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工 程 硕 士 学 位 论 文 火电厂小汽轮机排汽管系统研究与设计 abs tract t o r e d u c et h ee n e r g yc o n s u m p t i o no fb o i 1 e rw a t e rf e e dc i r c u 1 a rs y s t e m s a n di n c r e a s e a g g r e g a t e e f f i c i e n c yi nf u e 1 p 皿e r p l a n t s ， f o r2 0 0 mw a n da b o v e u n i t s ，t h e d r 8 w n f ro m b o i l e rf e e dp u m pt u r b i n e s ( b f p t )a r ed r i v e nw l t hs t r e a ms o u r c e t he t h e i 帅 o r t a n t i n t e r m e d i a t es t a g eo fm a i nt u r b i n e ，t h ee x h a u s tp i p i n gi s p a r to fb f pt . t h i sp 即e rs u mma r i z e st h eo u t 1 i n e so fs e l e c t i o na n dd e s i g no fb f p t e x p a n s i o nj o i n t s ，b u i l d saf i n i t ee 1 e m e n te n t i t a t i v ep i p i n gm o d e 1w i t h a n s y s ，c o n t r a s t sw i t hv a r i o u st r a d i t i o n a lm e t h o d so fl o a d sa n a 1 y s e sa n d c o n c l u d e st h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s . i n e n g i n e e r i n g ， u n i v e r s a l p r e s s u r eb a 1 a n c e de x p a n s 1 o n j o i n t s a r e p r a c t 1 c a lf o rf l e x i b i l i t i e so ft h eb f p te x h a u s tp i p i n g .f i n l t ee l e m e n t e n t i t a t i v em o d e 1 i n gc a nf i n dw e a k n e s si nc o n s t r u c t i o nd e s i g ns oa st o r e i n f o r c et h ep i p i n g .t h i sp a p e ru s e sas i m p l er e i n f o r c i n gm e t h o da n d c o n t r a s tt h er e i n f o r c e ds y s t e mw i t hu n r e i n f o r c e do n et ov a 1 i d a t et h ef o r m e r f e a s i b i l i t y .t h es t r e s sr e s u l t s i n t h emod e li n t e r f a c e sa r e s o m e w h a t c o n s e r v at i v e b utm o rere l i s bl e . t h er e s e a r c h o fb f p t e x h a u s t p i p i n gi nt h i s p a p e rh a s b e e ns u c c e s s f u 1 l y a p p l i e dt ot h e d e s i g n o f b f pt e x h a u s t p i p i n gi ni n n e r m o n g o l i a n d a i h a i p o w e r p l a n t sa