朱紅磊

(上海汽輪機廠有限公司，上海 200240)

給水泵汽輪機是電站熱力循環(huán)系統(tǒng)的主要設備之一，其安全可靠的運行直接影響著整個電站設備的運行。給水泵機組的工作環(huán)境多變，進汽參數越來越高，這就對機組的強度結構及密封性提出了更高的要求。本文以某一電廠1 000 MW等級全容量雙流給水泵機組汽缸為例，變更其進汽參數，采用ABAQUS有限元計算軟件進行有限元模擬，研究其汽缸在不同參數下的強度、密封性及偏心問題，并給出參考建議，為1 000 MW全容量雙流給水泵汽輪機的系列化開發(fā)提供參考。

1 理論基礎

1.1 幾何模型和材料

雙流給水泵機組縱剖圖(1)見圖1，此1 000 MW等級全容量雙流給水泵機組汽缸由蒸汽室、進汽缸、持環(huán)與排汽缸組成。蒸汽室與進汽缸、進汽缸與排汽缸均采用螺栓連接。在持環(huán)通流區(qū)域引一股過熱蒸汽進入持環(huán)與外缸間的分割腔室，以降低軸向溫度梯度，提高汽缸密封性。

圖1 雙流給水泵機組縱剖圖(1)

為驗證此外缸的結構性能，本文變更其工作參數，采用ABAQUS軟件進行有限元模擬計算。外缸各部件的材料見表1。從圖1可以看出，進汽缸與蒸汽室連接部位螺栓的安裝空間十分緊湊，最大可采用規(guī)格為M52的冷緊螺栓，螺栓緊力為310 MPa。下文的計算模擬中，汽缸與蒸汽室連接處均采用材料為14Cr11W2MoNiVNbN，規(guī)格為M52的螺栓。

表1 外缸各部件的材料

1.2 網格劃分和計算邊界

采用ABAQUS軟件進行模擬計算前，需先確定網格單元和邊界條件。當結構在某一個方向上的長度遠小于其他方向的長度，且忽略沿厚度方向的應力時，可以用殼單元進行模擬[1-2]。例如，壓力容器結構的壁厚小于典型整體結構長度的1/10，一般就可以用殼單元進行模擬。當結構在某一個方向上的長度明顯大于其他兩個方向的長度，并沿該長度方向的應力最重要時，可以用梁單元模擬[1-2]。為了在應用梁單元理論時產生可接受的結果，橫截面的尺寸必須小于典型結構軸向長度的1/10。

圖2 計算模型示意圖

因此，進汽缸與蒸汽室采用實體單元C3D4T，排汽缸采用殼單元S4RT、S3T與梁單元B31。計算模型與網格模型分別見圖2與圖3。

圖3 網格劃分示意圖

常規(guī)給水泵機組的進汽壓力在1 MPa左右。給水泵機組的汽缸強度密封及偏心受壓力影響較小，受溫度影響很大。本文改變進排汽溫度進行數值模擬，研究此汽缸的結構性能及其適用的參數范圍。

計算方法1為：保持進汽溫度不變，調整排汽溫度，查看汽缸的偏心問題。計算方法2為：保持排汽溫度不變，調整進汽溫度，查看汽缸的強度密封問題。進排汽溫度的變更見表2。分割腔室溫度根據進排汽溫度作出相應變更。

表2 進排汽溫度變更表

2 計算結果

2.1 變排汽溫度

保持進汽溫度不變，改變排汽溫度時，持環(huán)中心隨排汽溫度的變化見圖4，轉子中心隨排汽溫度的變化見圖5。圖中縱坐標正值表示中心上抬，負值表示中心下沉。

圖4 持環(huán)中心隨排汽溫度的變化曲線

圖5 轉子中心隨排汽溫度的變化曲線

由圖4可知，隨著排汽溫度的升高，持環(huán)中心上抬量逐漸變大。經分析可知，持環(huán)豎直方向的支撐位置在外缸中分面，而外缸豎直方向的支撐位置在中分面之下的裙邊。裙邊為熱脹的零位，排汽溫度越高，中分面相對于裙邊向上膨脹越多。

