小型汽轮机结构特点及其抗摆能力分析

李 成

（广州广重企业集团有限公司，广州 510220）

0 引言

随着分布式能源及小型垃圾焚烧发电市场的发展，小型汽轮机需求量越来越大，小型汽轮机厂家深耕垃圾焚烧发电市场，开发了一系列高效率小型汽轮机，对汽轮机结构进行大胆创新，在大型汽轮机中常用的猫爪支撑方式并不适用于以“轻量化、快装式、高效率”为目标的小型汽轮机，用弹性板支撑结构代替猫爪支撑，具有体积小、质量轻的成本优势。本文以某B7.5－6.2／2.1／ ／445 型号上排汽背压式汽轮机为例，介绍弹性板支撑结构汽轮机的结构特点。汽轮机研究领域对于整体结构稳定性分析的文章较少，毕雪等［1］研究管道设计对汽轮机稳定性的影响，但没有研究弹性板支撑结构小型汽轮机的抗摆能力，本文结合现场安装中进汽管道布置不合理导致调试过程中机尾偏移过大、机组振动过大等问题，通过ANSYS Workbench 平台分析机尾偏移过大的原因，通过加强与后连接板连接处底盘结构的方法，使现场机尾偏移量得到明显改善，说明弹性板支撑结构汽轮机的抗摆能力主要由后连接板相连处底盘结构的刚性决定，通过在两侧添加三角板支撑能提高汽轮机抗摆能力。通过ANSYS Workbench对汽轮机主机及底盘进行温度场分析［2］，考虑金属受热膨胀，预测热态条件下机尾偏移量，为机组安全投运提供理论基础［3］，本文对现场问题的分析及成功处理能为同类型机组在结构设计上提供优化案例，为机组安全运行积累经验。

1 汽轮机结构特点

传统汽轮机汽缸采用前后猫爪支撑结构［4］，前后猫爪分别置于前后轴承座处，前后轴承座都较为笨重，该小型高转速背压式汽轮机采用弹性板支撑结构，前支撑板与前轴承座一起安装于汽轮机前汽缸前端，左右支撑板安装于汽轮机后汽缸的左右（从机头往机尾看，左侧为左，右侧为右）两侧，后轴承座安装于后汽缸后端，整个主机的质量由3 块支撑板分担，具有机组占地面积小、质量轻的特点，汽轮机本体如图1（a）所示。

图1 汽轮机结构模型

1.1 支撑及滑销系统

支撑系统由3 块支撑板及一块后连接板组成，支撑板垂直连接汽轮机汽缸和底盘，起支撑整机的作用，主要承受汽缸重力等向下的载荷，保证汽轮机本体在竖直方向的位置，后连接板水平连接汽轮机汽缸和底盘，保证汽轮机本体在水平方向不摆动，支撑板与后连接板均安装于底盘上。支撑板与汽缸通过螺栓和销连接，螺栓起固定作用，销主要承担连接面之间的剪切力作用［5］，故螺栓和销均需采用高强度合金钢材料。

前支撑板底部具备纵销结构，使汽缸可沿轴向自由膨胀，左右支撑板具备横销结构，使汽缸可沿两侧膨胀，后连接板则完全固定于底盘上，纵销和横销的设计使得汽缸金属能受热自由膨胀，保证了汽缸内各动静部套的对中［6］，避免受热膨胀不均匀发生汽缸变形。汽缸膨胀死点位于纵销和横销延长线的交点处，发生热膨胀时死点位置不变［7］。

1.2 轴系及轴承

机组转速为8 000 r／min，通过速比8 000／3 000 减速齿轮箱连接发电机，汽轮机与减速齿轮箱安装于公共底盘上，汽轮机输出端与齿轮箱高速轴通过挠性联轴器相连，齿轮箱低速轴与发电机通过挠性联轴器相连，汽轮机输出端的振动及轴向热膨胀由挠性联轴器吸收，汽轮机前后轴承分别安装于前后轴承座内，依靠楔形调整垫使轴承对中，前轴承为径向推力联合轴承，主要承受轴向推力及转子重力载荷，后轴承为径向轴承，只承受汽轮机转子重力载荷。

