王秀瑾

(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院，上海 200240)

1 問題的提出

汽輪發(fā)電機(jī)組是核電常規(guī)島的核心設(shè)備，其轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)的動(dòng)特性對(duì)整個(gè)機(jī)組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行有著重要影響。而大型汽輪發(fā)電機(jī)組的支撐軸承是轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)的重要組成部分，其軸承動(dòng)剛度(特別是較高轉(zhuǎn)速時(shí)的動(dòng)剛度)對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速影響較大。百萬千瓦級(jí)核電汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子多在超過一階臨界轉(zhuǎn)速的區(qū)域內(nèi)使用，因此，汽輪發(fā)電機(jī)軸承座剛度的好壞直接影響汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子－軸承－基礎(chǔ)這一系統(tǒng)能否安全運(yùn)行［1－3］。隨著設(shè)備安裝和運(yùn)行情況的變化，軸承座剛性也會(huì)有所變化，從而導(dǎo)致汽輪發(fā)電機(jī)軸系的動(dòng)力特性變化。為使轉(zhuǎn)子的工作轉(zhuǎn)速避開臨界轉(zhuǎn)速，往往會(huì)采用改變支承剛性的方法。核電汽輪發(fā)電機(jī)所采用的滑動(dòng)軸承支撐主要分為軸承箱支撐和基座端蓋支撐，也就是軸承箱式落地軸承座和端蓋式軸承座。百萬千瓦級(jí)核電半速機(jī)組汽輪發(fā)電機(jī)采用了端蓋式軸承座，由于端蓋式軸承座承擔(dān)著汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的靜、動(dòng)載荷以及由于傳遞扭矩而帶來的反作用力，可獲得其端蓋式軸承座的剛度特性，研究其轉(zhuǎn)子動(dòng)力特性對(duì)軸承剛度變化的敏感性，對(duì)采用端蓋式軸承座的同類核電汽輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)尤其是動(dòng)特性設(shè)計(jì)是很重要的。

目前，在國(guó)內(nèi)百萬千瓦級(jí)核電半速汽輪發(fā)電機(jī)組軸系動(dòng)特性設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，軸承支撐剛度尤其是汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸承支撐剛度通常采用已有的經(jīng)驗(yàn)值。在工程實(shí)際中，可通過計(jì)算或用模型試驗(yàn)方法研究不同支撐剛性對(duì)于轉(zhuǎn)子振動(dòng)特性的影響，但軸承座模型設(shè)計(jì)、制造和試驗(yàn)需要一定的周期，造成設(shè)計(jì)周期的延長(zhǎng)，而模型試驗(yàn)時(shí)各種原因造成的誤差也不能避免。百萬千瓦級(jí)核電機(jī)組動(dòng)力特性研究系統(tǒng)通常由轉(zhuǎn)子、軸承、軸承座及框架基礎(chǔ)等多個(gè)子結(jié)構(gòu)組成，其中汽輪發(fā)電機(jī)軸承采用端蓋式軸承座。汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)支承邊界模型如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)子支承系統(tǒng)力學(xué)模型

圖1中:kij，cij分別為軸承油膜剛度和阻尼;kp為軸承座支撐剛度;kb為汽輪發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)軸承座位置的支撐剛度。決定軸系動(dòng)態(tài)特性的重要因素之一是轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的支承特性，而支承特性又與軸承的油膜剛度阻尼特性、軸承座及基礎(chǔ)的支撐剛度有關(guān)［4］。軸承油膜動(dòng)剛度阻尼可由專門的分析軟件計(jì)算獲得，軸承支座及基礎(chǔ)的剛度則通常由經(jīng)驗(yàn)值獲得，但經(jīng)驗(yàn)值的準(zhǔn)確性有待于進(jìn)一步研究確認(rèn)。

本文采用國(guó)際通用的大型有限元軟件ANSYS分析了百萬千瓦級(jí)核電半速機(jī)組汽輪發(fā)電機(jī)端蓋式軸承座及其汽輪發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)的剛度［5－7］，獲得了珍貴的軸承座剛度數(shù)值分析結(jié)果。綜合考慮軸承座計(jì)算值和汽輪發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)支撐剛度計(jì)算值，參照汽輪發(fā)電機(jī)軸承支撐剛度經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，本文通過計(jì)算來研究軸承座剛度在一定范圍內(nèi)變化時(shí)對(duì)大型汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速的影響。

2 汽輪發(fā)電機(jī)端蓋式軸承座剛度計(jì)算

百萬千瓦級(jí)核電半速機(jī)組汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸承采用了端蓋式軸承座，本文以該軸承座為研究對(duì)象，運(yùn)用大型有限元分析軟件ANSYS分析了該軸承座的靜剛度和動(dòng)剛度。對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)端蓋式軸承座進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，建立軸承座有限元模型。百萬千瓦級(jí)核電汽輪發(fā)電機(jī)軸承座有限元模型如圖2所示。

圖2 百萬千瓦級(jí)核電汽輪發(fā)電機(jī)軸承座三維有限元模型

由于汽輪發(fā)電機(jī)軸承座為端蓋式，軸承座底部固定，限制了軸承座底板全部自由度?？紤]軸承座上蓋的重量，根據(jù)轉(zhuǎn)子載荷作用下的軸承座位移來計(jì)算軸承座支撐動(dòng)剛度。圖3、圖4分別是汽輪發(fā)電機(jī)端蓋式軸承座有限元模型在上述邊界條件下的靜剛度和動(dòng)剛度計(jì)算用位移分布云圖，軸承座剛度計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 軸承座剛度計(jì)算結(jié)果 GN/m

