王振鋒,曾婭,黃果,徐曉康,孫偉,米斌
(東方汽輪機有限公司,四川 德陽,618000)
隔板是汽輪機的重要部件之一。隨著汽輪機行業(yè)的發(fā)展,提高汽輪機熱經(jīng)濟性變得越來越重要。減小靜葉片在機組軸向上的寬度[1],從而減小汽流在靜葉片中的型面損失,可在一定程度上對提高機組經(jīng)濟性有所幫助。因此,減小隔板汽道損失,提高機組高能效運行,就必須解決隔板的撓度和應(yīng)力問題。定量分析隔板的應(yīng)力狀態(tài)和變形,并以此來指導結(jié)構(gòu)設(shè)計,就具有十分重要的現(xiàn)實意義。
隔板是一個外圓支撐,直徑自由,受力情況極為復(fù)雜,具有內(nèi)孔的半圓板[2]。如圖1所示,隔板分為上下半,分別是由內(nèi)環(huán)、外環(huán)、靜葉以及隔板汽封圈和徑向汽封齒組成。中分面處由連接螺栓緊固,隔板底部由定位鍵結(jié)構(gòu)約束,隔板沿周向方向轉(zhuǎn)動。
隔板靜葉和隔板內(nèi)環(huán)、外環(huán)之間采用真空電子束焊接,焊縫的質(zhì)量決定其連接剛度,通常情況下,隔板很難完全達到成為一個整體的要求,因此,將隔板內(nèi)外環(huán)與靜葉作為隔板整體分析計算時,需要同時加大安全系數(shù)[3]。
根據(jù)隔板的結(jié)構(gòu)和受力特點,在有限元分析中,可取其上半或下半的一部分進行建模分析[4]。
圖1 隔板受力簡圖
本文對某200 MW機組的第3、5、8、12和16級共五級隔板分別做了ANSYS計算,其中第3、5級屬分流直葉柵,第8、12級屬直葉柵,第16級屬扭葉柵。隔板均是由兩種材料組成,材料特性利用板體和靜葉在工作溫度下彈性模量和泊松比,所研究的隔板材料及工作溫度參數(shù)見表1。
表1 隔板材料的物理性能表
(1)出汽側(cè)外環(huán)與汽缸貼合面加固定約束;
(2)在 A 面(見圖 3~圖 8)設(shè)置對稱約束。
(1)進汽側(cè)外環(huán)、內(nèi)環(huán)和隔板汽封圈加級前后壓差Δp,假定隔板前后溫差Δt=0;
(2)各靜葉片的載荷加載考慮斜切噴管模型[5]見圖2,考慮機組多為有一定反動度的沖動式機組,蒸汽的膨脹基本在靜葉柵中完成,假定在區(qū)域ABCD中靜葉內(nèi)弧與背弧之間壓差為0,蒸汽流過截面CD后在靜葉片的內(nèi)弧與背弧之間形成的壓差為隔板級前后壓差Δp;
圖2 靜葉片斜切噴管模型
(3)假定每個隔板汽封齒前后壓差Δp1=…=Δpi=…=Δpn=Δp/n,n為隔板汽封圈中汽封齒數(shù)。
運用solid單元劃分網(wǎng)格,且每個模型均含有單元數(shù)量不少于40萬個,在網(wǎng)格質(zhì)量保證了計算精度的情況下進行求解計算。
運用上述邊界條件和載荷加載方法,利用ANSYS 10.0計算,得出隔板變形及mises應(yīng)力,變形及mises應(yīng)力分布云圖分別如圖3~圖8所示。
圖3 第3級隔板變形圖
圖4 第3級隔板應(yīng)力分布云圖
圖5 第12級隔板變形圖
圖6 第12級隔板應(yīng)力分布云圖
圖7 第16級隔板變形圖
圖8 第16級隔板應(yīng)力分布云圖
另外,本文用常規(guī)計算方法對隔板的最大撓度值進行了計算,并與ANSYS計算結(jié)果一起與隔板撓度試驗值進行比較,結(jié)果如表2所示。
表2 隔板撓度試驗與計算結(jié)果最大撓度值比較表
對比表2數(shù)據(jù)得出:
(1)ANSYS計算和常規(guī)計算值均大于實驗值,ANSYS計算結(jié)果和試驗結(jié)果基本吻合,除葉片相對較長的第12級和第16級之外,其余測點的誤差均小于5%,在工程許可范圍內(nèi),這說明計算過程中對隔板的模型假設(shè),邊界條件的建立是合理的,且計算結(jié)果能正確反映隔板的受力狀況。
(2)與ANSYS計算相比,分流直葉柵隔板撓度的常規(guī)計算結(jié)果與試驗值有很大偏差,這是因為在常規(guī)計算中只能用兩種靜葉片中的其中一種參與計算,低估了隔板的真實強度。
(3)由隔板變形圖和應(yīng)力分布云圖可看出,隔板最大變形發(fā)生在水平中分面附近的汽封齒處,最大應(yīng)力發(fā)生在隔板內(nèi)外環(huán)葉片的出汽側(cè),靠近中分面附近的幾支葉片的邊緣葉根或葉頂?shù)某銎吿?。另外,如圖4所示,外環(huán)出汽側(cè)與汽缸貼合處的應(yīng)力也應(yīng)引起重視。
經(jīng)計算分析表明,200 MW機組隔板撓度最大值發(fā)生在水平中分面的隔板汽封齒處;應(yīng)力最大值發(fā)生在靠近中分面邊緣葉根和葉頂?shù)某銎吿?,撓度小于限定值,?yīng)力小于許用值。因此,按照安全判別標準,隔板設(shè)計完全符合要求。有限元的計算結(jié)果同實驗值相吻合,這說明在利用ANSYS 10.0對隔板撓度進行分析時,采用以上的假定邊界條件可以模擬隔板的真實工作狀態(tài)。