2 现场问题及初步分析

由于现场管道布置不合理，两根进汽管的重力载荷集中压于汽轮机进汽控制阀上方，开始暖管时，受管道重力及热应力作用，汽轮机整体受摆，导致机尾向左偏移，两侧支撑板与汽缸连接处向下移动，同时左支撑板往左弯曲，右支撑板亦往左弯曲，后连接板与底盘连接处往左偏移0.16 mm；开始冲转阶段，由于机组振动过大被迫终止冲转停机检查。

结合机尾偏移及现场冲转阶段振动过大的情况，因偏移量小于缸内汽封间隙0.3 mm，排除缸内动静部件的碰磨问题，因振动发生远低于一阶临界转速且转子无质量不平衡及其他不平衡影响，排除转子结构设计问题，考虑到挠性联轴器能吸收转子轴向热膨胀但无法吸收汽轮机输出端的偏移，初步判断机尾偏移所导致的汽轮机输出端与齿轮箱高速轴不对中是机组冲转时发生振动的根本原因，后连接板与底盘连接处为汽轮机主机末端，最能反映机尾的摆动情况，故设此处为考核点。

3 有限元模型建立及分析求解

3.1 有限元模型建立

由于整体受摆，机尾往左偏移，变形不对称，建模时不剖分为对称的两半，后连接板与底盘连接处为考核点，为简化模型减少计算时间，增加底盘与后连接板接触的部分为建模对象，其余底盘部分可不建模，由于模型相对复杂，为简化计算，需消除对分析结果无关的几何特征，建立以六面体网格为主的有限元模型，根据有限元理论可知，网格大小对变形计算结果影响不大，对应力分析结果影响较大，分析主要获取变形量而非应力分布，对不同部套定义合适大小的Body Sizing 以划分网格，模型网格划分节点2 631 446 个，单元1 681 843 个，如图1（b）所示。

支撑板与接触面之间定义为非对称摩擦接触，为减少目标面向接触面的网格穿透，选择网格大、大面为目标面，选择网格小、小面为目标面，摩擦因数设置为0.15，为减少计算时间，加快收敛速度，接触算法采用增广拉格朗日，固定支撑板的螺栓采用绑定接触。

载荷及边界条件方面，对模型施加重力载荷，螺栓连接处施加螺栓预紧力；在暖管（冷态）条件下：进汽控制阀进口处施加暖管作用力，机组无热膨胀，前支撑板及左右支撑板底部设置为固定约束；在额定工况（热态）条件下：进汽控制阀进口处施加额定工况下进汽管作用力，汽缸内部与外界的蒸汽压差，排汽管作用力，缸体受热带动前支撑板底部往前膨胀4 mm、左右支撑板底部分别往左右膨胀2 mm。

3.2 冷态条件下计算结果及加强措施

整体形变如图2（a）所示，进汽控制阀右侧进口变形最大，呈下弯状态，经初步分析，进汽控制阀进口处为静止状态，无动静碰磨，该处变形过大不会引起机组振动，左右两支撑板均往左侧弯曲，机尾往左偏移，汽轮机呈机尾往左偏移状态，底盘部分（与后连接板连接处）的Y方向形变如图2（b）所示，底盘与后连接板连接部分往左偏移0.145 mm，比现场所测0.16 mm 小15%，综合测量误差及分析过程中未考虑到的其他影响因素，可认为分析结果和现场情况一致，分析结果对指导后续底盘加强有实际意义。

图2 冷态变形计算结果

由图2（a）（b）可判断外界载荷通过后连接板传递到底盘上，底盘与后连接板连接部分刚性不足是机尾发生偏移的主要原因，对底盘部分两侧焊接三角板支撑能增强底盘刚性，抵抗外载荷对机尾的摆动，用同样的方法对加强后的机组进行变形分析，添加三角板支撑后整体变形如图2（c）所示，偏移明显好转，底盘部分（与后连接板连接处）的Y方向变形如图2（d）所示，连接部分往左偏移0.005 mm，体现出与后连接板连接部分底盘刚性对汽轮发电机组抵抗外界扭转载荷的重要作用。三角板加强后的偏移量显著减小，符合挠性联轴器安装标准，机组在冷态条件下各项参数正常，能否满足机组在热态条件下稳定运行仍需进一步分析［8］。

