李 德，彭麗媛，陳玄鵬，王 帆，張 健

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040)

0 引言

護(hù)環(huán)作為汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子外徑最大的部件，熱套安裝于轉(zhuǎn)子端部，起著穩(wěn)定、支撐、防止轉(zhuǎn)子繞組端部變形和移位的作用。汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子高速運轉(zhuǎn)過程中，護(hù)環(huán)既承受自身及端部繞組的高速離心載荷作用，又承受與轉(zhuǎn)軸本體端部過盈配合載荷的作用，故對護(hù)環(huán)作剛強(qiáng)度評估是汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計必需項之一。

護(hù)環(huán)熱套安裝于轉(zhuǎn)軸本體端部，加之轉(zhuǎn)軸大齒、小齒接觸剛度差異等原因，使得轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)跳動行為復(fù)雜且難以理解，一直為工程師們所困擾。查閱現(xiàn)有文獻(xiàn)資料表明，護(hù)環(huán)剛強(qiáng)度設(shè)計所采用的主流方法是有限單元法，通過有限元方法對護(hù)環(huán)剛強(qiáng)度進(jìn)行二維或三維的仿真分析。但一般側(cè)重于護(hù)環(huán)二維空間維度的強(qiáng)度設(shè)計問題，僅文獻(xiàn)[1]建立了1/4部分轉(zhuǎn)軸-護(hù)環(huán)-中心環(huán)三維模型分析了護(hù)環(huán)過盈裝配后的變形呈現(xiàn)類圓形分布的特點。文獻(xiàn)[2]揭示了兩極汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸跳動由于極心、極間慣性矩差異表現(xiàn)出45°夾角位置最為顯著的特點。

考慮到有限元仿真技術(shù)有效、直觀、生動的優(yōu)勢，本文采用ANSYS Workbench有限元軟件對兩極汽輪發(fā)電機(jī)護(hù)環(huán)在靜止、額定、超速工況下變形行為進(jìn)行了分析，并進(jìn)一步研究了轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)跳動分布規(guī)律。

1 靜止、額定、超速三種工況下的護(hù)環(huán)變形

本節(jié)對兩極汽輪發(fā)電機(jī)護(hù)環(huán)在靜止、額定、超速工況下的變形行為進(jìn)行了研究，建立了某一機(jī)型轉(zhuǎn)軸-護(hù)環(huán)-中心環(huán)三維裝配及有限元模型，見圖1～圖3。轉(zhuǎn)子采用懸掛式護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)，護(hù)環(huán)的一端熱套在轉(zhuǎn)子本體上，另一端則熱套在懸掛的中心環(huán)上，對端部繞組等結(jié)構(gòu)進(jìn)行防護(hù)。護(hù)環(huán)與轉(zhuǎn)軸間的過盈緊量通過ANSYS Workbench非線性接觸設(shè)定實現(xiàn)。機(jī)組額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，超速轉(zhuǎn)速為3 600 r/min，轉(zhuǎn)子端部繞組結(jié)構(gòu)件等效為離心壓力載荷施加在護(hù)環(huán)內(nèi)表面，在汽端、勵端軸徑位置施加固定約束。提取汽端、勵端護(hù)環(huán)內(nèi)側(cè)(靠近本體一側(cè))、中間、外側(cè)(靠近中心環(huán)一側(cè))三個部位的徑向變形(單位：mm)，分析其變形特點，見圖4～圖7。圖中，垂直軸為極中心線位置，水平軸則為極間中心線位置。

圖1 轉(zhuǎn)軸-護(hù)環(huán)-中心環(huán)剖面圖

圖2 轉(zhuǎn)軸-護(hù)環(huán)-中心環(huán)三維裝配模型示意(1/4顯示)

圖3 轉(zhuǎn)軸-護(hù)環(huán)-中心環(huán)三維有限元模型

圖4顯示了靜止、額定、超速三種工況下的汽端護(hù)環(huán)內(nèi)側(cè)、中部、外側(cè)徑向變形分布。由圖可見，徑向變形整體呈現(xiàn)出類橢圓分布的特點。極心大齒位置變形最大，極間位置則最小，其中靜止工況下變形在極心、極間之間出現(xiàn)波動，額定工況下變形接近橢圓分布，超速工況變形沿圓周方向則進(jìn)一步變得均勻。勵端護(hù)環(huán)變形規(guī)律與汽端基本一致(見圖5)。顯而易見上述這種變形分布特點對于采用二維軸對稱有限元模型是難以揭示及表征出來的，也體現(xiàn)出采用三維模型進(jìn)行有限元仿真的優(yōu)勢所在。圖6和圖7則表明護(hù)環(huán)沿軸向呈現(xiàn)出中間低、兩側(cè)高的馬鞍形狀，且隨轉(zhuǎn)速升高，內(nèi)側(cè)、中部、外側(cè)護(hù)環(huán)間變形差逐步削弱，與圖4、圖5規(guī)律吻合。

