百万千瓦级核电汽轮发电机轴承座刚度计算

王秀瑾

(上海发电设备成套设计研究院，上海 200240)

1 问题的提出

汽轮发电机组是核电常规岛的核心设备，其转子支撑系统的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，其轴承动刚度(特别是较高转速时的动刚度)对转子系统临界转速影响较大。百万千瓦级核电汽轮发电机转子多在超过一阶临界转速的区域内使用，因此，汽轮发电机轴承座刚度的好坏直接影响汽轮发电机转子－轴承－基础这一系统能否安全运行［1－3］。随着设备安装和运行情况的变化，轴承座刚性也会有所变化，从而导致汽轮发电机轴系的动力特性变化。为使转子的工作转速避开临界转速，往往会采用改变支承刚性的方法。核电汽轮发电机所采用的滑动轴承支撑主要分为轴承箱支撑和基座端盖支撑，也就是轴承箱式落地轴承座和端盖式轴承座。百万千瓦级核电半速机组汽轮发电机采用了端盖式轴承座，由于端盖式轴承座承担着汽轮发电机转子的静、动载荷以及由于传递扭矩而带来的反作用力，可获得其端盖式轴承座的刚度特性，研究其转子动力特性对轴承刚度变化的敏感性，对采用端盖式轴承座的同类核电汽轮发电机设计尤其是动特性设计是很重要的。

目前，在国内百万千瓦级核电半速汽轮发电机组轴系动特性设计计算时，轴承支撑刚度尤其是汽轮发电机转子轴承支撑刚度通常采用已有的经验值。在工程实际中，可通过计算或用模型试验方法研究不同支撑刚性对于转子振动特性的影响，但轴承座模型设计、制造和试验需要一定的周期，造成设计周期的延长，而模型试验时各种原因造成的误差也不能避免。百万千瓦级核电机组动力特性研究系统通常由转子、轴承、轴承座及框架基础等多个子结构组成，其中汽轮发电机轴承采用端盖式轴承座。汽轮发电机转子系统支承边界模型如图1所示。

图1 转子支承系统力学模型

图1中:kij，cij分别为轴承油膜刚度和阻尼;kp为轴承座支撑刚度;kb为汽轮发电机基础轴承座位置的支撑刚度。决定轴系动态特性的重要因素之一是转子系统的支承特性，而支承特性又与轴承的油膜刚度阻尼特性、轴承座及基础的支撑刚度有关［4］。轴承油膜动刚度阻尼可由专门的分析软件计算获得，轴承支座及基础的刚度则通常由经验值获得，但经验值的准确性有待于进一步研究确认。

本文采用国际通用的大型有限元软件ANSYS分析了百万千瓦级核电半速机组汽轮发电机端盖式轴承座及其汽轮发电机基础的刚度［5－7］，获得了珍贵的轴承座刚度数值分析结果。综合考虑轴承座计算值和汽轮发电机基础支撑刚度计算值，参照汽轮发电机轴承支撑刚度经验数据，本文通过计算来研究轴承座刚度在一定范围内变化时对大型汽轮发电机转子临界转速的影响。

2 汽轮发电机端盖式轴承座刚度计算

百万千瓦级核电半速机组汽轮发电机转子轴承采用了端盖式轴承座，本文以该轴承座为研究对象，运用大型有限元分析软件ANSYS分析了该轴承座的静刚度和动刚度。对汽轮发电机端盖式轴承座进行合理简化，建立轴承座有限元模型。百万千瓦级核电汽轮发电机轴承座有限元模型如图2所示。

图2 百万千瓦级核电汽轮发电机轴承座三维有限元模型

由于汽轮发电机轴承座为端盖式，轴承座底部固定，限制了轴承座底板全部自由度。考虑轴承座上盖的重量，根据转子载荷作用下的轴承座位移来计算轴承座支撑动刚度。图3、图4分别是汽轮发电机端盖式轴承座有限元模型在上述边界条件下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。