n de x t e n d e dt oc o 咖o nb f p te x h a u s tp i p i n g t h er e i n f o r c e db f p t e x h a u s tp i p i n gi sm o r er e l i a b l e .f i n i t ee l e m e n te n t i t a t i v em o d e l 1 n gc a n b er e f e r e n c e dt oo t h e rc o 叩 l i c a t ep i p i n g . k e yw o r d s :b f p t ，e x h a u s tp i p i n ge n g i n e e r i n g ，f e a ，u n l v e r s a lp r e s s u r e b a l a n c e de x p a n s i o nj o i n t 一.， 1 1 1 声明 本学 位论文是我在导 师的 指导下取得的研究成果， 尽我所知，在本学位论文中， 除了加以标注和致谢的部分外， 不包含其他人 己经发表或公布过的研究成果， 也不包 含我为获得任何教育机构的 学位或学历而使用过的 材料。 与我一同工作的同 事对本学 位论文做出的贡献均已在论文中作了明确的说明。 研 究 生 签 名 : 沁彝 、2 。 ， 年俘 月公 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文 档， 可以 借阅或上网 公布本学 位 论文的 全部或部分内 容， 可以向 有关部门 或机构送交并授权其保存、 借阅 或上网公 布本学位论文的全部或部分内容。对于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名:公 氛 汉“违汤 台 年俘月 落 七 日 工程硕 卜 学位论文火电厂小汽轮机排汽管系统研究与设计 1 绪论 在工业技术中存在大量的管道，它是传递介质，完成工艺流程最为基础的元件。管 道技术的研究成为一门新兴的学科，它涉及到许多领域，在实际设计中往往依据标准、 规范来进行。然而标准和规范往往滞后于工程领域的最前沿发展。这就使得在具体的设 计项目中，采用恰当的技术手段进行技术革新成为可能。 蒸汽轮机进出口 的配管自 汽轮机的出 现就已 经开始， 在配管设计中， 汽轮机排汽管 道的正确设计相当重要， 原因是需要详细考虑管道系统的柔性设计，以实现汽轮机排汽 管系的安全工 作川 . 1 . 1 课题研究背景 由于电力生产的连续性，锅炉不能缺水，给水泵必须连续不断地安全运行。给水泵 耗能巨大， 有的耗能高达主机容量的4 % 。 为提高火力发电厂机组的总效率， 降低火电厂 自身的消耗，一般2 00姗 以上机组锅炉不采用电泵给水， 而是采用主汽轮机的中间级抽 汽作为汽源引入小汽轮机， 由小汽轮机来驱动给水泵实现锅炉给水。 相对主汽轮机而言， 给水泵汽轮机又称小汽轮机， 简称小机， 给水泵采用小汽轮机驱动，不仅可获得比液力 联轴器更好的转速可调效益，而且还提高了主汽轮机的热力循环效率，因而在大机组中 得到普遍采用izj 。 小汽轮排汽口的背压很低，从小汽机排汽管至凝汽器，管道的压力一般在6 . 27k pa ( 绝压)，相当于93. 7 %的真空度。600 mw 机组小机排汽管道直径在 d n 2 1 00 左右，由 经验可知，大直径的真空管路设计需要考虑稳定性。 其次，因为小汽轮机属于蒸汽透平 设备，其管嘴受力敏感，需要满足管嘴允许承受的力和力矩。同样，凝汽器入口也有受 力要求。 另外，小汽机排汽管道系统的设计需要考虑其他诸多因素， 其中最重要的是要解决 管路系统的柔性设计问题。 排汽管道系统的管路布置、 支吊架布置以及位移吸收需要恰 当的方法来解决。现阶段， 这条管路膨胀节的典型布置型式有好几种，其中有些应用型 式有其特殊限制条件，如不注意就会出现问题。需要对这些布置型式的优缺点作探讨， 以便工程的实际选用。 因为整个管系是一个静不定力学系统，为能寻求确切的结果， 正确有效的分析计算 方法是必不可少的。该管路系统的应力与接口受力分析方法也有多种，这些方法基本停 留在梁单元理论基础上，对于向本课题研究对象这样的 “ 短、 粗”管道，其分析结果是 否能接受有待甄别。 -.一一一一-. . . . . ， 一-一. .叫 . 叫户 ， 一一-. -一-， . . ， .叫 . .门 . 一一. 一钾 ， - 种 一一叫 -. . 叫 . . 网. 一. . 目. . 叫. . 叫 一叫 . . . . . 