国产超超临界660MW汽轮机组轴承箱结构优化研究

赵永安

（宁夏京能宁东发电有限责任公司，银川750000）

0 引言

汽轮机轴承箱是用以安置高速旋转的高（中）压转子或低压转子的支撑件，高速旋转时由重力或偏心造成的离心力由轴承承受，并传递到容纳各轴承的静子部件轴承座以及轴承箱上，从而起到固定汽轮机转子与静子部件之间相对位置的作用[1-2]。

国内某电厂超超临界660 MW汽轮机组3#轴承箱膨胀不畅且刚度不足，产生轴向变形过大，从而引起轴系振动问题，基于有限元分析方法，本文对国内某电厂超超临界660 MW汽轮机组3#轴承箱结构问题进行分析研究，并且提出了四种结构优化方案，从而解决3#轴承箱轴向刚度不足问题，为汽轮机轴承箱部件结构优化方案提供技术参考。

1 轴承箱结构优化方案及数值仿真

针对国内某电厂超超临界660 MW汽轮机组3#轴承箱，提出四种结构优化方案。优化后的三维轴承箱实体结构分别如图1～图4所示。图中箭头所指为轴承箱优化后所增添的补充结构，其余位置为轴承箱原始结构。

采用有限元软件Workbench对结构力学响应进行模拟。考虑到模型与载荷的对称性，仅采用一半模型用于有限元计算，以提高计算效率。位移边界条件设置如图5所示，设置轴承座底板边界条件为固定约束边界条件，轴承箱竖直中分面采用循环对称边界条件。

图1 优化方案一结构示意图

图2 优化方案二结构示意图

图3 优化方案三结构示意图

图4 优化方案四结构示意图

图5 结构位移边界与对称边界

轴承箱底板与锚固板简化模型之间建立摩擦接触；方案三与方案四中，用于加固的肋板与锚固板简化模型之间建立绑定接触。力边界条件如图6所示，其中包括重力作用示意。为轴承箱体、螺栓和基础等实体施加标准的重力加速度；鉴于计算采用半缸模型，因此计算中施加的中压缸重力、转子支反力均采用实际值的一半，图6中A代表标准的重力加速度，B区域施加固定约束，C区域施加中压缸重力，D区域施加4#支反力，E区域施加5#支反力。其施加具体数值如表1所示。

图6 重力的作用区域和大小

表1 施加参数数值

2 数值结果讨论

应用ANSYSWorkbench 16.0软件对四种优化方案进行计算，通过推拉轴向变形、轴承箱底板天地位移、加固装置强度等方面进行对比分析，选择最佳的优化方案。

表2 1.5 MN推力载荷下各方案参考点轴向位移值 mm

表3 1.5 MN拉力载荷下各方案参考点轴向位移值 mm

图7 推力载荷下各方案轴向位移对比

图8 拉力载荷下各方案轴向位移对比

2.1 1.5 MN推力/拉力载荷情况

考虑3#轴承箱所受膨胀力（推和拉方向）为1.5 MN的条件下，分别计算原方案及四种优化方案的轴向变形，对比分析四种方案的优劣。

由表2和表3、图7和图8可知，优化方案四在轴承箱承受推力载荷和拉力载荷情况下轴向变形方面优化效果均较为显著。

2.2 轴承箱底板的天地位移对比

在轴承箱底板上取四处参考点，如图9～图10所示。对比参考点在1.5 MN推力/拉力载荷作用下的天地位移，详见表4、表5。

由表4和表5、图11和图12对比分析可以看出，从天地位移角度分析，方案四为各结构优化方案中的最优方案。

图9 轴承箱底板天地位移云图和参考点（1.5 MN推力）

图10 轴承箱底板天地位移云图和参考点（1.5 MN拉力）

表4 1.5 MN推力载荷下各方案参考点天地位移值 mm

表5 1.5 MN拉力载荷下各方案参考点天地位移值 mm

图11 推力载荷下各方案天地位移对比

图12 拉力载荷下各方案天地位移对比

2.3 加固装置的MISES应力对比

考核各方案加固装置的MISES应力，最大值见表6。

表6 各方案加固装置MISES应力最大值 MPa

加固装置材料为普通Q235钢，常温下许用应力为156.7 MPa，由表6中数据可知，方案四为最优方案。

方案四加固装置局部MISES应力云图如图13所示。

图13 方案四加固装置局部MISES应力云图

从以上计算结果可以看出，同一加固方案下，推力载荷作用产生的轴向位移、天地位移和最大MISES应力均大于拉力载荷，因此后文将仅分析推力载荷作用下的计算结果。

2.4 其他推力载荷作用下，对比原方案与方案四

本部分内容分别对比了原方案与方案四，在推力载荷为0.85、2.50 MN时，各参考位置的强度与刚度情况。在猫爪上取5处参考点，对比参考点在0.85、2.50 MN推力载荷作用下的轴向位移，详见表7。

在轴承箱底板上取5处参考点，对比参考点在0.85、2.50 MN推力载荷作用下的天地位移，详见表8。

表7 轴向位移 mm

图14 0.85 MN推力载荷情况下轴向位移对比

图15 2.50 MN推力载荷情况下轴向位移对比

表8 两种推力载荷下各方案参考点天地位移值 mm

图16 0.85 MN推力载荷情况下天地位移对比

由表8、图16和图17可以看出，在0.85、2.50 MN推力载荷作用下，方案四猫爪处的轴向位移和轴承箱底板的天地位移均明显小于原方案，可见加固方案四在不同推力/拉力载荷作用下对结构的强度和刚度的优化效果显著。

图17 2.50 MN推力载荷情况下天地位移对比

3 结论

本文针对国内某电厂超超临界660 MW汽轮机组3#轴承箱在机组运行过程中表现出刚度不足问题，提出了四种加固方案。应用商业软件，研究了优化后轴承箱的响应，分别对比分析了参考点轴向位移、天地位移以及MISES应力最大值。数值结果表明，在不同推力/拉力载荷作用下，优化方案四对轴承箱的强度和刚度的优化效果显著。同时也为今后汽轮机轴承箱设计和优化提供了依据。