表1 轴承座刚度计算结果 GN/m

该轴承座在25Hz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为25Hz，远小于轴承座固有频率;由于受载荷作用的轴承座支撑位置位移不同，计算的刚度值是一个范围。

3 汽轮发电机基础支撑刚度计算

由于弹簧隔振基础可以降低汽轮发电机组振动对环境的影响并隔离地震对汽轮发电机组的影响，以及第一阶固有频率远低于核电半速机的工作频率，弹簧基础越来越多地应用于核电半速机组中。弹簧隔振器使汽轮发电机平台和下面的立柱脱离了动力耦合，立柱刚度远大于汽轮发电机平台板横梁刚度，可直接建立弹簧基础汽轮发电机平台板模型。考虑弹簧的支撑作用，百万千瓦级核电半速机组汽轮发电机转子端盖式轴承座所在弹簧基础支撑刚度计算用位移云图如图5所示，负荷作用下汽轮发电机基础上各点位移响应不同，计算可得到汽轮发电机基础刚度值为2．69～4．26GN/m。

为便于比较计算，轴承座刚度取平均值9．62 GN/m，将汽轮发电机端盖式轴承座的刚度值和所配弹簧基础横梁的刚度耦合，得到的轴承总支撑刚

图5 端盖式轴承座所在弹簧基础刚度计算用位移云图

度值(此处主要考虑了垂直方向)见表2，经验数据也一并列于表2。

表2 汽轮发电机转子轴承座刚度分析结果 GN/m

4 轴承座刚度对轴系临界转速的影响

决定轴系临界转速的重要因素之一是转子系统的支撑特性，而支撑特性除了与轴承的油膜刚度、阻尼特性有关外，还与轴承座及基础的支撑动刚度有关［8］。以轴承支撑总刚度经验值计算的汽轮发电机临界转速为参考基准，基于计算得出的汽轮发电机端盖式轴承座刚度值及在经验值一定范围内变化的汽轮发电机轴承座刚度值，分别计算分析了汽轮发电机轴系临界转速的相对值，计算结果见表3。

表3 轴承支撑刚度变化时汽轮发电机临界转速的相对变化量

从表3可以看出，有限元分析得到的轴承座刚度接近经验数据，其对轴系临界转速有一定影响;同时，汽轮发电机临界转速随着端盖轴承支撑刚度增减而相应增减。汽轮发电机转子端盖式轴承座刚度变化时，汽轮发电机转子的临界转速有所变化，汽轮发电机转子临界转速在轴承座刚度降低时的相对变化量较刚度升高时大，这为汽轮发电机转子动特性设计提供了重要参考。从安全角度考虑，在满足设计规范的前提下，应按较高的轴承支撑刚度来设计。

5 结论

(1)轴承支撑刚度对汽轮发电机动特性(特别是临界转速)有着重要影响，在汽轮发电机刚度设计之初，精确计算刚度有助于机组的安全运行。

(2)本文建立的汽轮发电机转子端盖式轴承座刚度分析有限元模型，是获得端盖式轴承座刚度的有益探索。计算获得的端盖式轴承座综合刚度与经验数值较为接近，轴承支撑刚度精确计算中需要考虑汽轮发电机基础弹性。

(3)国产百万千瓦级核电半速机组汽轮发电机转子端盖式轴承座变刚度计算分析表明，端盖式轴承座刚度变化对汽轮发电机转子临界转速有一定影响，获得准确的轴承支撑刚度十分必要。汽轮发电机转子临界转速在轴承座刚度降低时的相对变化量较刚度升高时大，应按较大的轴承支撑刚度来设计。

(4)本文所采用的有限元方法在工程上有很大的实用价值，在满足实际工程需要的前提下，对工程问题进行合理简化，以便于分析，符合工程实践所要求的合理性、准确性及方便性原则。百万千瓦级核电机组汽轮发电机转子端盖式轴承座的刚度计算研究数据难得，但要完全反映同级核电半速机组汽轮发电机转子用轴承座支撑边界规律，还需同类型重载轴承座有限元模型的完善和实测研究数据的验证。

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