方志陽，魏佳明，朱子奇，孫義岡，藍吉兵，方 寅

(1.杭州汽輪機股份有限公司，浙江 杭州 310006；2.杭州汽輪動力集團有限公司，浙江 杭州 310006)

0 引 言

燃氣輪機作為大型動力裝置，廣泛應用于發(fā)電、拖動以及其他各個工業(yè)領(lǐng)域[1]。燃氣輪機的功率和效率隨著渦輪入口溫度的提高而增加，但是伴隨著渦輪入口溫度的提高，熱端部件材料的耐熱問題也隨之而來。因此，必須將氣體冷卻技術(shù)應用到空心渦輪冷卻葉片設(shè)計實踐中去。

該技術(shù)是將壓氣機級中或者罩殼中的壓縮空氣作為冷卻空氣對燃氣渦輪的熱端部件進行冷卻，以保證其應有的部件壽命。因此，必須配備專門的冷卻管道，將壓縮空氣從壓氣機級中或者罩殼中抽出，經(jīng)過外部冷凝裝置，最后再輸回到渦輪部件對其進行冷卻[2]。目前，主流E級燃氣輪機壓氣機出口溫度高達350 ℃，且氣體壓力為十幾個大氣壓。在如此高溫高壓的工作環(huán)境下，管道極易處于復雜的應力狀態(tài)中，甚至產(chǎn)生裂紋，會對機組造成惡劣損壞。基于以上原因，燃氣輪機冷卻管道的安全及可靠性一直以來受到業(yè)主、設(shè)備廠家和設(shè)計院的高度重視。

某型E級燃氣輪機機組[3]，冷卻管道從壓氣機罩殼位置抽取壓縮空氣，經(jīng)過外部冷凝器冷卻后再回到渦輪部件進行冷卻。

本文以該冷卻管道為例，首先通過工程圖紙統(tǒng)計了直管、彎管和支吊架尺寸等信息，以及管道各組件的質(zhì)量，包括管道筒體、法蘭等；然后采用有限元軟件ANSYS建立冷卻管道三維模型，并采用不同的單元模擬管道、彈簧、支架等結(jié)構(gòu)，對支吊架結(jié)構(gòu)進行簡化，同時施加合理的邊界條件，計算在安裝工況及運行工況時管道的受力狀況；最后對管道進行一次應力和二次應力校核。

1 有限元模型

1.1 管道結(jié)構(gòu)建立

按照工程圖紙說明，本文在統(tǒng)計了直管、彎管、支吊架尺寸、支撐彈簧型號和剛度等信息基礎(chǔ)上，按照管道以及支吊架圖紙布置管道位置。管道模型分為管道筒體、吊耳、法蘭、彈性支架、彈性吊架。其中法蘭按照集中質(zhì)量處理，施加在對應節(jié)點位置處，保證模型質(zhì)量與實際質(zhì)量相同。同時，對支吊架結(jié)構(gòu)進行了合理的簡化，方便后續(xù)的分析。

本文采用ANSYS15.0對管道進行三維建模，如圖1所示。

圖1 冷卻管道

X方向為燃氣輪機軸線一致的方向，Y方向為與機體軸線垂直的向上方向，Z方向為與機體軸線垂直的側(cè)向方向。

冷卻管道(抽氣段)的布局簡圖及有限元計算節(jié)點布局如圖1(a)所示，其中節(jié)點總數(shù)為172個，單元總數(shù)為133個。

冷卻管道(回氣段)的布局簡圖及有限元計算節(jié)點布局如圖1(b)所示，其中節(jié)點總數(shù)為300個，單元總數(shù)為239個。通過提取單元質(zhì)量獲得抽氣段和回氣段管系的質(zhì)量分別為3.224 T和3.308 T，與管道實際質(zhì)量相差1%，說明模型簡化合理。

分析中用到的單元類型有PIPE16、PIPE18、Beam188和Combin14[4]。其中，PIPE16和PIPE18分別來模擬直管和彎管，需要對其賦予實常數(shù)來定義管道的外徑、厚度，以及內(nèi)部氣體密度等參數(shù)；Beam188單元來模擬支座，需要輸入截面屬性，代表其截面形狀及尺寸。Combin14單元來模擬彈簧，需要輸入彈簧的剛度K、預位移ILENGTH或者預壓力IFORCE。

1.2 支架結(jié)構(gòu)簡化

本研究以2種不同類型的支架結(jié)構(gòu)[5]為例，對支架結(jié)構(gòu)的簡化進行說明。

第一種支架結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示。

簡化后的支架結(jié)構(gòu)如圖2(b)所示。節(jié)點1采用固支的形式，約束節(jié)點2的位移和軸向轉(zhuǎn)角，來模擬③U型螺栓的作用。

圖2 支架簡化①—空心圓柱支撐，采用Beam188單元進行模擬；②—彈簧支座，采用Combin14單元進行模擬

第二種支架結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示。采用上述相同的單元來模擬彈簧支架和支撐。在理想情況下，③兩側(cè)位移應該相同，③對支架的剛度沒有多大的影響，因此建模的時候去掉槽鋼③。同時，為了計算方便，筆者將2個彈簧支座的作用等效成1個彈簧支座，并計算等效剛度。

簡化后的支架結(jié)構(gòu)如圖3(b)所示。節(jié)點1和2采用固支形式，約束節(jié)點3的位移和軸向轉(zhuǎn)角，來模擬卡箍對管道的作用力。