户. . . . . 叫 ，.-，目 目. 侧 - l 1 . 绪论 火电厂小汽轮机排汽管系统研究与设计 而今，市场经济的发展，客户希望能在支付同样费用的情况下， 获得更高性价比的 产品，这些要求促使制造企业不断创新，将研究深入下去，并提高技术质量水平。对于 这样一段大直径真空管路系统， 采用实验研究需要花费相当的财力和物力， 而有限元在 一定程度上能够获得较可信的仿真结果。因此，若能采用有限元的方法对排汽管系进行 实体建模分析，了解其实际工作时的状态， 并指导实际的结构设计及制造，一直是公司 技术人员迫切想攻克的难关。 1 . 2 国内外发展概况与存在问题 1 . 2 . 1 排汽管系布置 一般地，汽轮机进出口管道的配管，在满足热补偿和允许受力的条件下，应尽量减 小弯头数量以 减少压降。 管道设计时应首先按自 然补偿的方式考虑， 当自 然补偿无法减 少对机械嘴子的受力时方可在管道上设置补偿器 3。 。 ( 1) 管系柔性设计的 解决方式 为降低管道的热应力， 减少管子热变形对管嘴的推力， 实现。 这通常有二种方法; 其一是提高自 然补偿管道的柔性， 需要通过提高管系的柔性来 一般方法是改变管道走向， 增加管段的 弯头 或采用更大回 转半 径的u 形弯阮 。 如图1 . 2 . 1 . 1 所示， 管系的 柔性随 着 弯头数的增多而增加: 图 1 . 2 . 1 . 1提高管系的柔性方法 这种方法， 对于小管径的管道是可行的了 。但对于大口 径管道，由 于布置空间的限 制，同时为使气流通畅， 采用这种迂回布管的方法几乎没有可能栋 “ ， 川 。于是引入波纹 膨胀节，又称波纹补偿器， 来解决柔性设计问 题ll。 波纹膨胀节是由 其核心元件 波纹管及管道、附属承力构件组成的管道设备l，2 ， 。 其目的是使能够承压的波纹管担当起提高管道柔性、吸收位移，补偿管道变位的重要角 色。大量的工程实践表明， 选择合适类型的波纹膨胀节能显著降低管线的热应力， 提高 管系的安全运行效率l 一勺 工程硕士学位论文火电j 小汽轮机排汽管系统研究与设计 ( 2 )波纹膨胀节选型 文献冈是波纹膨胀节设 计制造的经典规范。其中描述了 采用弯管压力平衡式膨胀 节，可以有效消除作用在泵，压缩机汽轮机等设备的载荷。而且，采用压力平衡式的主 要优点是在吸收外部的 位移时，不会使管道系统受到内 压载荷的作用。 在许多情况下， 与不使用膨胀节而保证安全运行所要增加的设备管道和建筑空间须付出的代价相比， 采 用压力平衡式膨胀节的费用要低得多。 布置图示如图 1 . 2 . 1 . 2 : 图1 . 2 . 1 . 2 在透平机出口 采用弯管压力平衡式膨胀节 采用弯管压力平衡式波纹膨胀节来解决排汽管系统的热补偿及管口初始位移是一 种普遍的做法，因为平衡式波纹膨胀节能够吸收内压，有效防止采用波纹管后造成的内 压推力对接口的影响。对于不同项 目的排汽管系，其排汽口与凝汽器相对布置位置可能 有所差异，这时可以通过调整各个部件的尺寸来协调配合。 还有一 种布置方式， 在汽轮机的 排汽口 先装设一个通用型补 偿器， 然后在装设弯管 压力平衡式波纹膨胀节，如下图示: 图 j21 3 排汽口采用弯管压力平衡式膨胀节的另一种型式 1 绪 论火电厂小汽轮机排汽管系统研究与设计 采用铰链型膨胀节也是种解决方案。 例如邯峰发电厂 1 # 、 2 # 机采用的就是三铰链布置 形式 习 ， 这是由德国5 工 m e n s 设计的 排汽管系，布置方式如图1 ， 2 ， 1 . 4 所示: a 给水泵汽轮机 排汽口 arawe书 卜 b 给水泵汽轮机 排汽口 ara ee 月 卜 凝汽器接口 凝汽器接 口 1 一 佼接补偿拐 3 一 排汽拐阅 2 一万向佼接补偿得 4 一 排汽管道 图 1 ， 214 三铰链方式的小机排汽管系统布置图示 这些布置方式均有其特殊考虑的方面以及特定的适用限制。 我们会在后面的章节中 进一步讨论。 ( 3 )支吊点的设置 选择在管道恰当位置设定支吊架也是配管设计的重要部分。 它影响到管系的柔性和 管嘴的受力16 7 【幻 。选用弹簧支吊 架被认为是调整管道柔性的 一个措施呱 2川 。 1 . 2 . 2 系统常规静力分析方法 排汽管系统常规静力分析与管道的应力分析相同，主要是由于管道承受压力、 外部 荷载以及热膨胀而引起的。管道在这些载荷的作用下具有相当复杂的应力状态。一般管 道应力分析计算由两部分构成川 。 ( 1) 研究管系在上述各 载荷作用下所产生的应力，将其归类，并 施以相应的判断 数据，以评价管系 本身的安全性。这部分内 容包括一次应力、 二次 应力和应力 集中等。 