陳鐵寧，饒真炎，劉金芳，章艷，張明，嚴(yán)立新

（東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽(yáng)，618000）

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東方660 MW超超臨界二次再熱汽輪機(jī)高中壓外缸強(qiáng)度分析

陳鐵寧，饒真炎，劉金芳，章艷，張明，嚴(yán)立新

（東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽(yáng)，618000）

摘要：汽輪機(jī)高中壓外汽缸的設(shè)計(jì)、整體結(jié)構(gòu)要保證有足夠的強(qiáng)度、剛性及法蘭中分面的密封性。文章采用三維彈性接觸理論，建立東方660 MW二次再熱汽輪機(jī)高中壓外缸的有限元模型，進(jìn)行溫度場(chǎng)、熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力及變形仿真分析，為汽缸的安全可靠性評(píng)定提供了技術(shù)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：超超臨界，二次再熱，高中壓外缸，強(qiáng)度，有限元

0 引言

東方660 MW超超臨界二次再熱汽輪機(jī)蒸汽參數(shù)為31 MPa/600℃/620℃/620℃，總體技術(shù)特點(diǎn)為單軸、兩次中間再熱、四缸四排汽、沖動(dòng)式、凝汽式汽輪機(jī)?？傮w4個(gè)模塊分別為超高壓缸、高中壓合缸以及2個(gè)低壓模塊。新蒸汽經(jīng)超高壓缸做功后經(jīng)一次再熱進(jìn)入高壓缸做功，再經(jīng)過(guò)二次再熱后進(jìn)入中壓缸，做功后進(jìn)入雙流低壓缸，最終進(jìn)入凝汽器。

其中，高中壓外缸是機(jī)組中最大、最復(fù)雜的靜止部件之一，在高溫高壓條件下工作，承受著缸內(nèi)蒸汽沿軸向變化的壓力差、外缸自重和缸內(nèi)部件重量以及進(jìn)排汽等管道傳遞的力與力矩。安源660 MW二次再熱汽輪機(jī)高中壓缸采用合缸技術(shù)能較好地改善缸內(nèi)溫度場(chǎng)分布，但同時(shí)汽缸進(jìn)排汽及抽汽口數(shù)量較多，再加上主管道推力及力矩較大，設(shè)計(jì)難度較大。

本文采用非線性接觸理論對(duì)東方660 MW超超臨界二次再熱汽輪機(jī)高中壓外缸變形、應(yīng)力等進(jìn)行分析，為指導(dǎo)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供了理論依據(jù)。

1 汽缸簡(jiǎn)介及有限元分析模型

東方660 MW超超臨界二次再熱汽輪機(jī)高中壓缸采用雙層缸結(jié)構(gòu)，高中壓外缸由上、下兩半缸體組成，中分面法蘭位置布置有把緊螺栓，其內(nèi)布置有高中壓內(nèi)缸、高壓隔板套、中壓隔板套，外缸貓爪采用下貓爪支撐，如圖1所示。圖1（b）中溫度測(cè)點(diǎn)1為中壓缸側(cè)外缸內(nèi)、外壁溫度測(cè)點(diǎn)，溫度測(cè)點(diǎn)2為高壓缸側(cè)外缸內(nèi)、外壁溫度測(cè)點(diǎn)。

圖1　東方660 MW二次再熱汽輪機(jī)高中壓缸三維模型

汽缸一般不是整圓筒，而是一個(gè)有中分面法蘭、端壁、進(jìn)汽、排汽、抽汽管及貓爪等組成的殼體結(jié)構(gòu)。高中壓外缸的熱應(yīng)力、熱變形分析是汽缸強(qiáng)度和剛性分析的基礎(chǔ)，以下將從溫度場(chǎng)和彈性接觸理論兩方面綜合建立高壓缸三維熱彈性接觸有限元模型，從而分析汽缸強(qiáng)度、剛性。

1.1 汽缸溫度場(chǎng)及溫度載荷理論分析

穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)方程有限元矩陣格式為：

汽缸上、下半部分在螺栓緊力的作用下，通過(guò)中分面接觸。由于中分面加工粗糙度高，接觸緊密，從而保證了良好的熱傳導(dǎo)性。在計(jì)算時(shí)應(yīng)取合適的接觸熱傳導(dǎo)系數(shù)，以模擬中分面的良好傳熱。

求解出汽缸的溫度場(chǎng)分布后，相應(yīng)的熱應(yīng)力計(jì)算公式為：

1.2 汽缸三維接觸有限元方程的建立

螺栓與法蘭在緊力作用下接觸，當(dāng)汽缸溫度變化時(shí)，螺母與法蘭的接觸熱傳導(dǎo)和螺孔壁對(duì)螺柱的熱輻射使螺栓的溫度發(fā)生變化，從而導(dǎo)致螺栓的長(zhǎng)度改變，螺母與法蘭的接觸狀態(tài)也隨之變化。故汽缸中分面和螺栓與法蘭的連接必須按接觸處理，即三維的面與面的接觸。對(duì)于由汽缸上、下半和緊固螺栓組成的系統(tǒng)，根據(jù)虛功原理可推導(dǎo)出靜力分析的剛度方程為：

