摘"要：為掌握不同載荷類型作用下不同支撐形式對燃機(jī)轉(zhuǎn)子中心位置和支撐板應(yīng)力的差異性，對某型燃機(jī)后軸承支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，經(jīng)簡化得到徑向支撐和切向支撐對比模型；根據(jù)燃機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況對計(jì)算模型添加約束和載荷，得到轉(zhuǎn)子中心位置和支撐板應(yīng)力分布，通過對比計(jì)算結(jié)果得出兩種支撐形式的差異；實(shí)測長期運(yùn)行后某型燃機(jī)后軸承座相關(guān)參數(shù)，并對結(jié)果進(jìn)行分析。結(jié)果表明：徑向支撐具有較好的支撐剛度，而切向支撐在熱載作用下具有良好的對中性，且支撐板的應(yīng)力水平較低。

關(guān)鍵詞：排氣缸；支撐；燃?xì)廨啓C(jī)；支撐應(yīng)力；對中性

中圖分類號：TK472""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A""文章編號：1671-5276（2024）02-0046-04

Comparative Analysis of GT Exhaust Cylinder in Different Supports

ZHAN Changgeng， ZHENG Jiansheng， YU Peijiong， XU Xiliang， LI Yiman， XIE Jian

（Hangzhou Steam Turbine Co.， Ltd.， Hangzhou 310022，China）

Abstract：In order to understand the difference of gas turbine rotor center and the stress of support plate under the different loads and different support forms， this paper models the gas turbine exhaust cylinder and simplifies it to gain radial support and tangential support models. Constraints and loads are added to the calculation model according to the actual operating conditions of the gas turbine， abtaining the center position of the rotor and the stress distribution of the support plate. The differences between the two support forms are clarified by comparing the calculated results. The parameters of exhaust cylinder bearing seat after long-term operation are measured and their results are analyzed. The results show that the radial support has good support stiffness， and the tangential support can ensure good alignment under thermal load with its plate having low level stress.

Keywords：exhaust cylinder；support；gas turbine；equivalent stress；center alignment

0"引言

在燃?xì)廨啓C(jī)（gas turbine， GT）運(yùn)行中由于轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，其對中性對機(jī)組的運(yùn)行安全影響較大。當(dāng)轉(zhuǎn)子出現(xiàn)不對中時會影響各軸瓦載荷分配并產(chǎn)生軸振［1］。而轉(zhuǎn)子支撐的變形是影響轉(zhuǎn)子對中性的重要因素之一［2］。

燃?xì)廨啓C(jī)有近600℃排氣溫度，而后軸承座暴露在排氣流道內(nèi)。為減小排氣缸內(nèi)后軸承座受排氣溫度的影響，后軸承座均采用支撐板的結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)以切向支撐和徑向支撐兩種方式最為典型。

文獻(xiàn)［3］對某型燃?xì)廨啓C(jī)支撐剛度進(jìn)行研究，明確了動剛度的計(jì)算方法和對轉(zhuǎn)子特性的影響。文獻(xiàn)［4］對切向支撐進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，明確了切向支撐在特定工況下的實(shí)用性。文獻(xiàn)［5］闡述了排氣缸在制造過程中的問題并提出了相關(guān)的改進(jìn)方案。文獻(xiàn)［6］從氣動性能角度對支撐板外護(hù)罩的支撐型線進(jìn)行了研究，明確了支撐板護(hù)罩對燃?xì)廨啓C(jī)性能的重要影響。文獻(xiàn)［7］則對出口漩渦結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，明確了漩渦產(chǎn)生機(jī)理和類型。然而鮮有對燃機(jī)排氣缸兩種典型支撐結(jié)構(gòu)在不同類型載荷下應(yīng)力和應(yīng)變的研究，排氣缸支撐的設(shè)計(jì)選型依據(jù)未明確。因此，對排氣缸不同支撐形式的機(jī)理展開研究具有重要意義，可為后續(xù)排氣缸后支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1"排氣缸結(jié)構(gòu)

燃?xì)廨啓C(jī)排氣缸典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由外缸體、內(nèi)流道和軸承座3大部分構(gòu)成。外缸體和軸承座間由支撐板連接。

不同類型燃?xì)廨啓C(jī)，其支撐板的布置形式存在差異。西屋機(jī)組一般采用切向支撐的形式，而GE機(jī)組則習(xí)慣使用徑向支撐，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2"排氣缸計(jì)算模型

本文以西屋公司某型燃機(jī)排氣缸切向支撐結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，按以下條件建立等效徑向支撐模型：

1）支撐板焊接位置在同一大小節(jié)圓上；

2）支撐板截面變化在同一節(jié)圓保持一致；

3）軸承座及相應(yīng)載荷一致。

因內(nèi)流道與外缸體撓性連接，對支撐結(jié)構(gòu)無影響，故模型中未考慮內(nèi)流道模型（圖3）。排氣缸外缸體和軸承座均采用鑄鋼材料，支撐板采用不銹鋼材料。排氣缸運(yùn)行工況約束包括：

1）水平中分面處受豎直方向的位移約束；

2）底部位置受切向位移約束；

3）沿氣流軸向前垂直法蘭限制軸向位移。

本文主要從靜載和熱載兩方面計(jì)算兩種支撐結(jié)構(gòu)的差異，其中靜載為自身重力和轉(zhuǎn)子載荷；熱載為運(yùn)行工況下缸體的溫度載荷。

3"切向支撐結(jié)構(gòu)