这些应力以不同的验算方法和判断数据进行检验，管系应满足这些验算条件。 ( 2) 计算出管系在上述各载荷作用下对其约束物的作用力。 ( 例如设备管嘴及各 类支吊架等等)，这些都属于静力计算，它是应力分析的基础。 常规排汽管系统的的静力分析， 是用传统的重心分配的 方法和 经验算法阁 。 当介质 流速及压力变化较大时， 需要考虑计算 扰动产生的附加荷载【川 。 文献!3 欲 推荐的 计算方法是 将管系做了简化， 它 假定: 管道及介质的 重量由 适当设 置的支吊架来承受，计算不予考虑;支吊架的摩擦力为零;管道本身的柔性不考虑，由 工程硕 1学位论文 火电)小汽轮机排汽管系统研究与设计 管道弯曲 产生的力和力矩忽略不计。 然后采用理论力学的方 法求解静力平衡方程。 得到 管口的受力结果。 文献阁采用手工计算的方法分析了 烟气轮机进出口 管道的支架受力。 文献ljj 指出，可以 按照超静定结构静力计算法计算。早在四十年代，经典的力法就 被引入了管系静力解析。根据卡氏定理，一个力的作用点沿此力方向的线位移，等于其 一个力矩作用点沿此力矩方向的角位移，等于 01= 望 上 其变形能 对该力矩的 偏导数，即a mi。 然后，列出由 弹性变形能求线位移和 角位移的 方程式， 将端点的多余约束力作为未知数， 未知数的数目 等于管系的超静定数， 由相应数量的变形协调方程来求解， 求得计算管系端点的作用力和力矩。 这种方 法的应 用范围 广， 可以 计算具有外力载荷、 位移载荷和具有不同约束条件的简单管系或多分支 管系或环形管系， 它是管系作用力 和力 矩计算的基本方法。 这种方法，可将管系上各类 元件 ( 直元件和弧元 件) 在集中载荷或均布载荷作用下的变形系数预先推导出来， 并用 表格列出，适用于笔算，也是矩阵方法的基础。在 50 年代，结构分析的矩阵方法开始 用于管系静力计算中 ， 矩阵理论表 述简洁， 便于 描述多种载荷 对复杂管系的 作用，也 便 于利用计算机进行计算。 通常把建立在经典结构分析原理， 利用矩阵方法并在计算机上 实 现的方法称为详细解析法， 详细解析计算量浩繁，用人工 求解几乎是不可能的。 随着计算机的应用日 益普遍， 管道的详细应力分析主要依赖于计算机程序。 目前 常 用的管道静力分析程序主要有下列几种【 11 : a) 等值刚度法计算程序; 它基于数学上等值变换原理， 将复杂多分支管道变为无 分支管道的等值刚 度法计算原理侧。按照管道工程设计中的4 种工作状态，形成单刚、 总刚柔度矩阵进行应力求解。 文献冈是 这种方法的应用情况。 b) 有限元通用计算程序一 s a ps程序: s a ps 是由国 外引进的大型结构线弹性计算通 用程序， 可用于各种结构计算。 现阶段一般采用 ans ys程序软件的梁单元进行建模计算。 文献阁采用梁单元建模， 对 排汽管道进行受力计算， 取得了比手工计算更精确的计 算结果。 而且，在模拟波纹管单元的 特性中， 他提出了 采用 “ 等效梁”的概念 ( 与文献 闹提出的“ 等效模量” 相类似)，将波纹管的宏观力学特性真实的描述出来。文献叫 分析了波纹管详细建模的方法及单元选择对结果影响的比较， 指出采用板壳单元能获得 更精确的结果，并且与e j m a规范公式的计算结果非常符合。 c) 石油化工非埋地管道抗震设计与鉴定 ( pb从 d) 以esa r ll 管道应力分析 程序; c a e s arh 软件是在微机上 运行的管道应力分析程 序。 是进行机械管道系 统设计和分析的工 程工具 叫 。 它通过采用简单梁单元建立管系 模 型，并定义作用在系统中的载荷，生成系统中用位移、载荷、应力表不的结果 州。 1 . 绪 论火电厂小汽轮机排汽管系统研究与设计 c a e s a r n 管道应力分析软件在一般的 静力分析中， 能够完成以 下几个方面的计算咖 计算压力 荷载和持 续外载作用下的一次应力，以防 止塑 性破坏。一次应力的 基 本特征是非自限性的，它满足与外加荷载的平衡关系，始终随所加荷载的增加而增加， 当其值超过材料的屈服极限时，管道就发生塑性变形而破坏。 该软件考虑的轴向应力是 均布的。 计算管道热胀冷 缩以及端点附加位移等位移荷载作用下的二次应力。二次 应力 的 特征是有自 限性的， 它不 直接与 外力平衡， 当裁荷超过材料的屈服极限时，由于 管道 局部的 屈服和产生少量塑性变形就能使应力降 低下来， 这时应力重新分布， 使材料的 应 变达到 自 均衡。 计算管道对设备的作用力， 保证设备正常运行。 计算支吊架受力 计算管道上的法兰受力，防止法兰泄露。 以esarll 软件面向工 程设计人员， 在国内 得到广泛的应用。