主汽门安装方式对汽轮机受力影响分析

文/张刚，华电国际莱城发电厂

主汽门是主蒸汽进入汽轮机的第一道阀门，是保证机组安全起动、停车和运行的关键部件。主汽门的结构可按照尺寸大小、蒸汽参数、功能要求和操纵系统等分类，种类繁多。按结构形式主要包括立式、卧式等。汽阀主要分为单座式、带预启功能式、平衡式等;操纵系统则多为液压式结构，主要包括油缸、弹簧等部件.

1 凝汽式汽轮机安装方式分析

主汽门的安装主要采用汽缸两侧以及侧挂或是单体落地的方式，如果选取单体落地的方式进行安装布置，主汽门中作为蒸汽管道热胀产生的重要位置，如主汽门采取支架安装方式可以具有一定位移量，那么主汽门将不能作为固定位置点。侧挂方式的主要优点就是各个机组在具体安装过程中较为紧凑，但是汽缸受力情况会变得更加复杂，除了对阀门自身重量进行分析之外，还需要对蒸汽管道对阀体实际作用力进行探究。这些力以及力矩会对汽缸支撑部分产生较大应力，会导致汽缸以及相应的安装部位发生一定量位移，会导致汽缸各个部件产生不同程度磨损和振动的情况。所以在正常工作情况下，汽缸都需要进行稳定安装，将力与力矩在管系中引起的变形和应力能够全面控制在固定范围中。

凝汽式汽轮机发电机组为了全面提升机组紧凑程度，主汽门侧挂安装方式得到全面应用。此外，当前为了全面消除或是控制蒸汽管道产生的热应力，在主汽门前的蒸汽管道往往都设有管道膨胀补偿值。所以当前可以选用挠性接管，管道中的盲板力会全面作用于机组和主汽门中。目前汽轮发电组大多都是选用单缸凝汽式汽轮机，汽轮机主要包括汽缸体、前轴承座、主汽门等。汽轮机主要选用三点支撑形式，在机座上安装前轴承座，作为前支撑。后汽缸两侧位置主要作为后支撑。

2 蒸汽力作用下汽轮机受力分析

汽轮机的主要受力包括重力与蒸汽力。对于重力G，忽略不同主汽门质量变化的影响因素，二种安装方式下重力相等，作用在汽轮机的重心处。在主汽门进汽法兰与蒸汽压力均为定值的情况下，二种安装方式所受蒸汽力相等，但作用力的位置与方向不同。

3 汽轮机受力的有限元计算分析

3.1 计算方法与模型

利用UG 二维建模软件，在满足计算精度的前提下，对模型的细节特征进行适当的简化，建立主汽门及汽缸的二维实体模型，并导入ANSYS 有限元计算软件建立有限元计算模型，采用10 节点s olid 187 单元对模型进行网格划分，划分节点数350 045，单元数191 980 建立的有限元模型。

约束边界条件定义:

1)前轴承座支点、后汽缸的两侧支点，约束z 方向的自由度;

2)前轴承座纵向键、后汽缸纵向键，约束Y 方向的自由度;后汽缸两侧水平键，约束x 方向的自由度。

力边界条件定义:

1)汽轮机及主汽门自身重力，给定材料属性，弹性模量为2x10" Pa，泊松比为0.3，密度为7.8 kg/cm3;

2)蒸汽力F=}}(D/2)z}Po 取D=300 mm, Po=3.43 MPa，方向为主汽门进汽法兰法向。

根据以上边界条件，求解各支反力及约束力。

3.2 不同安装方式下汽轮机的受力对比分析3.2.1 不同安装方式下的各支点支反力分析

这主要是由于蒸汽力作用点更接近于前轴承座。蒸汽力在yz平而产生Y 方向的力矩，力臂为主汽法兰至汽轮机中心线距离，使机组形成绕x 轴逆时针旋转的趋势，使后汽缸右侧支点受压，而左侧支点受拉，因此后汽缸右侧支点支反力Fz>0，左侧支点支反力

对于安装方式2,蒸汽力在xz 平而产生x 方向的力矩，力臂为主汽门法兰至水平而高度距离，使机组有绕Y 轴逆时针旋转的趋势，使前轴承座支点受拉而后汽缸两侧支点受压，因而前轴承座支点支反力为负值。此外，对于后汽缸左右两侧支点，二者支反力虽均为正值，但右侧明显小于左侧。对比无蒸汽力状态可以看出，左右两侧支反力差值要大于无蒸汽力状态，即认为此差值是由蒸汽力所引起的。

对于安装方式2，由于主汽门安装位置及蒸汽力作用点位于汽轮机中心线上，且蒸汽力受力位置更加靠近后汽缸支点，因此Fz与F3 大小相等，F1 略小于F2,F3。

从二种安装方式支反力的受力分析来看，在蒸汽力状态下，方式2 受力状态的稳定性明显优于方式1。

不同安装方式下水平健及纵向健的约束力分析

对于安装方式1，由于向下的蒸汽力偏离几何中心，使得汽轮机有绕z 轴逆时针的转动趋势，因而前轴承座约束力N,为负，后汽缸纵向键约束力坑为正，二者方向相反，数值相等;后汽缸右侧水平键约束力Nz 为正，后汽缸左侧水平键约束力N3 为负，二者方向相反，数值相等。

对于安装方式2，在蒸汽力的作用下，产生绕z 轴顺时针的力矩，因而前轴承座约束力N,为正，后汽缸纵向键约束力N4 为负，二者方向相反，数值相等;后汽缸两侧水平键在承受向后推力的同时，还受到绕z 轴的转动力矩，因此右侧水平键受力大于左侧水平键。

4 结束语

为对比二种不同主汽门安装方式和进汽方向对汽轮机受力的影响，采用有限元方法对汽轮机进行了数值计算。在无蒸汽力状态下，二种方式受力基木相当。对于侧挂安装，垂向进汽方式在蒸汽力作用下，后汽缸两侧支点支反力差值较大，甚至一侧出现了负的支反力，由于安装而螺栓间隙的存在，会使汽轮机发生一定的侧偏现象，从而影响汽轮机的支撑稳定性。