6.95）×109N／m.

图3 落地式轴承座所在弹簧基础横梁的刚度计算用位移云图Fig.3 Displacement cloud chart for stiffness calculation of the beam on spring foundation of the bearing bracket

将低压落地式轴承座的刚度最小值和所配弹簧基础横梁的刚度耦合得到轴承总支撑刚度值（主要考虑垂直方向）.表2为汽轮机低压转子轴承座刚度分析结果.

表2 汽轮机低压转子轴承座刚度分析结果Tab.2 Analysis results on stiffness of steam turbine LP rotor bearing bracket N／m

2 轴承座刚度对汽轮机低压转子临界转速的影响

决定轴系动态特性的重要因素之一是转子系统的支撑特性，而支撑特性又与轴承的油膜动刚度阻尼特性、轴承座以及基础的支撑动刚度有关［4，6-7］.轴承油膜动刚度阻尼可通过专门的分析软件计算获得.在同样油膜参数条件下，以轴承支撑总刚度经验值下临界转速为参考基准，相对于参考基准分别计算和分析了低压转子落地式轴承座刚度计算值下汽轮机低压转子临界转速的相对变化量.表3为轴承支撑刚度计算值下低压转子临界转速的相对变化量.

表3 轴承支撑刚度计算值下低压转子临界转速的相对变化量Tab.3 Relative variation of critical speed of LP rotor with calculated bearing support stiffness

由表3可知，有限元计算获得的轴承座刚度比经验数据低，其对低压转子临界转速有一定影响，且随着轴承支撑刚度降低，对应的汽轮机低压转子前2阶临界转速也降低，而且降低比较明显.

为了研究百万等级核电半速汽轮发电机组汽轮机低压转子轴承座刚度在经验值一定范围内变动对低压转子临界转速的影响，对轴承支撑总刚度在经验值±50%范围内变化时的临界转速分别进行了计算.以轴承支撑总刚度经验值下低压转子临界转速为基准，不同轴承支撑刚度下低压转子临界转速的相对变化量计算结果见表4.

表4 不同轴承支撑刚度下低压转子临界转速的相对变化量Tab.4 Relative variation of critical speed of LP rotor with different bearing support stiffness

图4给出了不同轴承支撑刚度下低压转子临界转速的相对计算值，以经验刚度值下的临界转速为基准.

图4 不同轴承支撑刚度下汽轮机低压转子临界转速的计算结果对比Fig.4 Comparison of critical speeds of LP rotor calculated in the case of different bearing support stiffness

从表4和图4的低压转子临界转速计算结果对比可以发现：当汽轮机转子落地式轴承座刚度变化时，汽轮机低压转子的临界转速有所变化，汽轮机低压转子临界转速在轴承座刚度降低时的相对变化量比刚度升高时的相对变化量大，这就为汽轮机低压转子动特性设计提供了重要参考.从安全角度考虑，在满足设计规范前提下，应采用较大的轴承支撑刚度.

3 结论

（1）通过有限元分析获得了国产百万等级核电半速汽轮发电机组汽轮机低压转子落地式轴承座刚度数据，为百万等级核电机组的低压转子动力特性设计者提供了重要参考.

（2）利用所建立的汽轮机低压转子落地式轴承座刚度分析有限元模型计算获得落地式轴承座的刚度，计算值与经验值量级相同，但数据有一定差异.

（3）落地式轴承座的刚度变化对汽轮机低压转子临界转速的影响明显.汽轮机低压转子临界转速在轴承座刚度降低时的相对变化量比刚度升高时的相对变化量大，在满足设计规范前提下，应采用较大的轴承支撑刚度.

（4）百万等级核电机组汽轮机低压转子落地式轴承座的刚度计算数据极其重要，但要完全能够反映同等级核电半速汽轮发电机组用轴承座支撑边界规律，尚需用现场实测数据加以验证.

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