600MW汽轮机中压级隔板的强度分析

第44卷第3期2015年9月热力透平THERMALTURBINEVOL_44NO3SEP2015文章编号16725549201503019904600MW汔轮机【L】压级嗝板硇强度分析宋杏林，孙涛，王晓放大连理工大学能源与动力学院，大连116024摘要介绍了隔板强度计算常用的传统经验公式法和有限元数值模拟法，并对某600MW汽轮机中压级不同厚度隔板的强度进行了分析。分析表明隔板应力和挠度随厚度呈非线性变化，同时验证了根据传统经验公式设计的隔板偏保守，研究成果对今后的隔板设计及优化有一定的参考意义。关键词汽轮机隔板；MV法；WAHL法；有限元法；强度；挠度中图分类号TK2632文献标识码ADOI1013707JCNKI311922TH201503012STRENGTHANALYSISOFIPDIAPHRAGMSFORA600MWSTEAMTURBINESONGXINGLIN，SUNTAO，WANGXIAOFANGSCHOOLOFENERGYANDPOWER，DALIANUNIVERSITYOFTECHNOLOGY，DALIAN116024，CHINAABSTRACTTHETRADITIONA1EMPIRICALFORMULAMETHODANDTHEFINITEELEMENTNUMERICALSIMULATIONMETHODUSEDINTHESTRENGTHCALCULATIONOFDIAPHRAGMSWEREREVIEWEDWITHA600MWSTEAMTURBINEBEINGUSEDASANEXAMPLE。THESTRENGTHANALYSISOFINTERMEDIATEPRESSUREIPDIAPHRAGMSWITHDIFFERENTTHICKNESSWASCONDUCTED，SHOWINGTHATTHESTRESSANDTHEDEFLECTIONMAYCHANGENONLINEARLYWITHTHETHICKNESSVARIATIONITISPROVEDTHATTHEDIAPHRAGMDESIGNUSINGTRADITIONALEMPIRICALFORMULAISRELATIVELYCONSERVATIVE，WHICHCANPROVIDEVALUABLEREFERENCETOOPTIMIZATIONOFTHEDIAPHRAGMDESIGNKEYWORDSSTEAMTURBINEDIAPHRAGMS；M_VMETHOD；WAHLMETHOD；FEM；STRENGTH；DEFLECTION隔板作为汽轮机通流部分的重要部件，不仅起到将蒸汽内能转化为叶片动能的作用，还将整个汽轮机分为多级，以使每级均处于最佳速比附近。其设计的合理性影响到汽轮机的效率，更关系到整个机组的安全性。随着汽轮机向高温高压方向发展，隔板的可靠性受到越来越多的关注1。本文利用传统经验公式方法和ANSYS软件对某600MW汽轮机中压级不同厚度隔板的强度和刚度进行了研究，得出了隔板应力随隔板厚度变化的规律，对隔板设计有一定的参考意义。1基本原理11传统经验公式法由于隔板强度计算尚无理论解，故国内外汽轮机生产厂家及相关研究所在大量的生产实践的基础上总结出了形式简单、计算量较小的隔板强度计算经验公式。其中最常用的有MV法、WAHL法。其中MV法常用来计算中等叶高的隔板的强度，WAHL法一般用来计算叶高较小的隔板的强度3一。由于静叶的影响，隔板的变形也非M_V法与WAHL法描述的那样，而是呈现非对称性_4】3。12有限元法有限元法思想为离散和分散插值。将一个复杂的不规则的整体划分为一个个简单的规则的区域，然后对每一个小的区域分别求解，利用插值函数计算出各个单元内场函数的近似值，进而得到函数在整个求解域上的近似解。有限元法的求解结果与理论解的区别在于理论解是绝对的连续的；而有限元法求解的结果为离散的，其准确性与划分区域的方法和数目有关。利用有限元法计算隔板强度时可以考虑隔板与隔板槽接触区域的非线性L413。，但计算量大，计算周期长。故本文采用刚性约束。收稿日期20150408修订日期20150707基金项目中央高校基本科研业务费专项资金资助DUT13JN02。