式中：[K]是整體剛度矩陣；{u}是節(jié)點(diǎn)位移向量；{P}是整體外載荷向量；{C}是整體接觸力向量。在式（5）中[K]、{P}均是已知的，{u}是基本未知數(shù)，由于{C}也是未知的，所以方程無(wú)法求解。在計(jì)算接觸問(wèn)題時(shí)還須保證接觸的物體間在接觸邊界上變形的協(xié)調(diào)性。

要求解式（5），先假定接觸點(diǎn)對(duì)的接觸狀態(tài)，根據(jù)接觸條件求解方程。利用求出的節(jié)點(diǎn)位移，再利用求節(jié)點(diǎn)力的方式求解出接觸力向量，然后根據(jù)接觸點(diǎn)對(duì)上的位移和接觸力向量，依次按接觸判定條件判定每個(gè)接觸點(diǎn)對(duì)接觸狀態(tài)是否和假定接觸狀態(tài)相符，如不符則重新修改接觸狀態(tài)，重新把接觸定解條件代人式（5）計(jì)算，經(jīng)反復(fù)迭代直到該次計(jì)算前后接觸狀態(tài)完全吻合為止。

本文采用有限元計(jì)算軟件ABAQUS計(jì)算了模型的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，采用1階四面體單元，共有714 058個(gè)單元，174 285個(gè)節(jié)點(diǎn)，模型網(wǎng)格如圖2所示。

圖2　高中壓外缸網(wǎng)格示意圖

2 高中壓外缸的溫度場(chǎng)計(jì)算

汽缸溫度場(chǎng)與材料的物性參數(shù)、結(jié)構(gòu)尺寸和邊界條件有關(guān)。在進(jìn)行溫度場(chǎng)理論分析時(shí)，根據(jù)高中壓缸的運(yùn)行特點(diǎn)，通過(guò)機(jī)組啟動(dòng)曲線，采用已知蒸汽溫度和換熱系數(shù)的第三類邊界條件進(jìn)行計(jì)算。

從圖3可以看出，穩(wěn)定工況下，溫度沿汽缸壁厚方向接近線性變化，但在汽缸內(nèi)各壓力段的分界處溫度沿汽缸壁厚和軸向變化復(fù)雜。螺母與法蘭接觸傳熱，螺栓的平均溫度與法蘭的平均溫度差很小。

在啟動(dòng)階段汽缸和法蘭的內(nèi)外壁溫差隨蒸汽溫度的升高而增大，在升負(fù)荷時(shí)，蒸汽流量加大，蒸汽與內(nèi)壁的換熱系數(shù)變大，蒸汽傳給內(nèi)壁的熱量大，這將加劇汽缸受熱的不均勻性，使法蘭內(nèi)外壁溫差加大。溫度場(chǎng)如圖4所示。

圖3　高中壓外缸穩(wěn)態(tài)下的溫度場(chǎng)

圖4　高中壓外缸溫差最大時(shí)刻的溫度場(chǎng)

3 高中壓外缸的強(qiáng)度分析

汽缸在穩(wěn)態(tài)工況下的應(yīng)力包括兩部分，即在機(jī)械載荷和熱載荷作用下的應(yīng)力之和。對(duì)于應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果，如圖5、圖6所示。圖5是外缸在機(jī)械載荷下的應(yīng)力情況，該圖能夠反應(yīng)機(jī)組在冷態(tài)安裝狀態(tài)下汽缸的受力情況。圖6是機(jī)械載荷和熱載荷綜合作用下的汽缸應(yīng)力，能夠反應(yīng)機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行工況下汽缸的應(yīng)力水平。

圖5　高中壓外缸在機(jī)械載荷作用下等效應(yīng)力云圖

圖6　高中壓外缸在機(jī)械載荷和熱載荷作用下等效應(yīng)力云圖

在外缸上半法蘭螺栓孔位置有比較大的局部應(yīng)變，這是由于螺栓安裝時(shí)施加的預(yù)緊力較高。此部位主要承受的是螺栓的擠壓應(yīng)力，一般來(lái)說(shuō)，材料的許用擠壓應(yīng)力大于屈服極限，按照擠壓強(qiáng)度判斷標(biāo)準(zhǔn)，此處滿足強(qiáng)度校核要求。但是，汽缸長(zhǎng)期在高溫環(huán)境下運(yùn)行，螺孔邊緣承受較大的擠壓應(yīng)力，并考慮到蠕變效應(yīng)，法蘭在螺孔位置會(huì)產(chǎn)生明顯的塑性變形，從現(xiàn)場(chǎng)大修卸下螺栓后明顯的凹痕可以得到印證。在穩(wěn)定工況下，高中壓外缸整體的應(yīng)力并不大，只是在結(jié)構(gòu)突變部位，由于溫度變化大，局部存在較大的熱應(yīng)力，按照二次應(yīng)力評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，能滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。缸體上的平均Mises應(yīng)力和法蘭上的平均Mises應(yīng)力均小于材料工作溫度下的許用持久應(yīng)力，滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

