轴向排汽凝汽器支座载荷分析

轴向排汽凝汽器支座载荷分析

王 健
（哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，黑龙江 哈尔滨150090）

轴向排汽凝汽器具有流动损失少，结构紧凑、拆装方便等优点，在大型电站汽轮机中具有良好的应用前景。针对轴向凝汽器的轴向载荷引起各支座载荷的影响，结合漕泾项目轴向排汽凝汽器结构特点，通过等效密度方法建立了凝汽器简化模型，计算分析了净重、运行及满水工况下凝汽器各支座载荷，并于设计参数进行了对比。结果表明轴向排汽凝汽器的支座载荷受到运行工况的影响明显，在轴向排汽凝汽器结构设计中需要考虑轴向载荷引起的支座载荷变化。

轴向排汽凝汽器；支座载荷；工况；等效密度

在大型燃煤电站和联合循环电站中，汽轮机凝汽器存在径向和轴向排汽两种排汽方式。径向排汽的汽流从低压缸进入凝汽器过程中存在流动转向，导致低压缸排汽损失，而轴向排汽方式的凝汽器直接在轴向连接低压缸，汽流从低压缸进入凝汽器流动顺畅，能够充分利用低压缸排汽动能，可有效减小排汽的流动损失。此外，轴向排汽方式的机组结构紧凑、拆装检修方便，能够有效降低电站基建成本和工期，相对径向排汽的经济效益优势突出[1]。

轴向排汽凝汽器与低压缸和基础的连接结构需要考虑水平热位移和轴向力[2]。一般轴向排汽凝汽器与低压缸之间通过膨胀节来考虑其热位移的影响[3]。轴向排汽方式中汽轮机低压缸沿轴向直接进入凝汽器，这样的设计方式在运行时会在凝汽器侧板上产生轴向推力。随着汽轮机运行工况的变化，轴向排汽凝汽器受到的轴向力发生变化，进而改变凝汽器各支座载荷，甚至改变部分支座的受力方向。如果在某些工况下轴向排汽凝汽器轴向载荷过大，引起部分凝汽器支座载荷超过连接结构的设计强度，就容易导致凝汽器倾覆的安全事故，因此需要精确掌握轴向凝汽器运行过程中支座载荷分布情况。

本文针对漕泾项目的轴向排汽凝汽器结构，建立了凝汽器结构有限元模型，通过等效密度方法考虑了凝汽器内部换热管、隔板等复杂结构的重力，分别计算了净重、运行及满水等三个工况下凝汽器各座的载荷，并与原设计参数进行了对比，为轴向排汽凝汽器的设计提供参考。

1 漕泾项目轴向排汽凝汽器结构介绍

漕泾项目凝汽器具有5个支座，结构如图1所示。根据设计工况，凝汽器在净重、运行，灌水三种工况下的总重分别为：

① 净重：115 668 kg

②运行重量：201 941 kg

③灌水重量：284 648 kg

④喉部净重：32 000 kg

⑤壳体净重：80 000 kg

⑥满水水重：170 kg

图1 漕泾项目凝汽器结构图和支座分布

在支座载荷核算过程中，为更加准确地反应凝汽器的支座反力分布情况，通过数值方法对凝汽器底部各个支座的载荷情况进行分析，并与漕泾项目凝汽器原设计方（TEI）所提供数据进行对比，以期对轴向排汽凝汽器的设计提供参考。

2 凝汽器有限元建模

漕泾项目凝汽器可分为两部分：（1）凝汽器壳体，包含水室和内部管束结构，即图2中长方体结构；（2）凝汽器喉部以及其内部加强等设备，即图2中梯形台结构。

由于凝汽器设备复杂，在计算凝汽器支座载荷时没有必要严格按照图纸建立凝汽器全模型，所以将对凝汽器结构进行简化处理。凝汽器模型的简化既能保证与原设备重量相符，又有利于进行有限元计算的形式。为此，该凝汽器简化为具有限元简化模型如图2所示。

图2 简化后的凝汽器结构

为了保证与原设备的重量相符，通过调整壳体和喉部的密度进行等效密度的计算。首先计算出净重状态下有限元模型壳体和喉部的质量分别为1 460 508 kg、370 704 kg，密度取 7 850 kg/m3.由第二部分设备参数知道，有限元模型质量为原设备壳体质量80 000 kg和35 668 kg时，求得此时的等效密度见表1.

表1 凝汽器等效密度

3 轴向排汽凝汽器支座载荷分析结果

根据有限元计算结果，可以提取凝汽器各支座在净重、运行及满水工况下的载荷，与设计参数的对比情况如表2所示。

表2 凝汽器各支座载荷结果及与设计工况的对比

从计算结果可以看出：

（1）在净重和灌水工况下，由于只受重力作用，支反力的方向均竖直向上。根据表3的显示对比分析：净重工况，R1、R2支座由于重心向喉部偏移，受喉部力矩影响，这两个支座的支反力相对其他支座反力较小，与原设计数据对比偏差较大；运行工况与满水工况，其分析结果与原设方数据更为接近。

（2）运行时凝汽器内部真空，侧板受大气压强作用，对凝汽器轴向产生一个水平的推力，导致运行时R1、R2两支座的反力由压力变为拉力。并且由于R5为死点固定，所以在此支座位置上会产生一个水平方向的分力，用来平衡水平的大气压力。

4 结论

轴向排汽凝汽器运行中会产生一个较大轴向推力，造成凝汽器一侧有抬起趋势。如果推力过大，地脚螺栓不牢固将有侧翻危险。通过建立简化模型对漕泾凝汽器底部支反力的计算表明，支座反力的趋势与设计数据有所差别，但支座载荷方向、趋势吻合，能够更精确反映凝汽器在净重、运行和灌水三种工况下的支座反力情况，为轴向排汽凝汽器的设计提供参考。本文的分析设计方法已应用到后续轴向排汽凝汽器的设计工作中。

[1]李万军.一种轴向排汽低压缸的研制[J].装备制造技术，2015（5）：239-240.

[2]吴春燕，李海红.西门子燃气-蒸汽联合循环机组轴向排汽凝汽器的特点[J].电站辅机，2006，12（4）：18-21.

[3]方 韦.轴向凝汽器膨胀节的分析研究[J].电站辅机，2016，37（3）：18-20.

Analysis of the Support Load of an Axial Exhaust Condenser

WANG Jian
（Harbin Turbine Company Limited，Harbin Heilongjiang 150090，China）

With the advantage of low flow loss，compact structure and the convenience of assembly and dismounting，the axial exhaust condenser has a good application prospect in huge power stations.In order to study the influence of the axial force of axial exhaust condenser on the support load distribution，this paper considered the structure of the axial exhaust condenser in caojing power station，a simplified model of condenser was established based on equivalent density，the support load was calculated under net weight，working condition and full water，the results were compared with the design date.Results show that the influence of working condition on the support load is obvious，and the variation of support load due to axial load of condenser should be considered in the design of axial exhaust condenser.

axial exhaust condenser；support load；work condition；equivalent density

TK264.11

A

1672-545X（2017）08-0043-03