文献比3 幻 采用 caesar 11 软件，计算分析装置间管道的 应力情况。文献别 介绍了 如何利用管道应力分析软件 c a e s a r n 进行小机排汽管波纹膨胀节的 计算和配管的辅助设计。 文献3 幻 指出，管道应力计算主要是计算管道在内 压，持续外载( 包括自 重 ) 作用下， 以及热胀冷缩及其它位移受约束而产生的应力。管系处在多向应力作用的复杂应力状 态，它的失效或破坏要借助一定的强度理论来判断。目前，管道应力计算中。采用较多 的是最大剪切力理论。 管道应力 验算的失效准则， 最早采用的是弹性失效准则。 它是以 荷载引起的 应力和 应变均在弹性范围内， 管系不发生任何屈服为限定值， 它仅计算综合应力对管系的影响， 比 较保守。 随着实践经验和理论的 发展、 进一步 采用了极限分析、以充分发挥和利用弹 性材料的性能。极限分析认为，管壁上局部区域的屈服，并不意味着管系就会失效或破 坏，少量屈服的部份被周围的弹性材料所包围， 还可继续加载，直至一个或几个区域充 分屈服，使结构处在不变荷载下发生塑性流动的 荷载，才是极限荷载。 结构力学的超静定矩阵方法用于管系分析， 使管系的分析发生了巨大的变化。与这 一方法相联系的计 一 算机的高速发展又为管系分析和模拟提供了更为强有力的工具。 近十 几年来.复杂管系分析的各种数值方法及其程序已被研制出来。而且朝着大型化和通用 化发 展。 t程硕士学位论文 火电厂小汽轮机排汽管系统研究与设计 文献圈还指出， 有限元这一数值方法特别有用。 可以 肯定， 通过利用连续性原理和 计算机语言相结合，对管系的综合分析、求解方法一定会在管系的蠕变、疲劳、振动荷 载( 包括地震) 等更为复杂的问题方面做出突破。 从以上 叙述可以 得出这样一个 结论: 采用有限元的分析方法是现阶 段解决超静定 管 系受力的 最佳手段。 而采用详细建模的分析方法有比简化的建模更加贴近工程实际。 1 . 23当前存在的主要 问题 排汽管系的各种布置方式都与 特定的工作条件相适应， 采用何种布置方式需要分析 论证。 管系应力分析采用手工计算的 方法烦琐， 而且精度很难保证， 只要组成管路系统的 任何一个元件有变化都需要重新核算，工作量很大，与目前 “ 短、平 、 快 ”的工作节奏 不协调。 采用梁单元建模，包括采用ans ys 或s a ps程序或面向工程的c a e s arh 程序是目 前 的主流电 算方法。 到现在为止， 这仍被认为是一个很好的方法。 但是从 构造上来说， 梁 单元应该是长度远大于截面尺寸的一维 构件图。 因此， 采用这种处理方法求解长径比不 大的管路是否精确有待验证。 应该采用容器分 析设计的方法来进行这种 “ 短、 粗” 管道 的分析。 c aesar n 程序是基于截面为 轴对 称的管道即园形管道模型，它不能 计算矩形管道。 另 外，由 于梁单元模型的限制， 不能 详细分析 管道壳体本身的应力情况。 在长径比 较大 的管道中， 其受力分 析应该是比较精确的，而 长径比 不大的管道是否精确需要 验证， 这 一点与文献囚的情况类似。 1 . 3 课题研究内容与目标 本课题的主要研究内容包括以 下几个方面: 论证、 总结分析排汽管系统布置 方式，以 及管系柔性设 计的基本思路。 对一 些布置 方式进行对比分析，找到通用可行的600 袱 小汽机排汽管系统布置样式。 探讨排汽管系统整体有限元建模的 方法， 解决建模过程中的各个问 题， 例如几何模 型的简化，实常数的选取等。 取得建模分析的结果， 对管系设 计进行改 进优化。 对比分析其他常规电算分析的结果，指出实体建模的优势。 将研究结果应用到的实际工程中的情况。 1 . 绪论火电厂小汽轮机排汽管系统研究与 设计 结论与展望。 1 . 4 论文的主要内容 论文是在课题研究的基础上， 结合管道应力分析工作的特点与现状，综合运用了研 究与探讨。全文共7 章，各章的主要内容如下: 第1 章绪论部分主要介绍了研究课题的背景， 现阶段管道静力分析概况， 存在问题， 以及本课题研究的主要内容等。 第2 章主要阐述了排汽管系统的总体布置方案的论证与设计， 任务的描述及初始条 件、接口受力评判准则，以及管路系统柔性设计的方法。 第3 章研究管路系统采用有限元建模的方法，几何模型的简化，实常数的选择， 边 界条件、载荷及约束的考虑方式。 第4 章详细展示排汽管系统实体建模在各个工况下的分析结果与评判， 罗列了排汽 管系统加强前后的应力分析结果， 计算表明，通过简单的加强，排汽管系统的结构刚性 得到很大的提高。 第5 章介绍了 采用其他计算分析方法(an s 丫 sy梁单元、 c a esa r n 程序) 的计算结果， 并与采用s h e 比单元整体建模进行了对比分析。 