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        汽輪機(jī)橫置靜葉有限元分析及安全性評估

        2022-03-24 00:36:06馬義良翁振宇李宇峰初世明
        熱力透平 2022年1期
        關(guān)鍵詞:套環(huán)靜葉過盈量

        馬義良,翁振宇,李宇峰,劉 洋,初世明

        (哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司,哈爾濱 150046)

        隨著汽輪機(jī)進(jìn)口蒸汽參數(shù)的不斷提高以及現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,汽輪機(jī)高壓/超高壓模塊中普遍采用了蝸殼進(jìn)汽和橫置靜葉技術(shù)。試驗(yàn)表明,蝸殼進(jìn)汽和橫置靜葉結(jié)構(gòu)的出口氣流角沿周向的分布更為均勻,能夠有效地降低進(jìn)汽結(jié)構(gòu)的總壓損失[1],目前該結(jié)構(gòu)已在各汽輪機(jī)制造廠的產(chǎn)品中得到了廣泛應(yīng)用。但由于橫置靜葉裝配在蝸殼進(jìn)汽內(nèi)缸上,內(nèi)缸的熱變形、紅套環(huán)過盈約束以及上下半內(nèi)缸法蘭螺栓預(yù)緊力等,都會影響橫置靜葉的強(qiáng)度和安全性。為了更加準(zhǔn)確地對橫置靜葉進(jìn)行安全性分析,本文采用橫置靜葉和汽缸的聯(lián)合計(jì)算,分析過程中所有部件均采用全接觸設(shè)置。本文的分析考慮上下半缸螺栓連接、紅套環(huán)過盈約束、溫度場、壓力場等邊界載荷,以及高溫下蠕變模型,并充分考慮了與橫置靜葉相關(guān)聯(lián)的邊界與載荷,所采用的方法能夠更加準(zhǔn)確地評估橫置靜葉的強(qiáng)度和安全性。

        1 計(jì)算模型

        本文以某型號汽輪機(jī)機(jī)組高壓橫置靜葉為例,采用有限元方法對橫置靜葉進(jìn)行了彈塑性、蠕變特性分析,計(jì)算模型采用循環(huán)對稱建模[2],實(shí)體模型如圖1所示。計(jì)算模型取模型的一半作為循環(huán)對稱體,其中紅套環(huán)(6組)、汽缸(上、下半缸)、螺栓(5組)、橫置靜葉(26組)組成循環(huán)對稱模型,這有效地減小了計(jì)算規(guī)模,提高了計(jì)算效率。計(jì)算網(wǎng)格模型如圖2所示,網(wǎng)格采用C3D8R六面體單元,整體模型單元總數(shù)約為90萬,其中橫置靜葉網(wǎng)格單元總數(shù)約為31.5萬,缸體網(wǎng)格單元總數(shù)約為51.5萬,紅套環(huán)網(wǎng)格單元總數(shù)約為6.5萬,螺栓網(wǎng)格單元總數(shù)約為0.5萬。

        圖1 實(shí)體模型

        (a)整體模型

        2 計(jì)算參數(shù)及相關(guān)邊界

        2.1 計(jì)算參數(shù)

        本次計(jì)算中,缸體進(jìn)口溫度為597.8 ℃,壓力為27.75 MPa,出口溫度為339.2 ℃,壓力為5.97 MPa,計(jì)算模型中螺栓和紅套環(huán)材料為23Cr12Mo1V,缸體和橫置靜葉材料為ZG13CrMo1VNbN。

        2.2 溫度場

        在橫置靜葉有限元分析過程中,需要加載溫度場邊界,本次溫度場的分析僅考慮了蒸汽換熱和部件導(dǎo)熱,未考慮輻射。在蒸汽換熱過程中,傳熱系數(shù)是溫度場準(zhǔn)確性的關(guān)鍵參數(shù),對流換熱是一個熱流與熱傳遞的動態(tài)交互過程,傳熱系數(shù)公式基于以下熱力學(xué)原理:

        Q=α*A*(?D-?O)

        (1)

        式中:Q為從外界輸入的能量;α為傳熱系數(shù);A為蒸汽與轉(zhuǎn)子接觸表面面積;?D為蒸汽溫度;?O為金屬表面溫度。

        傳熱系數(shù)根據(jù)不同軸向位置的熱力參數(shù)計(jì)算得到,經(jīng)有限元溫度場分析后得到計(jì)算模型溫度場結(jié)果,如圖3所示。

