Одной из причин возникновения затруднѐнных тепловых перемещений выносных корпусов подшипников паровых турбин является разность температур фланца горизонтального разъѐма цилиндра турбины слева и справа (температурный перекос). В результате неравномерного прогрева возникают различные тепловые деформации сторон цилиндра и одна сторона цилиндра становится длиннее другой. Это приводит к смещению относительно друг друга, в проекции на ось турбины, элементов поперечных шпоночных соединений с корпусом подшипников, выполненных на лапах цилиндра (поперечных пазов или выступов). Такое смещение приводит к несимметричной передаче осевого усилия на корпус подшипника. Несимметричность усилий создаѐт крутящий момент, действующий на корпус подшипника в горизонтальной плоскости и который поворачивает его. Свободному повороту корпуса подшипника на фундаментной раме препятствуют направляющие («продольные шпонки»), жѐстко закреплѐнные на фундаментной раме. В результате взаимодействия боковых поверхностей паза в подошве корпуса подшипника и направляющих, возникают сминающие силы в местах контакта и дополнительные силы трения, вызывающие дополнительную закрутку ригеля, которая приводит к расцентровке валопровода и увеличению вибрации опор валопровода [1, с. 549].

Для исследования взаимодействия элементов системы тепловых расширений при возникновении температурного перекоса была разработана модель, для выполнения анализа методом конечных элементов.

В качестве объекта исследования, при построении модели, рассматривалась система, состоящая из двух цилиндров турбины (условно, цилиндра высокого и низкого давления) и двух корпусов подшипников. Схема модели представлена на Рисунке 1.

Части модели взаимодействуют друг с другом при помощи сочленений, имитирующих поперечные и вертикальные шпонки. Основные геометрические размеры всех частей были приняты близкими к габаритам ЦВД и ЦСД турбин типа Т-100/120-130 производства ПО ТМЗ. Во всех элементах сочленения зазоры были приняты равными 0,05 мм [2, с. 152]

Разбиение предложенной модели на конечные элементы представлено на Рисунке 2

Рассматривалась плоская расчѐтная модель. Для моделирования реальных упругих характеристик корпусов подшипников, свойства их материала были подобраны так, чтобы жѐсткость сочленения «цилиндр — корпус подшипника» («поперечной шпонки») соответствовала ранее полученным экспериментальным данным. Цилиндры и продольные шпонки принимались абсолютно жѐсткими. Цилиндры и корпуса подшипников могут свободно перемещаться в горизонтальной плоскости, весовая нагрузка отсутствует. Продольные шпонки жѐстко зафиксированы на плоскости. Для упрощения модели продольные шпонки под выносными корпусами подшипников были заданы не разбитыми на две части, как это имеет место в реальности, а цельными. Также жѐстко зафиксирована сторона цилиндра 2 со стороны генератора, моделируя фикс-пункт турбины.

В качестве нагрузки, действующей на систему, была задана неравномерная температура поперѐк оси цилиндра 1, которая приводила к его неравномерным тепловым деформациям. Температура линейно менялась от одной стороны  цилиндра к другой.  Моделировались температурные  деформации системы при постепенном увеличении градиента температуры от 0 до 50 градусов. Большая температура задавалась с правой стороны цилиндра 1, если смотреть со стороны корпуса переднего подшипника. Первоначальное взаимное положение цилиндров и корпусов подшипников было принято аналогичным положению, возникающему при равномерном прогреве цилиндров, т.е. зазоры в поперечных шпонках со стороны цилиндров отсутствуют.

Целью исследования было решение контактной задачи для определения очерѐдности и условий начала контактов в сочленениях, а также усилий возникающих на продольных шпонках при температурном перекосе первого цилиндра.

В результате моделирования установлено, что контакты между частями модели изменялись в порядке, приведѐнном на Рисунке 3.

В Табл.1 представлены значения температурного перекоса, при котором возникал или исчезал контакт в элементах шпоночных соединений

Таблица 1 Порядок изменения точек контакта в шпоночных соединениях

№ точки	Температурный перекос, град С	Примечание
1	0	Постоянный контакт
2	0	Постоянный контакт
3	>0	Контакт исчезает сразу при появлении перекоса
4	≤ 1,1	Контакт исчезает при увеличении температурного перекоса
5	1,1
6	2,5
7	3,3
8	4,6
9	7,1	В диапазоне от 7,1 до 8,7 происходит смена касания
10	9,5

В ходе моделирования установлено, что контакты в точках 1 и 2 присутствуют постоянно. Сразу после появления температурного перекоса исчезает контакт в точке 3. При величине температурного перекоса в 1,1 градуса возникает контакт на вертикальной шпонке между первым цилиндром и корпусом переднего подшипника и исчезает контакт на левой поперечной шпонке со стороны цилиндра. Первый контакт на продольных шпонках возникает при температурном перекосе в 2,5 градуса. Наблюдается одностороннее касание в точке 6. При увеличении величины температурного перекоса до 3,3 градуса вновь появляется контакт на левой поперечной шпонке, но уже с противоположной стороны. При величине температурного перекоса 4,6 градуса появляется контакт в точке 8, на левой задней поперечной шпонке. Двусторонний контакт на продольной шпонке под передним корпусом подшипника возникает при величине перекоса в 9,5 градуса, т.е. можно утверждать, что значимых дополнительных сил трения на корпусе переднего подшипника при величине температурного перекоса до 10 градусов не возникает.

Предложенная модель позволила определить силы, действующие на продольные шпонки со стороны корпуса подшипника  при различных значениях температурного перекоса, а также суммарную  силу трения, возникающую на поверхностях сопряжения корпуса подшипников и продольных шпонок с увеличением температурного перекоса. Сила трения на этих поверхностях определялась как сумма значений сил, действующих на продольную шпонку со стороны корпуса подшипника, умноженная на коэффициент трения, величина которого принята равной 0,3. Диаграмма изменения вышеупомянутых сил в зависимости от величины температурного перекоса представлена на Рисунке 4.

Анализ полученных результатов показал, что при температурном перекосе 10 градусов дополнительная, не учтѐнная при проектировании фундамента, сила трения, действующая на продольную шпонку, составляет около 28,7 кН (2 927 кгс). При величине перекоса в 20 градусов сила трения составляет 170 кН (17 335 кгс), что сопоставимо с расчѐтной горизонтальной нагрузкой 23 тонны на фундаментную раму под корпусом переднего подшипника, указанной заводом-изготовителем в задании на фундамент. После установления контакта в точках касания сила трения растѐт прямо пропорционально величине температурной неравномерности (перекоса).

Представленная модель позволяет при возникновении температурного перекоса на фланцах цилиндров, в зависимости от геометрических размеров цилиндров и величин зазоров в сопряжениях системы тепловых расширений, получать следующие результаты:

1.     Определять моменты и места начала контактного взаимодействия элементов системы тепловых расширений паровой турбины.

2.     Оценить величину дополнительных нерасчѐтных сил трения возникающих между фундаментной рамой и корпусом подшипников при возникновении температурного перекоса на фланцах цилиндров.

В рамках исследовательской работы составлена программа и разработана методика, позволяющая в короткие сроки подготовить расчѐтную модель для других паровых турбин.

 

Список литературы

1.     Трухний А.Д. Стационарные паровые турбины. М: Энергоатомиздат, 1990.

2.     Е.И. Бененсон, Л.С. Иоффе; Под ред. Д.П. Бузина. Теплофикационные  паровые турбины.  –М.: Энергоатомиздат, 1986 г.