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汽轮机组中压转子的强度分析

发布于:2016-11-06 20:13
强度分析

      根据国内外轴系破坏事故调查结果的统计显示,汽轮机轴系破坏主要原因之一是在机组运行中突然产生转子弯曲导致大不平衡引起的。因此,非常有必要针对转子弯曲对转子温度场及应力场的影响进行深入的研究,使运行人员明确不平衡的影响结果,为确定消除中压转子弯曲技术方案提供科学依据。针对超临界汽轮机组开展转子弯曲问题对机组安全性影响的研究,对机组实际运行中发生振动最大的中压转子进行了温度场及应力场进行强度分析。本研究所选取2台俄制500MW超临界汽轮发电机组中压转子均在第2次A级检修中发现转子弯曲严重超标,并都进行了直轴处理。同类机组的调研也发现了中压转子在机组投运一段时间后普遍存在着不同程度的弯曲。因此,通过中压转子应力场的计算研究,研究该机型中压转子弯曲的根本原因,分析该机型中压转子弯曲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。
      由于实际的转子模型结构复杂,细微结构众多,不可能完全建模分析,需要对其进行一定的简化处理,本研究根据简化处理对计算结果的影响较小而可以忽略的原则,进行了以下处理:由于各级轮盘气动载荷及转子自身重力对转子的静强度影响很小,忽略了转子自身重力及轴向气流力的影响,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处,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来模拟,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;为了较好地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,即忽略了轴承轴向上中分面以外的转子结构。在专业的三维建模App中建立了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了转子的简化实体模型,如图所示。采用20节点的三维实体结构单元Solid186来模拟应力场,采用相应的20节点的实体热单元Solid90来模拟温度场。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162729,节点数为720800,其有限元模型如图所示。
      由于实际转子的支撑主要是通过轴承来实现,为了较好地模拟轴承对转子弯曲变形的约束作用,本研究通过简单实例的有限元分析及理论计算的对比分析,最终确定采用ANSYS中的Surface Based Constraints技术来模拟,即在转子两端通过采用一种特殊的点项接触方式来模拟,其中接触单元分别为TARGE170及CONTACT1750考虑离心力、温度载荷及不平衡离心力载荷,先进行温度场分析后,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来进行耦合,而叶片的离心力根据相应的理论计算得到等效的轮缘处径向压力。
      所计算的工况为额定工况,即施加旋转角速度为314.16rad/s。根据大机组的设计导则,转子的一阶不平衡量的偏心距的不平衡质量作用在转子的中部来进行加载。由于在本课题中,转子的实际不平衡量可能要比偏心距大得多,但该不平衡量又由于实际转子的复杂性而无法准确获得,因而在分析过程中拟定了以下的不平衡离心力方案,并根据不同过程中分析目的不同,选取不同工况的组合来分析,其中不平衡离心力的计算根据F=me扩来计算,不同工况下不平衡离心力的具体数值如表所示。在ANSYS中,通过在中压转子中间轴段的中心孔处取一小区域建立Surface Based Constraints区域,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,在本研究中定义Y向为转子蠕变弯曲方向。
      温度场的热边界条件是根据计算分析等得到的数值进行加载,应力场的计算采用的是顺序耦合的方法,即将热分析得到的节点温度作为节点载荷施加在后续的应力分析中来进行耦合计算。图为俄制机组的中压转子温度场有限元分析结果。从图中可以看出,转子的温度场分布均匀,基本上是关于转子的中分面对称分布,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。在转子的中部表面温度最高,其温度值接近进汽温度,最大温度值达539℃,而在两端轴颈处温度最低,约为800℃,在转子的中部轴段处的温度在400~539℃之间为高温区。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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