        圖3 溫度場云圖

        2.3 壓力場

        計(jì)算模型壓力場加載主要分為2個部分:一是對橫置靜葉加載蒸汽壓力,通過CFD流體分析,流固耦合后將蒸汽壓力加載到橫置靜葉片表面,如圖4所示;二是對缸體內(nèi)表面的壓力加載,通過熱力計(jì)算后的數(shù)據(jù)來加載軸向和徑向壓力載荷。

        (a)流體分析葉片表面壓力

        2.4 紅套環(huán)過盈量

        紅套環(huán)是用于緊固密封內(nèi)缸的部件,在設(shè)計(jì)和安裝過程中紅套環(huán)的過盈量是關(guān)鍵參數(shù)。如果過盈量太小,會導(dǎo)致缸體氣密性較差,中分面會出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象。如果過盈量太大,會導(dǎo)致缸體局部應(yīng)力超標(biāo),發(fā)生缸體開裂等現(xiàn)象。因此,給定合理的紅套環(huán)過盈量是非常重要的。劉洋等[3]對比了紅套環(huán)在不同過盈量下的密封性和安全性,黃智敏等[4]提到了紅套環(huán)過盈量與缸體直徑及與材料的線膨脹系數(shù)之間的關(guān)系。本文根據(jù)紅套環(huán)自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和材料特性給出了6個紅套環(huán)部件的過盈量,如表1所示,編號1到編號6為從進(jìn)汽側(cè)到出汽側(cè)。

        表1 紅套環(huán)過盈量(名義值)

        2.5 螺栓預(yù)緊力

        螺栓預(yù)緊力的計(jì)算采用以下公式:

        P0=σ0×As

        (2)

        (3)

        式中:P0為預(yù)緊力;ds為螺紋部分危險剖面的計(jì)算直徑;σ0為(0.5~0.7)σs,σs為螺栓材料的屈服極限。

        本文結(jié)合西屋經(jīng)驗(yàn),考慮螺栓設(shè)計(jì)規(guī)格,在螺栓預(yù)緊力施加截面加載1 811 100 N的預(yù)緊力,如圖5所示。

        圖5 螺栓預(yù)緊力加載

        2.6 蠕變模型

        本次計(jì)算中,蠕變模型采用J.Bolton蠕變公式[5],該模型在傳統(tǒng)的蠕變模型基礎(chǔ)上進(jìn)行了改良,改良后的蠕變模型更適合于工程應(yīng)用的穩(wěn)定或松弛荷載。該模型包含3個階段(過渡、恒速、加速)的蠕變行為,蠕變模型有以下公式:

        (4)

        式中:εcs為蠕變應(yīng)變;εD為在基準(zhǔn)時間t1下,由基準(zhǔn)斷裂應(yīng)力和結(jié)構(gòu)應(yīng)力得到的基準(zhǔn)蠕變應(yīng)變;σRt為在時間t下的蠕變斷裂強(qiáng)度;σDt為在時間t下產(chǎn)生基準(zhǔn)應(yīng)變εD對應(yīng)的應(yīng)力;σs為結(jié)構(gòu)的應(yīng)力。

        計(jì)算時調(diào)用蠕變Fortran子程序,子程序需要的橫置靜葉和內(nèi)缸材料的參數(shù)如下:

        1)10萬h持久強(qiáng)度;

        2)20萬h持久強(qiáng)度;

        3)10萬h 0.2%蠕變極限;

        4)彈性模量。

        3 有限元分析

        本次強(qiáng)度分析采用“彈塑性失效”準(zhǔn)則,允許結(jié)構(gòu)出現(xiàn)可控的局部塑性變形區(qū),合理地放松了對計(jì)算應(yīng)力過嚴(yán)的限制,適當(dāng)?shù)靥岣吡嗽S用應(yīng)力值,但又保證了結(jié)構(gòu)的安全性[6]。對計(jì)算模型加載溫度場、壓力場、紅套環(huán)預(yù)緊力、螺栓預(yù)緊力,模型各部件之間采用非線性接觸設(shè)置,接觸模型采用罰函數(shù)方法。經(jīng)有限元彈塑性分析,得到橫置靜葉在穩(wěn)態(tài)工況以及10萬h蠕變后的等效應(yīng)力和應(yīng)變,詳細(xì)計(jì)算結(jié)果見下文。