圖4 汽端護(hù)環(huán)內(nèi)側(cè)、中部、外側(cè)徑向變形分布

圖5 勵端護(hù)環(huán)內(nèi)側(cè)、中部、外側(cè)徑向變形分布

圖6 汽端護(hù)環(huán)徑向變形沿軸向分布

圖7 勵端護(hù)環(huán)徑向變形沿軸向分布

上述護(hù)環(huán)變形行為產(chǎn)生的機(jī)理主要在于兩極汽輪發(fā)電機(jī)懸掛式護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)特點所致。懸掛式護(hù)環(huán)類似一個圓筒狀結(jié)構(gòu)，其內(nèi)側(cè)熱套固定于轉(zhuǎn)軸本體端部齒所在配合面，外側(cè)則熱套固定于中心環(huán)上，中間部位則處于相對自由的狀態(tài)。同時，本體周向分布的大齒、小齒自身剛度具有較大差異，而中心環(huán)圓周方向的剛度則十分均勻，從而使得護(hù)環(huán)變形規(guī)律呈現(xiàn)出上述特點。

2 護(hù)環(huán)跳動現(xiàn)象及分析

由于測量跳動時，汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子處于低速盤車旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，故可按靜止工況模擬護(hù)環(huán)的徑向變形?；诮⒌淖o(hù)環(huán)三維有限元模型，以極間中心線為測量起點，通過改變重力加速度方向?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，并提取與重力方向垂直向的變形作為跳動測量表計的測點數(shù)據(jù)從而實現(xiàn)了對護(hù)環(huán)旋轉(zhuǎn)一周的徑向圓跳動行為進(jìn)行分析。此分析方法為關(guān)注及從事兩極汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)跳動分析的工程師提供了參考思路。

汽端、勵端護(hù)環(huán)內(nèi)側(cè)、中部、外側(cè)徑向變形(單位：絲或道)規(guī)律見圖8及圖9。由圖可見，護(hù)環(huán)跳動對極心、極間呈對稱關(guān)系，汽端、勵端規(guī)律基本一致，周向跳動呈現(xiàn)類橢圓分布的特點，內(nèi)側(cè)跳動值最大、外側(cè)次之，中間則最低。內(nèi)側(cè)護(hù)環(huán)跳動最小值位于極間偏極心15°的位置，最大值位于極間偏極心75°的位置；中間部位護(hù)環(huán)跳動最小值位于極間，為負(fù)值，表明此位置護(hù)環(huán)處于向內(nèi)凹陷的狀態(tài)，最大值位于極心，為正值，圓周跳動由負(fù)至正過渡變化；外側(cè)護(hù)環(huán)跳動最小值位于極間，最大值位于極心，整體分布呈橢圓形，再次證明中心環(huán)側(cè)的剛度分布均勻，使得外側(cè)護(hù)環(huán)跳動表現(xiàn)出較為規(guī)矩的橢圓形分布特點。

圖8 汽端護(hù)環(huán)跳動分布

圖9 勵端護(hù)環(huán)跳動分布

綜合上述內(nèi)容可知，汽輪發(fā)電機(jī)護(hù)環(huán)跳動測量接近于靜態(tài)工況，難以表征實際運行工況下(即額定轉(zhuǎn)速下)的護(hù)環(huán)變形狀態(tài)。但是，根據(jù)跳動測量數(shù)據(jù)可以有效判定護(hù)環(huán)套裝后是否偏心(跳動分布對極中心線、極間中心線的對稱程度)。

3 結(jié)論

本文建立了兩極汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸-護(hù)環(huán)-中心環(huán)三維有限元模型，采用ANSYS Workbench對靜止、額定、超速三種工況下的護(hù)環(huán)變形規(guī)律進(jìn)行了仿真分析，并進(jìn)一步分析了護(hù)環(huán)徑向跳動規(guī)律。研究表明：轉(zhuǎn)軸大齒、小齒剛度差異，轉(zhuǎn)子極心、極間慣性矩差異使得護(hù)環(huán)跳動呈現(xiàn)出類橢圓并與極心、極間對稱分布的特點。由于懸掛式護(hù)環(huán)自身結(jié)構(gòu)特點，不同部位的跳動規(guī)律又有其各自特點；護(hù)環(huán)跳動測量雖難以表征轉(zhuǎn)子高速運轉(zhuǎn)狀態(tài)，但仍可有效作為護(hù)環(huán)套裝質(zhì)量優(yōu)劣的重要判定依據(jù)。這對于評估兩極汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的可靠、穩(wěn)定運行具有重要參考價值，對于工程師們理解護(hù)環(huán)跳動行為具有重要指導(dǎo)意義。