汽轮机E型锚固盒有限元分析及足尺试验研究

第44卷第2期2015年6月热力透平THERMALTURBLNEVO144NO2JUN2O15文章编号16725549201502010604汔轮相E型锚固量有限元分析及足尺I式验砷究郑晨，王彬，刘静怡上海电气电站设备有限公司汽轮机厂，上海2OO24O摘要为保证某F级燃气一蒸汽联合循环发电机组的平稳运行，对机组中汽轮机E型锚固盒设计方案进行安全性验证。采用有限元分析方法模拟了E型锚固盒在设计荷载作用下的应力分布情况。同时，将有限元数值模拟结果与E型锚固盒足尺试验的物理模拟结果进行比对和分析。研究表明，有限元应力计算结果与足尺试验应力结果吻合度较高。在设计荷载作用下，E型锚固盒各点应力均未超过材料屈服应力。锚固盒设计方案可满足机组运行要求。关键词E型锚固盒；有限元；强度分析；足尺试验中图分类号TK262文献标识码ADOI1013707JCNKI311922TH201502007FEMANALYSISANDFULLSCALETESTONETYPEEMBEDDEDANCHORPARTSOFTHESTEAMTURBINEZHENGCHEN，WANGBIN，LIUJINGYISHANGHAIELECTRICPOWERGENERATIONEQUIPMENTCO，LTDTURBINEPLANT，SHANGHAI200240，CHINAABSTRACTTHESAFETYVERIFICATIONHASBEENPERFORMEDFORTHEETYPEEMBEDDEDANCHORPARTSOFTHESTEAMTURBINEINTHEPOWERGENERATIONUNITOFFCLASSGASSTEAMCOMBINEDCYCLETOENSUREITSSTABLEOPERATIONTHEDISTRIBUTIONSOFTHESTRESSALONGTHEETYPEEMBEDDEDANCHORPARTSUNDERTHEDESIGNLOADINGMODEWERESIMULATEDTHROUGHFEMMEANWHILE，THENUMERICALRESULTSOFTHEFEMSIMULATIONWEREANALYZEDANDCOMPAREDWITHTHATOFTHEFULLSCALEPHYSICALTESTITISSHOWNTHATTHENUMERICALRESULTSAGREEWELLWITHTHEPHYSICALRESULTSUNDERTHEDESIGNLOADINGMODE，THESTRESSESALONGTHEETYPEEMBEDDEDANCHORPARTSAREALLBELOWTHEMATERIALYIELDSTRESSLIMITATIONTHEDESIGNOFTHEETYPEEMBEDDEDANCHORPARTSISPROVEDTOMEETTHEOPERATIONREQUIREMENTSOFTHEPLANTSKEYWORDSETYPEEMBEDDEDANCHORPARTS；FINITEELEMENTMETHODFEM；STRENGTHANALYSIS；FULLSCALETEST在F级燃气一蒸汽联合循环发电机组中，汽轮机的径向推力轴承为高速旋转的转子提供径向和轴向的约束，并承受巨大的荷载。通过E型锚固盒，径向推力轴承将其所受到的荷载传递至基础。锚固盒在荷载的传递和吸收方面起到了至关重要的作用。E型锚固盒设计方案的安全性是整个机组平稳运行的前提条件。本文采用有限元分析方法模拟了E型锚固盒在设计荷载作用下的应力分布情况，为E型锚固盒设计方案的安全性验证提供了理论和试验依据。1有限元强度分析E型锚固盒有限元强度分析要达到以下两个主要目标一是锚固盒的钢板强度是否能够满足设计要求，二是锚固筋附近的混凝土是否需要配置钢筋来承担拉应力。11建模E型锚固盒的设计方案是通过4根深入混凝收稿日期20141212修订日期20150514作者简介郑晨1982一，男，2008年毕业于福州大学，工学硕士，工程师，现主要从事燃气一蒸汽联合循环机组的基座结构设计工作。