張 晨

(哈爾濱汽輪機廠輔機工程有限公司,黑龍江 哈爾濱 150040)

1 概 述

近年來,越來越多的電廠用戶提出了凝汽器模塊化的發(fā)貨需求,針對這一市場需求,以及凝汽器模塊化設計在零部件發(fā)貨、現場安裝以及提升產品質量上體現出來的諸多優(yōu)勢,現已對絕大多數的出口項目及國內部分重點項目的凝汽器,采用模塊化設計進行發(fā)貨運輸。利用模塊化設計,可使凝汽器的現場安裝周期縮短一半,發(fā)貨的零件數也大幅減少,也避免了運輸過程中零部件的丟失遺漏。

盡管模塊化設計對于大型凝汽器的安裝和質量提供了新思路,但在設計時,不得不面對凝汽器模塊在起吊和運輸過程中的強度問題。模塊受自身重量及某些外力的影響,將會使結構單薄的凝汽器模塊出現嚴重變形和剛度問題,導致在現場安裝時,出現變形過大或結構失效破壞而無法安裝。對于結構復雜的凝汽器模塊,利用相應的工程計算公式,核算模塊的整體強度,已無法滿足模塊的設計要求,必須采用更加先進的分析手段?，F結合實例設計,總體介紹了大型通用有限元軟件MSC.NAST RAN在凝汽器模塊化分析設計中的應用,分析過程包括起吊和運輸中的強度校核,較為直觀地得出起吊裝置和起吊方式的選擇方法,以及模塊在運輸過程中,車輛產生機械振動對模塊強度的具體影響。

2 凝汽器模塊的設計要點

凝汽器模塊的設計需要結合凝汽器自身結構并滿足交通運輸的相關規(guī)定。其中凝汽器上部對應的1個殼體一般分為4個獨立模塊。輸水擴容器以及水室的結構相對獨立,所以可以將它們單獨包裝運輸。凝汽器下部的模塊劃分(見圖1)相對復雜,視凝汽器下部結構尺寸將對應的1個殼體分為管束(2塊或4塊)、熱井(2塊)、殼體頂部(2塊)。各模塊在廠內進行預裝配,并做好邊界記號,在現場組裝時,按凝汽器各模塊及散件的組裝邊界再將凝汽器組裝成整體。

圖1 凝汽器下部模塊劃分

凝汽器模塊劃分完成后,各模塊將以獨立整體的形式進行起吊、運輸、并在現場安裝。然而凝汽器模塊自身的重量、結構尺寸比起散件來都有大幅度的增加,考慮到起吊運輸的安全性,要對凝汽器各模塊進行加固,以提高模塊的剛度,防止出現較大的塑性變形和結構失效破壞。針對各模塊不同的結構,需設計相應的加固方式。圖2為凝汽器管束部分加固支撐示意圖。這種加固方式提高了管束模塊的結構剛度,以限制模塊發(fā)生較大范圍內的尺寸變形。

設計合理的起吊裝置以及正確的起吊方式,才能使凝汽器模塊由工廠安全運送到電廠。起吊裝置的設計以及起吊方式的確定,不僅需要考慮到凝汽器模塊起吊運輸過程中的安全性,還要考慮到起吊時的便利。因此,應盡可能設計出能滿足起吊要求且結構簡潔實用的起吊裝置。

圖2 凝汽器管束部分加固支撐示意圖

3 凝汽器模塊化有限元模擬

3.1 凝汽器模塊起吊過程的有限元分析

針對凝汽器模塊的加固方案和起吊方式,應用大型通用有限元軟件MSC.NASTRAN對凝汽器模塊化方案進行模擬。有限元模型圖見圖3所示。

圖3 凝汽器管束模塊有限元模型

以某出口項目凝汽器管束部分為例,論述有限元法模擬凝汽器模塊起吊過程。

3.1.1 材料常數

選用20℃下線彈性模型;

彈性模量E=21.1×104MPa;

G=8.2×104MPa,ρ=7.82×103kg/m3。

3.1.2 凝汽器上部分析采用的單元

凝汽器管束部分主要由中間隔板、鋼板、加強管和連接板組成,中間隔板、鋼板與加強管之間通過焊接進行連接,加強管之間用連接板焊接在一起。這個鋼板采用四節(jié)點的殼單元(CQUAD4),加強管采用兩節(jié)點的梁單元(CBAR)。(CONM2)加到有限元模型上去,這樣可以正確得到凝汽器每部分的重量和形心位置。

3.1.3 最佳起吊點的選取原則及邊界條件施加

最佳起吊點是在結構的重心上方無限遠處。在計算中,所取的起吊點只是一個可行的起吊點,起吊點的位置應該是一個區(qū)間。

起吊分析主要就是考慮結構在自身重力作用下的變形,所以建模過程中應該重點考慮結構各部分的質量。對于凝汽器有限元簡化后,主要單元就是殼單元、梁單元、點質量單元。對分析的整個有限元結構用MSC.PATRAN自帶的功能求得其重心位置后,在其重心正上方取一點,起吊點與分析結構上的起吊位置連起來即為起吊時鋼索所在的直線,這個點的大致位置根據上述鋼索所在直線與水平方向的夾角來決定。

