汽輪機(jī)隔板撓度的計(jì)算研究

王振鋒，曾婭，黃果，徐曉康，孫偉，米斌

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽，618000)

0 前言

隔板是汽輪機(jī)的重要部件之一。隨著汽輪機(jī)行業(yè)的發(fā)展，提高汽輪機(jī)熱經(jīng)濟(jì)性變得越來越重要。減小靜葉片在機(jī)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(duì)提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性有所幫助。因此，減小隔板汽道損失，提高機(jī)組高能效運(yùn)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(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，就具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 隔板結(jié)構(gòu)

隔板是一個(gè)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(dòng)。

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(dá)到成為一個(gè)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(jì)算時(shí)，需要同時(shí)加大安全系數(shù)[3]。

根據(jù)隔板的結(jié)構(gòu)和受力特點(diǎn)，在有限元分析中，可取其上半或下半的一部分進(jìn)行建模分析[4]。

圖1 隔板受力簡圖

2 ANSYS力學(xué)模型

本文對(duì)某200 MW機(jī)組的第3、5、8、12和16級(jí)共五級(jí)隔板分別做了ANSYS計(jì)算，其中第3、5級(jí)屬分流直葉柵，第8、12級(jí)屬直葉柵，第16級(jí)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

2.1 位移邊界條件

（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(duì)稱約束。

2.2 載荷加載條件

（1）進(jìn)汽側(cè)外環(huán)、內(nèi)環(huán)和隔板汽封圈加級(jí)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(jī)組多為有一定反動(dòng)度的沖動(dòng)式機(jī)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(jí)前后壓差Δp；

圖2 靜葉片斜切噴管模型

（3）假定每個(gè)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(yùn)用solid單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，且每個(gè)模型均含有單元數(shù)量不少于40萬個(gè)，在網(wǎng)格質(zhì)量保證了計(jì)算精度的情況下進(jìn)行求解計(jì)算。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

運(yùn)用上述邊界條件和載荷加載方法，利用ANSYS 10.0計(jì)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(jí)隔板變形圖

圖4 第3級(jí)隔板應(yīng)力分布云圖

圖5 第12級(jí)隔板變形圖

圖6 第12級(jí)隔板應(yīng)力分布云圖

圖7 第16級(jí)隔板變形圖

圖8 第16級(jí)隔板應(yīng)力分布云圖

另外，本文用常規(guī)計(jì)算方法對(duì)隔板的最大撓度值進(jìn)行了計(jì)算，并與ANSYS計(jì)算結(jié)果一起與隔板撓度試驗(yàn)值進(jìn)行比較，結(jié)果如表2所示。

表2 隔板撓度試驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果最大撓度值比較表

對(duì)比表2數(shù)據(jù)得出：

（1）ANSYS計(jì)算和常規(guī)計(jì)算值均大于實(shí)驗(yàn)值，ANSYS計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，除葉片相對(duì)較長的第12級(jí)和第16級(jí)之外，其余測點(diǎn)的誤差均小于5%，在工程許可范圍內(nèi)，這說明計(jì)算過程中對(duì)隔板的模型假設(shè)，邊界條件的建立是合理的，且計(jì)算結(jié)果能正確反映隔板的受力狀況。

（2）與ANSYS計(jì)算相比，分流直葉柵隔板撓度的常規(guī)計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值有很大偏差，這是因?yàn)樵诔Ｒ?guī)計(jì)算中只能用兩種靜葉片中的其中一種參與計(jì)算，低估了隔板的真實(shí)強(qiáng)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吿帯Ａ硗?，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。

4 結(jié)論

經(jīng)計(jì)算分析表明，200 MW機(jī)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(biāo)準(zhǔn)，隔板設(shè)計(jì)完全符合要求。有限元的計(jì)算結(jié)果同實(shí)驗(yàn)值相吻合，這說明在利用ANSYS 10.0對(duì)隔板撓度進(jìn)行分析時(shí)，采用以上的假定邊界條件可以模擬隔板的真實(shí)工作狀態(tài)。