        3.1 橫置靜葉等效應(yīng)力

        經(jīng)有限元彈塑性分析,得到橫置靜葉等效應(yīng)力,圖6為計(jì)算模型等效應(yīng)力云圖,整體模型的應(yīng)力峰值區(qū)域在紅套環(huán)上。圖7至圖11為橫置靜葉從穩(wěn)態(tài)工況到蠕變10萬h后的等效應(yīng)力云圖,可以看出橫置靜葉組中最大應(yīng)力葉片出現(xiàn)在汽缸中分面區(qū)域,單個橫置靜葉最大應(yīng)力出現(xiàn)在葉型進(jìn)汽根部倒圓位置。隨著時間推移,橫置靜葉等效應(yīng)力松弛較為明顯。橫置靜葉等效應(yīng)力隨時間變化曲線如圖12所示,橫置葉片在運(yùn)行1 000 h后,等效應(yīng)力降低了約50%。

        圖6 穩(wěn)態(tài)工況模型等效應(yīng)力云圖

        圖7 穩(wěn)態(tài)工況橫置靜葉等效應(yīng)力云圖

        圖8 蠕變1 000 h下橫置靜葉應(yīng)力云圖

        圖9 蠕變10 000 h下橫置靜葉應(yīng)力云圖

        圖10 蠕變50 000 h下橫置靜葉應(yīng)力云圖

        圖11 蠕變100 000 h下橫置靜葉應(yīng)力云圖

        圖12 橫置靜葉等效應(yīng)力隨時間變化曲線

        3.2 橫置靜葉塑變和蠕變

        經(jīng)有限元彈塑性分析,本文得到橫置靜葉塑性應(yīng)變及蠕變,圖13為橫置靜葉在穩(wěn)態(tài)工況下的塑性應(yīng)變,應(yīng)變量為0.002 55 mm,圖14至圖17為橫置靜葉從穩(wěn)態(tài)工況到蠕變10萬h后的蠕變變化。從圖17中可以看出橫置靜葉組中最大應(yīng)變?nèi)~片出現(xiàn)在汽缸中分面區(qū)域,單個橫置靜葉最大應(yīng)變出現(xiàn)在葉型進(jìn)汽根部倒圓位置,10萬h后的蠕變量為0.011 42 mm。圖18為橫置靜葉最大應(yīng)變區(qū)域蠕變隨時間變化的曲線,蠕變變化趨勢符合材料的蠕變特性。

        圖13 穩(wěn)態(tài)工況橫置靜葉塑性應(yīng)變云圖

        圖14 蠕變1 000 h下橫置靜葉應(yīng)變云圖

        圖15 蠕變10 000 h下橫置靜葉蠕變云圖

        圖16 蠕變50 000 h下橫置靜葉應(yīng)變云圖

        圖17 蠕變100 000 h下橫置靜葉應(yīng)變云圖

        圖18 橫置靜葉應(yīng)變隨時間變化曲線

        3.3 橫置靜葉安全性評估

        本文對橫置靜葉進(jìn)行了有限元彈塑性分析,基于塑變和蠕變對葉片的安全性進(jìn)行考核,主要有2個考核點(diǎn):一是蠕變之前的塑變,橫置靜葉蠕變之前的塑變量為0.25%,應(yīng)變小于0.5%,說明穩(wěn)態(tài)工況下橫置靜葉處于彈性安定狀態(tài),橫置靜葉強(qiáng)度滿足強(qiáng)度考核準(zhǔn)則;二是蠕變之后的塑變和蠕變,橫置靜葉在蠕變10萬h后葉型倒圓區(qū)域的應(yīng)變?yōu)?.14%,小于2.5%,即橫置靜葉在蠕變10萬h后的強(qiáng)度仍然滿足強(qiáng)度考核準(zhǔn)則。

        4 結(jié) 論

        本文對橫置靜葉進(jìn)行了有限元安全性分析。在仿真過程中,采用橫置靜葉-汽缸聯(lián)合計(jì)算,包含熱固、流固單向耦合分析,并考慮了結(jié)構(gòu)高溫蠕變-塑變影響。各部件之間非線性接觸較多,邊界條件復(fù)雜,分析難度較大。通過本次分析建立了高參數(shù)下汽輪機(jī)橫置靜葉彈塑性、蠕變分析方法,該方法能夠更準(zhǔn)確、高效地分析評估橫置靜葉的強(qiáng)度安全性,為后續(xù)橫置靜葉安全性評估提供有價值的參考,具有一定的工程指導(dǎo)意義。

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