圜ILL|汽轮机E型锚固盒有限元分析及足尺试验研究热力透平土中的锚固筋来承担上方锚固盒的预紧力。由于锚固盒埋入混凝土较浅，锚固盒与混凝土之间的相互作用以及相互影响范围也较小，模型仅选取锚固区域的局部混凝土进行计算分析。同时为比较锚固盒两翼上方混凝土对E级锚固盒受力的影响，锚固盒与混凝土整体分析模型包含两个方案方案一锚固盒两翼上方无混凝土；方案二锚固盒两翼上方有混凝土。E型锚固盒的有限元模型如图1所示L_1图1E级锚固盒的锚固盒与锚固筋12方案一的有限元分析结果锚固盒两翼H型钢腹板顶部局部区域的MISES应力为256MPA，超过钢材屈服应力；锚固筋的MISES应力为254MPA，未超过锚固筋的屈服应力。锚固盒下方的混凝土在3个方向上的应力均超过C30混凝土抗拉极限，在1方向X方向上的最大拉应力为3661MPA，超出混凝土抗拉应力的区域很小；在2方向Y方向上的最大拉应力为3986MPA，超出混凝土抗拉应力的区域很小；在3方向Z方向上的最大拉应力为L022MPA，超出混凝土抗拉应力的区域很小。经过计算，锚固盒下的混凝土截面拉力为396KN。按正截面承载力计算得到的配筋率为09，钢筋面积为1320MM；按02MM裂缝宽度控制计算得到的配筋率为16，钢筋面积为2500MM。13方案二的有限元分析结果锚固盒钢材的MISES应力为125MPA，未超过钢材的屈服应力；由于锚固盒两翼上方的混凝土承受了一部分拉力，锚固筋的MISES应力最大值仅为806MPA，应力未超过锚固筋的屈服应力。由于锚固盒两翼上方混凝土的存在，锚固盒附近的混凝土应力有明显的改善，出现拉应力的区域很小，锚固盒附近的混凝土在1方向X方向上的最大拉应力为082MPA；锚固盒附近的混凝土在2方向Y方向上的最大拉应力为054MPA；锚固盒附近的混凝土在3方向Z方向上的最大拉应力为253MPA。14E型锚固盒有限元强度分析结论通过以上分析，可以得到以下结论1方案一即E型锚固盒在锚固盒两翼上方无填充混凝土时，锚固盒H型钢腹板顶部局部区域MISES应力超过钢材的屈服应力，锚固盒在该处的钢板需要加厚。2方案二即E型锚固盒在锚固盒两翼上方有填充混凝土时，锚固盒两翼上方的混凝土承担了大部分的拉力。该方案中的锚固盒应力较方案一小，能够满足设计要求。3锚固盒下方的混凝土截面配筋可以按照计算结果的较大值采用。按正截面承载力计算得到09配筋率，钢筋面积为1320MM；按02MM裂缝宽度控制计算得到16配筋率，钢筋面积为2500MM0。2足尺试验研究21试验的目的结合有限元强度分析的结果，对锚固盒、锚固筋以及锚固盒外围混凝土等不同部位的应力较大点进行应力测试。了解受荷时E型锚固盒和混凝土的实际应力状况，并与有限元计算结果进行对比分析，验证有限元分析的正确性。22足尺试验模型方案设计在考虑试验操作方便和有效性的基础上，以有限元强度分析的结果为依据，E型锚固盒足尺试验的模型设计应遵循以下原则1通过有限元分析结果发现，锚固盒受荷时，其对周边混凝土的影响区域较小。在锚固盒一定范围之外，混凝土受力很小。因此在不影响试验结果的基础上，为方便模型制作，相邻E型锚固盒在试验模型长边向的间距较实际工程中的尺寸有所减小。2实际工程中的2个E型锚固盒在短边向的间距较小，不能有效放置大直径的加载千斤顶。为方便加载，试验模型制作时将E型锚固盒原设计的短边中心间距适当增大70MM。由有限元强度分析结果可知，锚固盒受荷时，在混凝土中的|111囫第2期汽轮机E型锚固盒有限元分析及足尺试验研究影响区域较小。锚固盒短边间距适当增大对实际工程的影响可忽略。3在应变采集点布置时，原则上以有限元分析中得到的锚固盒局部应力最大点作为应变采集点。但由于应变片粘贴及信号线布设对位置有一定的要求，因此，实际应变片粘贴位置与锚固盒局部应力最大点不一致。在进行有限元分析结果与足尺试验结果比对时，比较点的位置应选为实际应变片粘贴位置。足尺试验中E型锚固盒试件共4个，模型设计方案均与实际工程相同，对应的编号分别为AD。