圖3 支架簡化①—彈簧支架；②—支撐；③—槽銅

2 管道強度計算

本節(jié)進行在安裝工況和運行工況下管道的強度計算。這兩種工況分別是燃氣輪機未運轉(zhuǎn)時管道和機器都處于常溫的冷管冷機狀態(tài)以及燃氣輪機正常運轉(zhuǎn)時管道和機器都處于熱態(tài)的熱管熱機狀態(tài)。

2.1 安裝工況

進行安裝工況計算的目的是為了獲得在安裝工況下彈簧支吊架處的反力。這樣在熱態(tài)工況下即可將該反力作為預緊力施加在彈簧上，可以確保在管道正常運行之前，管道和彈簧支吊架連接處位移UY=0[6]。

對于抽氣段，施加邊界條件如表1所示。同時在法蘭和閥的對應位置施加集中質(zhì)量。

表1 安裝工況抽氣段邊界條件

通過ANSYS后處理功能，提取彈簧支吊架對應節(jié)點位置處的反力，如表2所示。筆者將該反力作為彈簧預緊力，并用于后續(xù)的熱態(tài)計算中。

表2 彈簧支吊架對應節(jié)點處反力

筆者采用相同的方法對回氣管道施加邊界條件并進行計算，得到支座反力，如表3所示。

表3 彈簧支吊架對應節(jié)點處反力

抽氣段和回氣段的彈簧支吊架對應節(jié)點位置如圖4所示。

圖4 彈簧支架對應節(jié)點位置

2.2 運行工況

本研究按照運行工況下管道的約束狀況，對模型施加邊界條件。將2.1節(jié)計算得到的支座反力作為彈簧的預緊力施加在彈簧支吊架對應節(jié)點處。節(jié)點101、140、147處邊界條件如圖4(a)所示，其余邊界條件如表4所示。

表4 運行工況抽氣段邊界條件

同時在法蘭和閥的對應位置施加集中質(zhì)量。其中T內(nèi)壁、ρ氣體以及P根據(jù)機組參數(shù)獲得。管口軸向位移和徑向位移通過整機氣缸的熱分析獲得。

回氣段管道的邊界條件如表5所示。

表5 運行工況回氣段邊界條件

上述邊界條件對應節(jié)點位置如圖5所示。

圖5 邊界條件對應節(jié)點位置

3 應力校核

本研究參考GB/T 20801-2006，對管系進行一次應力校核和二次應力校核[7-9]。

3.1 一次應力校核

一次應力指的是由于壓力、重力和其他持續(xù)載荷所產(chǎn)生的縱向應力之和σL不應該超過材料在最高工作溫度下的許用應力[σ]h。抽/排氣管道材料牌號為A106-B，對應國內(nèi)牌號為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼20。查閱材料手冊[10]，對于抽氣管道，對應最高工作溫度下材料的許用應力[σ]h=151.5 MPa。對于回氣管道，對應最高工作溫度下材料許用應力[σ]h=208.6 MPa。由有限元計算得到抽氣管道σL=15.8 MPa，回氣管道σL=17.9 MPa，都小于對應工作溫度下材料的許用應力，因此校核合格。

3.2 二次應力校核

對于管道的熱脹應力，其當量應力的強度條件為：

(1)

交變次數(shù)對許用應力范圍的修正系數(shù)如表6所示。

表6 交變次數(shù)對許用應力范圍的修正系數(shù)

N—管系預計使用壽命下全位移循環(huán)當量數(shù)

圖6 冷卻管道等效應力云圖

4 結(jié)束語

針對燃氣輪機冷卻管道在高溫高壓工作環(huán)境下的結(jié)構(gòu)強度失效問題，本文對某型E級燃氣輪機冷卻管道進行了應力計算及強度校核。通過上述的計算與分析，得到以下結(jié)論：

(1)可采用有限元軟件ANSYS中不同的單元包括PIPE16、PIPE18、Beam188及Combin14來模擬管道、彈簧和支架結(jié)構(gòu)。采用合理的方法簡化了支吊架結(jié)構(gòu)及抽/回氣段管道的邊界條件，計算了管道在安裝工況和運行工況下的應力水平；

(2)參考國標GB/T 20801-2006，對管道進行一次應力校核和二次應力校核，校核通過，說明管道及支吊架設(shè)計合理；

(3)本文采用的建模、簡化以及有限元分析方法具有一定的通用性，適用于同等級燃氣輪機冷卻管道的強度分析。

:

[1] 清華大學熱能工程系動力機械與工程研究所，深圳南山熱電股份有限公司.燃氣輪機與燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)裝置[M].北京：中國電力出版社，2007.

[2] 韓介勤桑地普·杜達，斯瑞納斯·艾卡德.燃氣輪機傳熱和冷卻技術(shù)[M].西安：西安交通大學出版社，2004.

[3] 宋思遠，楊 銳.M251S型燃氣輪機工程計算及經(jīng)濟性分析[J].機電工程，2009，26(8):9-12.

[4] 安市亞太.ANSYS User’s Manual 15.0[Z].安市亞太，2014.

[5] LISEGA. LiSEGA標準支吊架[Z]. LISEGA，2010.

[6] 孫義岡，閻占良.小汽輪管道變形原因的有限元分析[J].發(fā)電設(shè)備，2006，20(1):17-21.

[7] 宋岢岢.壓力管道設(shè)計及工程實例[M].北京:化學工業(yè)出版社，2013.

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[9] GB/T 20801-2006.壓力管道規(guī)范-工業(yè)管道[S].北京:中國標準出版社，2006.

[10] 中國航空材料手冊編輯委員會.中國航空材料手冊[M].北京:中國標準出版社，1988.