徐國(guó)林等

摘 要：汽輪機(jī)高中壓缸是汽輪機(jī)承受高溫、高壓蒸汽的關(guān)鍵部件，由于機(jī)組功能及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要，高、中壓進(jìn)汽管、抽汽管、高、中壓排汽管成了汽缸設(shè)計(jì)不可或缺的部分，本文簡(jiǎn)要介紹了接管結(jié)構(gòu)開口補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算方法及接管結(jié)構(gòu)開口補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算方法在汽輪機(jī)高中壓缸設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī)；高中壓缸；接管結(jié)構(gòu)；開口補(bǔ)強(qiáng)

引言

汽輪機(jī)汽缸主要承受壓力和溫度沿軸向變化的蒸汽的作用力，同時(shí)承受本身自重及其內(nèi)部零部件的作用力，以及承受外部管道等作用在其上的力和力矩；同時(shí)因溫度分布因素造成的熱應(yīng)力和變形。在汽缸上開口連接高、中壓進(jìn)汽管、抽汽管、高、中壓排汽管時(shí)，必須采用加厚材料進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)。從而達(dá)到降低局部應(yīng)力水平的效果，滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度的要求。本文通過汽缸設(shè)計(jì)中幾種常用接管結(jié)構(gòu)開口補(bǔ)強(qiáng)形式，簡(jiǎn)單介紹開口補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算方法。

圖1接管與汽缸結(jié)構(gòu)圖

1.徑向接管所有平面的加厚量計(jì)算方法

1.1僅受壓力負(fù)荷的接管及參數(shù)限制要求

d/D≦0.37和d/D×（D/T）0.5≦1.2a

1.1.1接管全加厚

An=0.75d×Tr

1.1.2汽缸全加厚

Ac=d×Tr

1.1.3汽缸和接管都加厚

1.33 An+ Ac= d×Tr

1.2承受壓力負(fù)荷和外力負(fù)荷的接管以及不滿足第一節(jié)中1參數(shù)限制的接管

An+ Ac= d×Tr

式中：

d—接管內(nèi)徑；

D—汽缸內(nèi)徑；

T—汽缸壁厚；

An—接管上的加厚面積 ；

Tr—要求的最小汽缸厚度；

Ac—汽缸上的加厚面積；

t—接管壁厚；

2.傾斜接管的加厚量

2.1 30°角以下的旁側(cè)接管（圖2）。需要的加厚量和徑向接管相同。

2.2 30°角以上的旁側(cè)接管和各種側(cè)向傾斜的接管

An+ Ac= da×Tr

圖2

式中：

An—接管上的加厚面積 ；

Ac—汽缸上的加厚面積；

da—傾斜接管在汽缸任一平面內(nèi)橫跨開口的距離

Tr—要求的最小汽缸厚度；

3.圓角半徑以及加厚部分和壓力容器之間的過渡區(qū)

3.1接管和汽缸之間外表面圓角半徑

ro=（d×t）0.5或T?/2之較大者

3.2內(nèi)表面圓角半徑

T?/8≦ri≦T?/2

半徑ri不能超出上述范圍，因?yàn)樗鼤?huì)使開口擴(kuò)大，從而使最大應(yīng)力增加。如果ri﹥T?/2，汽缸或接管要在外側(cè)面額外加厚。

3.3從加厚部分到正常接管或者到汽缸的過渡區(qū)厚度變化不要大于 1：3斜度。

3.4除上述之外，除小于30°角的旁側(cè)接管外，要去掉傾斜接管上的尖銳的內(nèi)壁角，在接管外壁上，必須額外加厚以補(bǔ)償較大的開口，尖角可以倒圓或垂直于汽缸去除。

式中：ro—接管和汽缸之間外表面圓角半徑

ri—和汽缸之間內(nèi)表面圓角半徑

d—接管內(nèi)徑；

t—接管壁厚；

T?—加厚區(qū)域處的汽缸厚度

4.加厚尺寸的允許極限（見圖3）

4.1從汽缸外表面測(cè)量的接管加厚極限

Ln=0.5[ro+（rm×t?）0.5]

4.2從接管內(nèi)壁測(cè)量的汽缸加厚極限

Lc 最小值T?

Lc 最大值為d/2或1.25（Rm×T?）0.5的較小值。

圖3

式中：Ln—接管加厚極限

d—接管內(nèi)徑；

D—汽缸內(nèi)徑；

t?—加厚區(qū)域處的接管厚度

T?—加厚區(qū)域處的汽缸厚度

rm—r+t/2

Rm—R+T/2

r—d/2

R—D/2

5.由內(nèi)壓引起的管組內(nèi)的最大應(yīng)力集中

最大應(yīng)力產(chǎn)生于圖4中的B點(diǎn)處，這是由于在原始周向負(fù)荷之外，還要附加一個(gè)作用于面積F上的負(fù)荷，而該負(fù)荷必須分配在與拐角相鄰的區(qū)域內(nèi)。如果長(zhǎng)度Lb和Lm等厚度，可采用下示公式。對(duì)于錐形截面，可取R和T的平均值。兩種截面（例如，一為等厚度，另一為變厚度）可按下式合成：

Lb，m=a1（R1×T1）0.5+ a2（R2×T2）0.5

a1+a2=0.4

Lb=0.4（r×t）0.5

Lm取2/3×r和0.4（R×T）0.5二者的較小值

K=1.32G×T/（G1×R），但不小于2.1

圖4

該應(yīng)力集中系數(shù)K是按汽缸中的額定的周向負(fù)荷來給定的，只要內(nèi)外拐角半徑處于本文所設(shè)定的范圍內(nèi)，那么它們對(duì)K就沒有明顯的影響。

6.熱應(yīng)力的考慮

在啟動(dòng)和負(fù)荷變化期間，在接管周圍會(huì)產(chǎn)生溫度梯度。為了減小熱應(yīng)力，接管處應(yīng)當(dāng)有一定的為減少接管與汽缸間厚度的變化的補(bǔ)強(qiáng)。在接管和汽缸上的這一補(bǔ)強(qiáng)應(yīng)當(dāng)取壁厚均勻增加的形式。并且避免在接管處產(chǎn)生尖銳拐角或凸起。

7.結(jié)束語

高、中壓進(jìn)汽管、抽汽管、高、中壓排汽管是汽缸設(shè)計(jì)不可避免的部分，在汽缸上開口連接高、中壓進(jìn)汽管、抽汽管、高、中壓排汽管時(shí)，必須采用加厚材料進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)。由于采用大型有限元軟件設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，耗時(shí)較多，在汽缸非關(guān)鍵性部位應(yīng)用接管結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)的簡(jiǎn)易算法，將更適用于短周期項(xiàng)目汽輪機(jī)高中壓缸的設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]盧沛鎏. 編譯，《汽輪機(jī)強(qiáng)度》.

[2]吳厚鈺.主編《透平零件結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度計(jì)算》.

[3]ASME 鍋爐及壓力容器委員會(huì)壓力容器分委員會(huì).主編《高壓容器建造規(guī)則》.

[4]鄧肖明.《壓力容器開孔等面積補(bǔ)強(qiáng)簡(jiǎn)易判斷法》.

作者簡(jiǎn)介：徐國(guó)林（1981-），男，工程碩士在讀，工程師，主要從事汽輪機(jī)本體結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。