該軸承座在25Hz時(shí)的動(dòng)剛度和靜剛度差異很小，這是因?yàn)樽饔迷谳S承座的動(dòng)載荷頻率為25Hz，遠(yuǎn)小于軸承座固有頻率;由于受載荷作用的軸承座支撐位置位移不同，計(jì)算的剛度值是一個(gè)范圍。

3 汽輪發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)支撐剛度計(jì)算

由于彈簧隔振基礎(chǔ)可以降低汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響并隔離地震對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)組的影響，以及第一階固有頻率遠(yuǎn)低于核電半速機(jī)的工作頻率，彈簧基礎(chǔ)越來越多地應(yīng)用于核電半速機(jī)組中。彈簧隔振器使汽輪發(fā)電機(jī)平臺(tái)和下面的立柱脫離了動(dòng)力耦合，立柱剛度遠(yuǎn)大于汽輪發(fā)電機(jī)平臺(tái)板橫梁剛度，可直接建立彈簧基礎(chǔ)汽輪發(fā)電機(jī)平臺(tái)板模型?？紤]彈簧的支撐作用，百萬千瓦級(jí)核電半速機(jī)組汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子端蓋式軸承座所在彈簧基礎(chǔ)支撐剛度計(jì)算用位移云圖如圖5所示，負(fù)荷作用下汽輪發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)上各點(diǎn)位移響應(yīng)不同，計(jì)算可得到汽輪發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)剛度值為2．69～4．26GN/m。

為便于比較計(jì)算，軸承座剛度取平均值9．62 GN/m，將汽輪發(fā)電機(jī)端蓋式軸承座的剛度值和所配彈簧基礎(chǔ)橫梁的剛度耦合，得到的軸承總支撐剛

圖5 端蓋式軸承座所在彈簧基礎(chǔ)剛度計(jì)算用位移云圖

度值(此處主要考慮了垂直方向)見表2，經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)也一并列于表2。

表2 汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸承座剛度分析結(jié)果 GN/m

4 軸承座剛度對(duì)軸系臨界轉(zhuǎn)速的影響

決定軸系臨界轉(zhuǎn)速的重要因素之一是轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的支撐特性，而支撐特性除了與軸承的油膜剛度、阻尼特性有關(guān)外，還與軸承座及基礎(chǔ)的支撐動(dòng)剛度有關(guān)［8］。以軸承支撐總剛度經(jīng)驗(yàn)值計(jì)算的汽輪發(fā)電機(jī)臨界轉(zhuǎn)速為參考基準(zhǔn)，基于計(jì)算得出的汽輪發(fā)電機(jī)端蓋式軸承座剛度值及在經(jīng)驗(yàn)值一定范圍內(nèi)變化的汽輪發(fā)電機(jī)軸承座剛度值，分別計(jì)算分析了汽輪發(fā)電機(jī)軸系臨界轉(zhuǎn)速的相對(duì)值，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 軸承支撐剛度變化時(shí)汽輪發(fā)電機(jī)臨界轉(zhuǎn)速的相對(duì)變化量

從表3可以看出，有限元分析得到的軸承座剛度接近經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，其對(duì)軸系臨界轉(zhuǎn)速有一定影響;同時(shí)，汽輪發(fā)電機(jī)臨界轉(zhuǎn)速隨著端蓋軸承支撐剛度增減而相應(yīng)增減。汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子端蓋式軸承座剛度變化時(shí)，汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速有所變化，汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速在軸承座剛度降低時(shí)的相對(duì)變化量較剛度升高時(shí)大，這為汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)特性設(shè)計(jì)提供了重要參考。從安全角度考慮，在滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的前提下，應(yīng)按較高的軸承支撐剛度來設(shè)計(jì)。

5 結(jié)論

(1)軸承支撐剛度對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)動(dòng)特性(特別是臨界轉(zhuǎn)速)有著重要影響，在汽輪發(fā)電機(jī)剛度設(shè)計(jì)之初，精確計(jì)算剛度有助于機(jī)組的安全運(yùn)行。

(2)本文建立的汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子端蓋式軸承座剛度分析有限元模型，是獲得端蓋式軸承座剛度的有益探索。計(jì)算獲得的端蓋式軸承座綜合剛度與經(jīng)驗(yàn)數(shù)值較為接近，軸承支撐剛度精確計(jì)算中需要考慮汽輪發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)彈性。

(3)國(guó)產(chǎn)百萬千瓦級(jí)核電半速機(jī)組汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子端蓋式軸承座變剛度計(jì)算分析表明，端蓋式軸承座剛度變化對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速有一定影響，獲得準(zhǔn)確的軸承支撐剛度十分必要。汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速在軸承座剛度降低時(shí)的相對(duì)變化量較剛度升高時(shí)大，應(yīng)按較大的軸承支撐剛度來設(shè)計(jì)。

(4)本文所采用的有限元方法在工程上有很大的實(shí)用價(jià)值，在滿足實(shí)際工程需要的前提下，對(duì)工程問題進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，以便于分析，符合工程實(shí)踐所要求的合理性、準(zhǔn)確性及方便性原則。百萬千瓦級(jí)核電機(jī)組汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子端蓋式軸承座的剛度計(jì)算研究數(shù)據(jù)難得，但要完全反映同級(jí)核電半速機(jī)組汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子用軸承座支撐邊界規(guī)律，還需同類型重載軸承座有限元模型的完善和實(shí)測(cè)研究數(shù)據(jù)的驗(yàn)證。

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