在模擬起吊過程中邊界條件施加在分析結構的起吊位置上,即要求起吊位置上個節(jié)點位移邊界為零;轉角邊界為自由邊界。

3.1.4 起吊過程有限元分析結果

通過應用MSC.NASTRAN/PAT RAN對凝汽器模塊起吊過程進行計算,其等效應力、位移云圖見圖4所示,各模塊在起吊過程中變形和應力均在允許范圍內。模塊的加固及起吊方式滿足實際起吊與運輸的要求,加固結構合理,起吊方式簡潔。

從計算數據中可以得出,凝汽器管束各部分在起吊時,只要注意起吊點的位置,各部分應力都小于材料的彈性極限,并沒有出現塑性變形,滿足起吊時對材料強度的設計要求,這種起吊方式是可行的。如果對于模塊結構的最大變形量有要求,也可以進行相應的校核。

3.2 凝汽器模塊運輸過程的有限元分析

運輸問題是凝汽器模塊化設計的重要問題,它制約著凝汽器模塊結構尺寸的選取,必須合理解決。以某項目凝汽器上部為例,論述了凝汽器模塊在運輸過程中的研究方法。

3.2.1 運輸過程中車身振動的問題

在運輸過程中,車輛會產生機械振動。這種振動響應與路面初始不平度、車速、車重和車輛輪徑等有關。其中,運輸車輛的振源主要來自道路不平的激勵,另一個對車身振動起重要影響作用的是車速。

當車速v=50 km/h時,車輛分別在A級、B級和C級3種不同路面上的動載曲線如圖5所示。當路面功率譜數G(n0)=250×10-6m2·m-1時,車輛分別在v=30km/h,v=60km/h,v=90km/h,3種車速下的車輪隨機動載的時域特性曲線,如圖6所示。

從圖6中可以清楚地觀察到,隨著車速的增加,車輪的動載荷呈現遞增的趨勢,隨著路面等級的下降,車輪的動載荷明顯的增大。因為車輪的動載荷(即車輛對路面的動態(tài)載荷)與路面對車輛的動態(tài)載荷是一對作用力與反作用力,所以路面對車輛的動態(tài)載荷的時域曲線也如圖6所示,即隨著車速的增加,路面對車輛的動載荷呈現遞增的趨勢,隨著路面等級的下降,路面對車輛的動載荷明顯地增大。此時的載荷越大,車輛的振動將越劇烈。

3.2.2 運輸問題的簡化

由分析可知,路況和車速影響著車輪所受的動載荷,車輪又通過整個車與車載貨體系來影響凝汽器模塊的振動,如果要很詳盡的分析其振動,必先考慮整個體系,然后隔離出凝汽器模塊來進行分析。這樣做幾乎不可能,因此要采用1種簡化的方法。由車的振動引起凝汽器的振動,主要體現在凝汽器在重力方向上加速度的改變?？梢哉J為凝汽器的振動,是通過加上豎直方向的慣性力來實現。凝汽器的振動慣性力加速度分成2種典型情況,單位脈沖和正弦波,如圖7所示。以這2種波形的荷載作為作用于凝汽器模塊的外部載荷,來考慮凝汽器模塊在運輸過程中的主要受力變化。但如需使用這種方法計算更精確的模塊振動與受到沖擊力的情況,則必須對外部荷載參數的給定進行更深入的研究,以便使外部載荷與實際路面情況達到很好的吻合。圖7中的計算結果,是脈沖波與簡諧波的幅值由路況較為惡劣情況給定,簡諧波的頻率與脈沖波的頻寬也相應的選擇了對結構比較危險的參數。

圖7 正弦波和單位脈沖荷載

3.2.3 計算結果

模態(tài)分析可以得到凝汽器振動的各階固有頻率和其相應的振動形式,這可以了解凝汽器在運輸過程中的振動,表1是凝汽器上部模塊的前幾階頻率。

表1 凝汽器上部模塊的前幾階頻率

通過施加典型的正弦波和單位脈沖荷,得到凝汽器上部模塊在2個典型載荷作用下的瞬態(tài)響應結果,見圖8、圖9所示。從圖8、圖9的曲線中可以看出,在2種典型載荷作用下最大應力顯然滿足強度要求,而且剩余裕度比較大,說明在這樣的載荷作用下是安全的。

圖9 正弦波載荷作用下

4 結束語

利用有限元分析軟件,可自動完成凝汽器模塊化分析設計,能模擬模塊的起吊運輸等實際環(huán)節(jié),通過模塊模型的簡化和選擇恰當的邊界條件,可以得到直觀明了的構件應力與變形分析結果,完成模塊設計方案的校核。

[1]曾攀.有限元分析及其應用[M].北京:清華大學出版社,2004.[2]JB4732-95鋼制壓力容器分析設計標準[S].1995.

[3]陸明萬.分析設計中若干重要問題的討論[R].第六屆壓力容器學會年會論文集.2005.10.

[4]MSC.Software.Getting Started With MSC[M].Nastran.