作者简介宋杏林1990一，男，就读于大连理工大学，硕士，主要从事汽轮机结构可靠性方向研究。|111圜第3期600MW汽轮机中压级隔板的强度分析2计算实例21建模利用PROE软件建立隔板的物理模型，如图1所示，静叶数目为56。隔板的结构参数如表1所示。隔板厚度L分别为23、33、43、53、63、73、83、93及103MM。隔板材料特性列于表2。图1隔板物理模型表1隔板的结构参数隔板静叶22有限元模型与边界条件的施加对隔板内外环采用六面体网格，叶片采用四面体自由网格划分。节点数为613602，网格数为357047。1力边界条件在隔板进汽侧施加压差P。叶片除受到两侧压差P外，还受到蒸汽在加速过程中对叶片的反作用力，将此力分解为轴向力F和周向力F。F一GC2一C1Z1APAF一GC2一C1Z12位移边界条件隔板安装在隔板槽内，在隔板外环的出汽侧施加轴向固定约束；为减少计算量，取上隔板进行计算，在中分面处施加对称约束；在隔板中分面螺栓孔沉孔表面施加垂直于沉孔的固定约束。23计算结果不同厚度的隔板的挠度和应力如表3所示。为了与传统经验公式计算结果进行对比，表2中也列出了MV法、WAHL法及静叶简化计算法的计算结果。隔板应力和挠度随隔板厚度的变化趋势如图2、图3所示。表3不同厚度隔板应力和挠度计算结果一数值模拟法MV法|一WAHL法。簟L、亮隔板厚度MM图2隔板应力随厚度变化的关系圜LLLLOL越煺窿一数值模拟法【升MV法【_WAHL法LFJ|J一、H隔板厚度MM图3隔板挠度随厚度变化的关系0善窿第3期600MW汽轮机中压级隔板的强度分析9O0850800一数值模拟法LLJ|、。_、1；IR203040506070809010O11O隔板厚度RAM图7静叶应力随隔板厚度变化的关系3结论本文利用ANSYS软件对600MW中压级不同厚度隔板的强度进行了分析，并将模拟结果同传统经验公式计算结果进行了对比分析，得到以下结论1隔板应力和挠度随厚度呈非线性变化；2经验公式计算得到的挠度和应力值要大于上接第194页S，MISES图7中间隔板斜置后的应力分布5结论135MW机组的低压缸模块已经被广泛用在该等级各系列机组中，但在300OC及05MPA以上参数下的使用尚属首次。通过这次计算可以发现，这种模块的回热抽汽腔室的布置方式并不太适合300OC以上的环境，因为过高的进汽参数会使得中间隔板部分承受更大的温差应力。虽然将隔板斜置可以减少这些应力的集中，但此举实为补救措施，因此不建议在将来的新产品中采用。对于今后新设计的产品而言，在这样的进汽参数圈III|数值模拟结果，其设计值偏保守；3由于隔板外缘安装在汽缸槽内，而隔板体一端自由，在压差的作用下，其轴向变形量的最大值必然出现在隔板内缘中分面靠近转轴处；4由隔板应力云图可以明显看出，其应力不是对称分布，而是具有与动叶转动相反的趋势；5隔板厚度增加可有效减小静叶的应力和挠度。参考文献1董成龙，孙涛，王晓放，等接触分析在汽轮机隔板强度计算中的应用EJ汽轮机技术，2014，561，682HARRISFRTHEPARSONSCENTENARYAHUNDREDYEARSOFSTEAMTURBINESJJOURNALOFPOWERANDENERGY，1984，2421981833吴厚钰透平零件结构和强度计算M北京机械工业出版社，1982E4盛德仁，陈坚红，李蔚，等。600MW汽轮机隔板的强度分析J电站系统工程，2003，19229305吴谦，余峰汽轮机隔板强度有限元法及其应用EJ西安交通大学学报，1997，311056606丁有宇，周宏利，馀铸，等汽轮机强度计算M北京机械工业出版社，1985下，应尽量采用轴向布置的抽汽腔室。另外，当进汽温度超过300时，设计人员必须注意，中分面的螺栓需要采用合金钢材质，并且要对中分面的张口进行计算分析，这样才能保证中分面的密封性能达到要求。低压内缸新结构的应用为以后低压内缸设计提供了宝贵经验，本文详细分析了低压内缸在设计中中分面密封性难以达到要求的原因，并找到了影响密封性的主要因素，为今后低压内缸的设计提供了一定的参考。参考文献1石亦平，周玉蓉ABAQUS有限元分析实例详解M北京机械工业出版社，20062金永明，王争艳汽轮机高强度螺栓设计方法探讨J热力透平，20