E型锚固盒模型基本尺寸、布置以及周边昆凝土的配筋如图2、图3所示击815O图2试件立面布置及钢筋分布图OO3由18王6击L；_1_III3小186小183击18IITLI3小186也8图3试件平面布置及钢筋分布图23试验测点布置试验的主要测量内容有锚固盒计算应力较大区域的应变、混凝土受拉区纵筋的应变。本试验模型的应变片测点布置如图4所示。啊LLL|纵向受力钢筋图4E型锚固盒钢板及钢筋应变片粘贴位置、贝4量锚固盒计算应力较大区域应变的应变片3片应变片分别在E型锚固盒的H型钢腹板顶部沿O。、45。、90。方向布置，对应图4中的、。测量混凝土受拉区纵筋应变的应变片应变片在纵向受力筋中部沿竖向布置，对应图4中的。24试验模型的制作步骤1进行E型锚固盒的拼装与焊接，焊接完毕后在指定位置粘贴电阻应变片；2锚固盒制作完毕后，进行基座昆凝土模板的拼装与定位，随后进行基座混凝土钢筋的绑扎，并完成钢筋应变片的粘贴；3钢筋应变片粘贴完毕后，进行支模固定，进行锚固盒及连接件的拼装与准确定位；4定位完毕后，进行应变片信号线及模板的加固、清理工作；5最后完成基座混凝土的浇注和混凝土试块的制作，待混凝土表面凝固后，进行基座混凝土外表面应变片的粘贴。25加载制度根据混凝土结构试验方法标准GB5O15292的规定，对于研究性试验，当加载量达到试验荷载设计值以前，当每级加载值不宜大于试验荷载设计值的20。当加载到达承载力试验荷载计算值的9O96以后，每级加载值不宜大于试验荷载设计值的5。当采用液压加载时，可连续慢速加载直至构件破坏2。本模型试验遵循以上加载原则，对结构施加单调的静力荷载。荷载从“零”开始逐步增加，在短时间内对试验对象进行平稳持续的加荷。同时，为获取足够的分析数据，以油压表指示值为2MPA的整数倍为试验数据读取点。26E型锚固盒足尺试验结论单个E型锚固盒的受拉承载力设计值为100汽轮机E型锚固盒有限元分析及足尺试验研究热力透平T。试验发现，当加载到3505T即单个E型锚盒锚固受拉荷载为17525T，超出设计荷载7525，锚固盒钢板的应力最大值仅为3935MPA，远未超过钢材屈服强度，受拉区钢筋应变较小，且未发现任何区域混凝土开裂现象。考虑到E型锚盒发生屈服破坏的荷载较高，实现难度太大，试验停止。日皇芝蓦，一，J_一一020040060O800L000120O140016001800外加荷载KN图5A试件MISES应力与荷载曲线，_一IR02004006008【X】L000L2【L400L60018T【外加荷载KN图7C试件MISES应力与荷载曲线27与有限元分析结果对比表1给出了锚固盒在设计荷载作用下的试验应力和有限元计算应力的对比。表中数据显示，在设计荷载作用下，锚固盒应变测点对应的MISES计算应力值与试验测试处应力较为接近，二者吻合度较高，结构偏于安全。表1应力对比有限元计算A试件B试件C试件D试件MISES应力MPA261025603093133612973结论1在设计荷载作用下，E型锚固盒在应变测点处的足尺试验应力结果与有限元应力计算结果吻合度较高。有限元计算结果能够比较准确地反映E型锚固盒的实际受力状况。2有限元计算结果显示，E型锚固盒在锚固盒两翼上方有填充混凝土时，锚固盒内的钢板应试验发现，在加载过程中，锚固盒钢板测点水平应变为拉应变，锚固盒钢板其他方向测点应变为压应变，钢筋应变非常小，且随着荷载增加，各测点的应变逐渐增大，加载结束时，各应变值均远未达到材料屈服应变，该锚固盒在设计荷载作用下是安全的。外加荷载与锚固盒的实测MISES应力曲线如图5图8所示。_一，1。JF一，02O040060O8OO10OO12001400L600L8O0外加荷载KN图6B试件MISES应力与荷载曲线_一I|L一。O2004006OO80OL000120O1400L60018O0外加荷载KN图8D试件MISES应力与荷载曲线力较小；E型锚固盒下方的混凝土有承受拉力，需配置一定数量的钢筋。3加载初期，E型锚固盒MISES应力增加较小，此阶段锚固盒承受的拉力较小。当荷载增加到一定程度，