第6 章简单介绍了排汽管系统的工程实施情况。 第7 章也即论文的最后部分， 是本文的研究总结与结论、目 前尚存在的不足、以及 今后的发展方向与展望等。 较 工程硕 卜 一 学位论文火电小汽轮机排汽管系统研究与设计 2 排汽管系统总体布置方案的论证与设计 配管设计的原则是保证管道所受的荷载在管材所允许应力的安全范围之内， 对于汽 轮机这样的透平设备的配管，更要考虑到，管道通过排汽口与机组相连，机械管嘴的反 力及力矩 ( 由于重力，热胀反力， 初始位移产生的反力等)必须限制在允许的范围内， 否则将引起连接法兰的泄漏、设备的变形和局部应力的增大、转动设备的间隙改变、转 子与定子之间的摩擦和接触、振动增加机泵寿命的降低等 “ ， ， ， 刘。 而且，随着机泵效率的提高， 汽轮机内部的制造和安装精度也随之提高，对管道作 用力的要求也更严格了。因此在管道设计中，不仅仅要考虑管道自 身的应力是否合格， 还要满足与管道相连的设备允许荷载。这对管道设计提出了比较苛刻的要求。 2 . 1 任务描述及初始条件 任务描述:依据相应的标准规范， 根据初始条件， 选择适当的柔性设计方案:整个 管系采用实体建模的方法，进行静力分析。同时采用其他分析计算方法计算接口受力， 分析对比，寻找该管系合理的设计分析结果。 因为本课题涉及的产品零部件的制作、 采购、生产都是常规的生产工艺及质量控制 过程，实际上可以将本课题当作一个设计项目来对待。 有设计就会有设计输入和设计输 出。 设计初始条件可以作为设计输入，这包括:常规的工况参数 ( 温度、压力等)、排 汽口与凝汽器的相对位置、管路的接口初始热位移 典型的排汽管工况为: 排汽压力:6 . 2 7kp a(绝压) ( 正常工况) ， 7 0kpa( 绝压)( 最高工况) 设计压力:一 oi m p a 排汽温度:52 正常) ， 11 0 ( 最高)，设计温度 1 10 排汽流量:34. s t / h(正常工况) ，45. 6t/h ( 最高工况) 排汽管道规格:矩形管道2 5 4 0 x1220，圆形管道中 2 120 ，管道壁厚均为12mm。 排汽口与凝汽器的相对位置参考图2 . 4 . 1 、2 . 4 . 2 。 高温热态 1 10时，汽轮机排汽口垂直方向向下位移 4 . 83 mln，冷凝器管口 垂直方 向向上位移1 0 咖， 2 方向位移一 5 . 0 咖， x方向位移一 2 . z mln。操作态52时的接口位移 可参照取值，不失其保守性。 . . 户.， . . ，口 . 9 2排汽管系统总体布置方案的论证 与设计工程硕士学位论文 2 . z n e m a准则 美国电气制造商协会标准nem as m 2 3中关于管嘴受力的规定是蒸汽轮机管嘴允 许受力最严 格的标准， 设备制造厂可根 据其实际经验数据， 允许较大的受力” 。 2 ， 。 nema 标准91 年版规定，作用于任一嘴子上的合力及合力矩不应超出以下条件侧: 3 f r + m r (5 0 0 d e 式中: f 一嘴子上的合力。lb m 一嘴子上的合力矩。lb一ft de当量直径，英寸。嘴子公称直径不大于 8 ”时，de二嘴子的公称直径;嘴子 公称直径大于 8 ”时，d e =( 嘴子的公称直径十 1 6) /3 以上判据若采用公制单位，表示为: f 尹1 0 9 m ， 蕊2 9 2 2 6 . s d e 式中: f 一嘴子上的合力。n m 一嘴子上的合力矩。n . m d e 当量直径，m 。嘴子公称直径不大于 0 . z m时，de=嘴子的公称直径;嘴子公 称直径大于 oz m时，de=( 0 . 4 0 64 十嘴子的公称直径 d) / 3 若将现排汽口的尺寸 2540 x1 2 2 o按面积折算为嘴子的公称直径 d代入上式，就可 得到d n z 10 0 ， 6 00翩机组小汽机排汽管口的 受力限 制公式: 凡+ 1 . o g m r 落2 3 3 1 0 n e m a 标准同时还规定了所有进汽口、 抽汽口和排汽口上的力与力矩在排气口中心处 的合力及合力矩的判定要求。 由于制造排汽管的厂家一般难以获得其他管道对汽轮机的 反力数据， 因此， 一般仅按照上式进行管嘴受力校核。 2 . 3 排汽管系统的柔性设计 首先讨论在自然补偿无法减少嘴子受力时， 采用补偿器对机械嘴子的影响，通常低 压管道用膨胀节来提供柔性，如果膨胀节选用不合适.它可产生巨大的反作用力作用在 机械的嘴子上。一个非约束型的膨胀节将产生相当于有效区域内压的轴向推力( 即盲板 力) 。图 2 . 3 . 1为压力管道上的膨胀节。轴向反力将产生在汽轮机到弯头之间。