3.1"熱載對支撐影響

不同支撐熱載如圖4所示。

在給定熱載條件下，切向各支撐板頂點(diǎn)位置的位移如表1所示。

表1中y方向表示豎直方向，平均位移-2.33 μm，z方向?yàn)樗椒较?，平均位?1.33μm。表中A點(diǎn)—F點(diǎn)分別表示軸承座逆氣流方向看最左開始順時針6個點(diǎn)。從表1可以看出，在熱載作用下，切向支撐y/z方向變形量在2μm左右，說明切向支撐在熱載作用下自動調(diào)整中心能力較強(qiáng)。軸承座旋轉(zhuǎn)角度大約為0.24°，旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏆饬鞣较蚩错槙r針方向。

從圖5中的等效應(yīng)力和總變形可以看出，支撐板應(yīng)力最大約為110MPa?？傋冃沃型飧资芨邷赜绊懽陨碜冃屋^大，而內(nèi)軸承座整體變形小。

3.2"靜載對支撐影響

根據(jù)實(shí)際工況，不同模型靜載及約束如圖6所示。

切向支撐計(jì)算得到的監(jiān)測點(diǎn)位移數(shù)據(jù)如表2所示。

從表2可以看出，重力場及轉(zhuǎn)子載荷作用下，軸承座中心在該方向發(fā)生了0.3mm的變形，水平方向發(fā)生了62μm的變形。

從圖7等效應(yīng)力可以看出，支撐板應(yīng)力最大在40MPa左右?？傋冃瓮飧鬃冃屋^小，內(nèi)軸承座受轉(zhuǎn)子載荷變形較大。

4"徑向支撐結(jié)構(gòu)

4.1"熱載對支撐影響

徑向熱載作用下（圖4）徑向支撐結(jié)構(gòu)經(jīng)計(jì)算得到的監(jiān)測點(diǎn)位移數(shù)據(jù)如表3所示。

從表3可以看出，在熱載作用下，軸承座在y方向變形為13.5μm，比切向支撐大5倍。

從圖8可以看出，支撐板整體應(yīng)力較大，應(yīng)力值約400～600MPa?？傋冃瓮飧纵^大，內(nèi)軸承座變形較小。

4.2"靜載對支撐影響

根據(jù)軸承座的實(shí)際工況（徑向受載如圖6所示），徑向支撐結(jié)構(gòu)的監(jiān)測點(diǎn)位移數(shù)據(jù)如表4所示。

從表4可以看出，在靜載作用下缸體主要是沿著y方向發(fā)生變形，靜載作用下軸承座中心在該方向發(fā)生了195μm的變形。

從圖9可以看出，支撐板應(yīng)力較小，在40MPa內(nèi)，總變形外缸變形較小，內(nèi)軸承座由于受載荷變形較大。

5"后軸承座實(shí)測數(shù)據(jù)

西屋公司某款燃?xì)廨啓C(jī)長時間運(yùn)行后，現(xiàn)場排氣缸如圖10所示。

為測量軸承座相對缸體發(fā)生的變形情況，在立式機(jī)床上以進(jìn)氣法蘭端面（A基準(zhǔn)）找平，通過排氣缸水平中分面（B基準(zhǔn)）作為零平面，測量排氣缸軸承座兩側(cè)變形，其中沿氣流方向左側(cè)為P，右側(cè)為Q，如圖11所示。

機(jī)床測量數(shù)值如表5所示。數(shù)據(jù)整體呈現(xiàn)為：

1）基于位置3數(shù)據(jù)，軸承座中心下沉量為0.18mm，切向支撐受靜載作用時計(jì)算數(shù)值為0.3mm，長期運(yùn)行后軸承座中心變形在計(jì)算數(shù)值范圍內(nèi)；

2）沿氣流方向，位置4—位置6變形左側(cè)較右側(cè)大出約50μm，呈現(xiàn)沿氣流方向左低右高的狀態(tài)，說明軸承座出現(xiàn)了順氣流方向逆時針旋轉(zhuǎn)的趨勢，與理論分析結(jié)果一致。

6"結(jié)語

經(jīng)上述分析，兩種支撐結(jié)構(gòu)特性總結(jié)如下：

1）在熱載作用下，兩種支撐形式對軸承座的中心影響都在微米級，但切向支撐使得軸承座可以繞著中心旋轉(zhuǎn)，大大降低了支撐板的應(yīng)力，其應(yīng)力僅為徑向支撐的20%；

2）在靜載作用下，因切向支撐數(shù)值方向剛度差，切向支撐徑向位移比徑向支撐大約50%，兩種形式支撐板最大應(yīng)力基本一致；

3）在燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行條件下，靜載引起的支撐板應(yīng)力在40MPa左右，熱載帶來的應(yīng)力水平是靜載的3～15倍；

4）徑向支撐在長期運(yùn)行后，其軸承座水平中分面呈現(xiàn)出與計(jì)算趨勢一致的變形，即軸承座呈現(xiàn)沿氣流方向左低右高的狀態(tài)，且出現(xiàn)中心下沉。

綜上，切向支撐在降低熱載作用下支撐板應(yīng)力和調(diào)整軸承座對中性有較大優(yōu)勢，但受剛度影響對靜載變形抵抗力較弱。徑向支撐則相反，對靜載變形抵抗力較強(qiáng)，但受熱載時不能保證軸承對中性，且支撐板應(yīng)力水平偏高。因此，燃?xì)廨啓C(jī)排氣缸支撐設(shè)計(jì)時，應(yīng)平衡支撐對中性和支撐板應(yīng)力水平，選擇最為合理的支撐形式。

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收稿日期：20221017