3.3 热态条件下温度场计算

3.2 节中采用了三角板支撑的方式增加底盘刚性，显著改善了机组在冷态条件下尾部往左偏移的问题，而额定工况下汽轮机进排汽温度压力分别为：445 ℃、6.2 MPa，346 ℃、2.1 MPa，汽缸金属受热膨胀较大，热态条件下机组变形需考虑汽缸等部套受热膨胀的问题，而金属受热膨胀与整机温度分布息息相关，为使汽轮发电机组安全稳定运行，需求出整机温度分布［9］，而整机温度分布中最重要的是汽缸温度分布，汽缸温度分布可视为三维稳态热传导问题，其偏微分方程可表示为［10］：

汽缸内高温高压蒸汽与汽缸内壁间发生对流传热，该边界条件为第三类热边界条件，具体体现为定汽缸内蒸汽温度，定表面传热系数，由于每一级蒸汽温度已在热力计算中求出，故只需求出各级蒸汽与汽缸内壁表面传热系数，表面传热系数与蒸汽特性参数、蒸汽流速、转子直径、汽缸内径等相关参数，方程如下［11］：

式中：h为汽缸内壁表面对流传热系数；λ为导热系数；d2为汽缸内径；d1为转子外径；Nu 为努塞尔数；A1和A2均为特征数；Re为雷诺数；Pr为普朗特数。

将上述参数代入方程可得传热系数如表1 所示，汽缸由保温棉包裹，故汽缸外表面视为绝热，汽缸支撑板、后连接板均裸露于空气中，其与空气间的换热系数取经验值，外界环境温度取20 ℃，同时考虑汽缸支架等裸露部分与空气间的辐射换热。

表1 传热系数计算结果

在Workbench 平台上输入表1 中的传热系数，热态条件下汽轮机温度分布如图3 所示，最高温度位于进汽控制阀处，温度沿汽流方向逐渐降低，蒸汽逐级做功使蒸汽内能转化为转子的机械能，蒸汽温度压力逐渐降低［12］。

图3 汽轮机热态条件下温度分布

3.4 热态条件下计算结果

将上述求得的温度分布结果导入到静力分析模型中，实现对热载荷的加载，加强前后连接处底盘的Y 方向变形如图4 所示。加强前冷态和热态的最大偏移量分别是0.145、0.347 mm，加强后冷态和热态的最大偏移量分别是0.005、0.026 mm，对比冷态和热态，说明在热态下机尾往左的偏移量更大，在热态下加强后的偏移量明显小于加强前，说明在冷态和热态下，底盘刚性的加强均能明显提升机组抗摆能力。在热态下，加强后的底盘表面同时出现往左偏移0.025 7 mm和往右偏移0.011 5 mm的情况，且分别出现在左端部和右端部，而底盘中心则往左偏移0.005 mm 左右，与冷态下偏移量一致，究其原因，是热态下金属从中心向两端热膨胀，端部所积累的膨胀量是导致端部比中心变形大的原因［13］，而加强前的底盘表面均呈现往左的偏移且在热膨胀的叠加下偏移量更大。

图4 热态变形计算结果

分析结果表明，热态条件下由于机组受热膨胀，机组往左偏移量增大，但加强后的偏移量0.025 7 mm大部分由金属受热膨胀引起，在设计范围内，不影响机组的安全运行［14］。现场根据分析结果对底盘两侧焊接三角板支撑后机组顺利冲转开机，各项指标正常，本分析手段及处理方案具有实际意义［15］，对弹性板支撑结构汽轮机主机抗摆能力的提升具有指导作用。

4 结束语

本文描述了弹性板支撑小型背压式汽轮机的结构特点，该支撑方式相比传统的猫爪结构有体积小、质量轻的优势，针对汽轮机运行现场出现机组振动过大并整体往左摆的现象，采用ANSYS Workbench 软件分析机尾往左偏移的原因，通过对底盘两侧添加三角板支撑的方式，解决了机尾往左偏移过大的问题；根据第三类边界条件，计算汽缸内各级的传热系数，通过ANSYS Workbench 计算了热态条件下的汽轮机主机和底盘温度场，证明了加强后的底盘在热态和冷态条件下均能增强机组抗摆能力，现场根据分析结果对机组底盘进行加强，汽轮机冲转过程振动在设计范围内并顺利开机。此次现场问题的有效处理对提升弹性板支撑结构汽轮机的抗摆能力和稳定性有重要借鉴意义。