为防止 上述情况出现.弯头处应设置 一 固定支架以保证它不移动。同时.透平也承受该反作用 力，并把它传到固定支架上。在这种情况 f，汽轮机所受的力比允许值要大的多_通常 情况下，这种形式的膨胀节 ( 通用型膨胀节) 不可选用。t钊 l r l 2 . 排汽管系统总体布置方案的论证与设讨 工程硕十学位论文 ( 3) 热位移补偿方式 压力平衡式膨胀节位于排汽口下部， 为方便设置这种类型补偿器的平衡端， 将这个 流向改变的部位制作成三通，而不是弯管。 将该膨胀节设置为水平是考虑到这种膨胀节的横向刚度较小， 而冷凝器管口垂直方 向向上位移、 排汽口的向下位移以及排汽口到三通之间垂直管段的热位移， 相对于膨胀 节都是横向位移，这种布置方式使得膨胀节的弹性反力更小。 小汽机排汽管系的一般布置见图2 . 4 . 1 、2 . 4 . 2 。 一1 一 汽 机 发 电 机 组 中 心 生 一 r 一t - 一 - 一 - 一 一 图2 . 4 . 1 小汽机排汽管系统布置图示 ( 一) . . . . . . . . . ， . . . ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 工程硕士学位论文火电)小汽轮机排汽管系统研究与设计 口架址扁分 a 向 1 3 . 7 8 8 m 梁 底 预 埋 铁 方 园 节 1 0 一 s m 安 全 模 板 接 口 流向 855门 6 b5 价68 5 n 图2 . 4 . 2 小机排汽管系统布置图示 ( 二) 一峪， . . . 叫. . . l 5 3 . 排汽管系统实体建模 工程硕士学位论文 3 排汽管系统实体建模 小汽轮机排汽管系统的实体建模是解决设计问题的关键。 对实际问题进行恰当的简 化、 抽象以及采用合理的离散方式是建模的关键。本课题采用 a nsys 有限元分析软件对 6 0 0 姗 小汽机排气管道进行建模分析。 3 . 1 有限元技术与ans 丫 5 软件 在现代先进制造领域中， 最常见也是最基本的问题是计算和校验零部件的强 度、 刚 度以 及对机器整体或部件进行动力分析等。 虽然人们运用力学原理已 经得到了它们的 基 本方程和边界条件， 但是能用解析方法求解的只是少数方程性质比较简单， 边界条件比 较规则的问题。 绝大多数工程技术问题很少有解析解。这类问题的解决通常有两种:一 种是引入简化假设，使达到能用解析解法求解的地步，求得在简化状态下的解析解，这 种方法并不总是可行的， 通常可能导致不正确的解答。 另一种途径是保留问题的复杂性， 利用数值计算的方法求得问 题的近似数值解。随着电子计算机的飞 跃发展和广泛使用， 已逐步趋向于采用数值方法来求解复杂的工程实际问题， 而有限元法是这方面的一个比 较新颖并且十分有效的数值方法。 有限 元法是根据变分法原理来求解数学 物理问题的一种数值计算方法。 由 于工程上 的 需要， 特别是高 速电 子计算机的发展与应用， 有限 元法才在结构分析矩阵方法基础上， 迅速地发展起来，并得到越来越广泛的应用。 ansys软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析 软件，由 世界上最大的有限元分析软件公司 之一的美国a n s ys公司开 发。 软件主要包括三个部分:前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提 供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型;分析计算 模块包括结构分析 ( 可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析)、流体动力学分 析、电磁场分析、 声场分析、 压电 分析以 及多 物理 场的祸合分析， 可模拟多种物理介质 的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力;后处理模块可将计算结果以彩色等值线 显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示 ( 可看 到结构内部 ) 等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软 件提供了 100 种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。 