4 高中壓外缸的剛度分析

剛度分析是汽缸設(shè)計(jì)時(shí)的另一重點(diǎn)要素，本文主要針對(duì)以下4種工況進(jìn)行了分析：

（1）半空缸撓度計(jì)算（下半汽缸空缸，僅承受自重）；

（2）半實(shí)缸撓度計(jì)算（下半汽缸實(shí)缸，承受自重及內(nèi)部部件重量）；

（3）全實(shí)缸把緊撓度計(jì)算（全實(shí)缸，承受自重及內(nèi)部部件重量，并把緊螺栓）；

（4）全實(shí)缸把緊并連接外部管道撓度計(jì)算（全實(shí)缸，承受自重及內(nèi)部部件重量，并把緊螺栓，同時(shí)施加外部管道力及力矩）。

汽缸剛度校核時(shí)，一般認(rèn)為全實(shí)缸撓度應(yīng)小于動(dòng)靜間隙的三分之一即為合格。此外，下半實(shí)缸和下半空缸的差值與下半缸全重和全實(shí)缸的差值在某種意義上體現(xiàn)了安裝過(guò)程當(dāng)中機(jī)組中心的變化，這也是衡量汽缸剛度是否合格的重要指標(biāo)。

圖7為不同工況下汽缸中分面位移結(jié)果曲線。從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，汽缸的總體剛度滿足校核標(biāo)準(zhǔn)，也為高中壓模塊總裝提供了初步的理論依據(jù)。

圖7　高中壓外缸在不同工況下中分面撓度曲線

5 高中壓外缸的汽密性分析

汽缸上、下半往往通過(guò)高溫法蘭以及螺栓進(jìn)行連接，并在安裝初始，以部分熱緊的方式給螺栓施加一定預(yù)緊力，以保證汽缸運(yùn)行過(guò)程中的密封性。然而，隨著蒸汽溫度參數(shù)的提高，螺栓及汽缸的高溫蠕變特性會(huì)導(dǎo)致螺栓應(yīng)力松弛，從而嚴(yán)重影響汽缸的汽密性。所以，必須計(jì)算汽缸在冷態(tài)、熱態(tài)以及長(zhǎng)期運(yùn)行工況下中分面的接觸壓力變化情況，以確保汽缸密封不發(fā)生中分面蒸汽泄漏。

從中分面間隙及接觸壓力的分布云圖8、圖9來(lái)看，該汽缸的高壓段密封情況良好。

圖8　660MW高中壓外缸運(yùn)行初期中分面接觸間隙及接觸壓力云圖

圖9　660MW高中壓外缸運(yùn)行一個(gè)大修期后中分面接觸間隙及接觸壓力云圖

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)東方660 MW二次再熱汽輪機(jī)高中壓外缸進(jìn)行三維有限元分析表明，該汽缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，在不同的工況下，汽缸強(qiáng)度、剛性均滿足設(shè)計(jì)要求。從該二次再熱機(jī)組實(shí)際運(yùn)行情況來(lái)看，機(jī)組整體運(yùn)行數(shù)據(jù)良好，機(jī)組安全可靠。三維有限元的計(jì)算數(shù)據(jù)能較好地與實(shí)際運(yùn)行情況吻合，也為其他高參數(shù)外缸的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

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Strength Analysis of HIP Casings of Dongfang 660 MW Ultra-supercritical Double-reheat Steam Turbine

Chen Tiening，Rao Zhenyan，Liu Jinfang，Zhang Yan，Zhang Ming，Yan Lixin
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

Abstract:The calculation of the strength，stiffness and tightness are very important when HIP casing of Dongfang 660 MW ultra-su?percritical double-reheat steam turbine is designed．Based on the three dimensional elastic theory，the paper establishes the finite el?ement modle of HIP casing for Dongfang 660 MW double-reheat steam turbine to analyse the temperature field,stress and deformation simulation,provides a technical basis for safety and reliablity of casing.

Key words:ultra-supercritical，double-reheat，HIP casing，strength，finite element

作者簡(jiǎn)介：陳鐵寧（1985-），男，河北衡水市人，碩士，工程師，現(xiàn)從事汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析及研究。

DOI:10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2016.01.005

中圖分類號(hào)：TK263

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-9987（2016）01-0025-04