由圖5可知，隨排汽溫度升高，轉子中心先上抬后下沉。軸承支撐結構示意圖見圖6。在軸承正下方的支撐筋板上任取一點，查看其水壓應力隨排汽溫度的變化，變化曲線見圖7。圖7中縱坐標正值表示受壓，負值表示受拉。本文計算中假定回油溫度為70 ℃。分析圖5與圖7可知，排汽溫度的升高對軸承產生下拉效果。當排汽溫度小于回油溫度時，轉子中心上抬；當排汽溫度大于回油溫度時，轉子中心下沉，且排汽溫度越高，轉子中心下沉越明顯。

轉子與靜子部件的偏心會影響動靜部件的徑向間隙。排汽溫度越高，偏心越大，設計的徑向間隙越大，機組的熱效率越低。因此需根據熱效率需求來限制排汽溫度。

圖6 軸承支撐結構示意圖

圖7 水壓應力隨排汽溫度的變化曲線

2.2 變進汽溫度

保持排汽溫度不變，調整進汽溫度進行數值模擬，查看汽缸的強度與密封，發(fā)現密封限制點在蒸汽室與進汽缸法蘭接合面處，強度限制點在排汽缸靠近垂直法蘭的斜撐板處。

蒸汽室與進汽缸接合面的壓應力圖見圖8，由于軸向與橫向的溫度梯度變形不協調，蒸汽室與進汽缸的法蘭接合面出現內張口和外張口現象。在蒸汽室與進汽缸法蘭接合面上，取密封最差的考核點(即圖8中橢圓線圈區(qū)域)，查看其密封效果隨進汽溫度的變化，變化曲線見圖9和圖10。

圖8 蒸汽室與進汽缸接合面的壓應力圖

經分析可知，進汽溫度越高，螺栓松弛越嚴重，變形不協調性越大，密封效果越差。當進汽溫度大于430 ℃時， 蒸汽室與進汽缸法蘭接合面的接觸壓力消失，出現間隙，密封不合格。因此當進汽溫度大于430 ℃時，建議蒸汽室與進汽缸連接形式改為焊接。雙流給水泵機組縱剖圖(2)見圖11。

圖9 考核點間隙隨進汽溫度的變化曲線

圖10 考核點壓力隨進汽溫度的變化曲線

圖11 雙流給水泵機組縱剖圖(2)

隨著進汽溫度的升高(進排汽溫差變大)，汽缸的強度逐漸變差。計算發(fā)現強度限制點在排汽缸靠近垂直法蘭的斜撐板處(即圖11中B點與C點之間的區(qū)域)。查看圖11中A、B、C三點的徑向位移隨進汽溫度的變化，得到變化曲線見圖12。查看斜撐板處的應力隨進汽溫度的變化，變化曲線見圖13。根據第四強度理論[3]，采用Mises應力表征有限元強度分析結果。由圖12與圖13可知，溫差越大，前后變形越不協調，應力集中越明顯。

圖12 A、B、C三點徑向位移隨進汽溫度的變化曲線

圖13 斜撐板應力隨進汽溫度的變化曲線

此機組斜撐板的材料為Q345R，其在工作溫度下的許用峰值應力為360 MPa。如圖13所示，當進汽溫度大于470 ℃(即進排汽溫差大于430 ℃)時，斜撐板應力超過許用值，此時建議增大圖11中的進汽缸及斜撐板的軸向距離，以降低軸向溫度梯度，或限制進汽溫度。

3 結 論

針對此1 000 MW等級全容量雙流給水泵機組的汽缸，變更其工作參數，進行有限元計算，分析其結構性能，分析結果顯示：

1)排汽溫度升高對持環(huán)產生上抬效果，且溫度越高效果越明顯。

2)排汽溫度升高對軸承產生下拉效果。當排汽溫度小于回油溫度時，轉子中心上抬；當排汽溫度大于回油溫度時，轉子中心下沉，且排汽溫度越高，轉子中心下沉越明顯。

3)進汽溫度越高，密封效果越差。當進汽溫度大于430 ℃時，建議蒸汽室與進汽缸連接形式改為焊接。

4)強度限制點在排汽缸靠近垂直法蘭的斜撐板處，進排汽溫差越大，斜撐板的應力集中越明顯。

建議根據熱效率需求限制排汽溫度，根據進汽溫度選用蒸汽室與進汽缸的連接形式，根據進排汽溫差設計斜撐板處的結構。