ansys 软件是第一个通过工 5 0 9 0 01质量认证的 大型分析设计类软件， 是美国 机械工 程师协会 ( asm e) 、美国核安全局 ( n q a) 及近二十种专业技术协会认证的标准分析软 件。 在国内第一个通过了中国压力容器标准化技术委员会认证并在国务院十七个部委推 广使用 。 .，.，.一一 l 6 1程硕 七 学位论文火电小汽轮机排汽管系统研究 与设计 4 实体建模的分析与评定 4 . 1 概述 排汽管系统采用ans ys 软件实体建模后， 需要计算在各种工况下的接口受力以及结 构应力情况。 加载这些不同的工况相当于加载不同的荷载， 其目的是考验结构在这些荷 载下的反应。并对这些结果进行评定，以校核结构设计是否满足标准和规范的要求。 按3 . 2 . 5 节的描述，需要对排汽管系统加载六种工况。其中工况 1 、工况6 是计算 分析的需要， 并不对应于实际情况。 工况2 至工况5 分别代表了 排汽管不同的工作状态。 4 . 1 . 1 计算分析过程 首先， 假定弹簧刚度为z xl o 响 / 咖，并将弹簧根部固定， 相当 于将弹簧支撑当 成刚 性支撑。由此，计算得到各支点的反力f ， 。 进一步作适当调整， 根据国标选择支承弹簧 号，确定刚度及决定初始位移，即确定各支吊点弹簧的预紧力。将此预紧力确定下来， 作为后续计算中的初始荷载。再根据各工况要求加载相应的温度、压力、接口初始位移 等荷载。将各计算结果的接口受力进行分析，调整各支吊点弹簧的预紧力，再次重新计 算各工况，反复计算几次，找到适当的支吊点弹簧的预紧力。计算分析过程描述如图 1 . 1 : 求 弹 肠 初 始 支反 力f 丫 确定养弹 资 劝始位移刚度 。得到 须紧 力 加毅各种摘教 、计算各上况下接 目反力 分析按 曰反力、 女 n e 卜 工 a 准则脸延 是否满足接口受力要求 结 束1 1 崔、愉出结爪 图4 . 1 . 1 . 1 寻求支吊点弹簧恰当的预紧力 计算分析过程 注:后面 4 . 2 、4 . 3章节的计算结果是已经经过弹簧的预紧力的调整，得到的较佳的 l果 4.结 2 7 4实体建模的分析与评定 工程硕士学位论义 计算时，先按初步的设计方案进行了初算，结果发现其结构设计局部有欠妥之处。 根据计算结果，对局部进行了修改，结果管口推力大幅下降。本章节将初步设计方案的 计算分析结果与改进后方案的计算分析结果进行对比。 4 . 1 . 2 应力分析评定原则 小汽机排汽管系统承受温度、自 重、 接口初始热位移和支吊力等载荷作用， 应力分 析结果包含一次应力、二次应力和峰值应力的总应力场， 常用的结构强度评价方法是弹 性失效准则，即结构中任意一点的最大应力强度不得超过材料的许用应力强度。 但根据 现行的 压力容器分析设计规范j b 4 7 3 2 一 95网，如果结构是稳定和安定的，则允许出现局 部塑性变形区， 应力分析方法需要对计算部位的应力做较详细的计算， 并根据应力分布、 应力产生的方式以 及对管件系统结构强度失效所起作用的差异， 按应力的不同 特性及产 生应力的原因和条件、 应力性质和应力存在区域的大小， 将结构上的应力分为一次应力、 二次应力和峰值应力三类。一次应力是平衡外部载荷所必需的基本应力，是由施加的载 荷产生的，当它超过材料的屈服极限时， 构件即产生塑性变形， 严重时会直接导致构件 的破坏， 管内蒸气真空度和其它机械载荷作用于管件系统时产生的应力为一次应力: 二 次应力是指由于结构的自 身约束或相邻部件的约束而产生的应力， 这类应力可以使构件 屈服， 产生小的塑性变形， 但它不会直接导致构件的破坏， 总体结构不连续处的弯曲应 力就属于二次应力。峰值应力包括由于结构存在裂纹、缺口 等缺陷而产生的应力集中和 局部热应力， 是由于局部结构不连续而加到一次和二次应力之上的增量， 这种应力不会 引起整体结构任何显著的变形， 但它可以导致构件产生疲劳裂纹或脆性破坏，峰值应力 对导致压力容器失效所起的作用最小。因此， 需要对计算结果进行分类处理，对各类应 力及其组合的当量应力给予不同的限制条件。峰值应力 ( 包括与其它应力的组合应力) 应按材料低周疲劳曲 线进行控制栩 。 对该管件系统的强度进行校核， 在满足极限设计强度的同时， 还应满足安定性条件， 安定性是指构件在载荷、 温度反复变化的过程中， 不发生塑性 变形的 连续循环， 即结构 仅在初次加载的过程中出现一定的塑性变形， 而在以后的载荷循环中;不再出现新的塑 性变形而仍处于弹性循环中。 只有二次应力才能按安定性分析原理进行限制。即在一次 应力与二次应力组合时，用5 * =pl( p m ) +pb +q ( p m 一 为一次总体薄膜应力，p l 一 为一次局 部薄膜应力，p b 一 为一次弯曲应力， q 一 二次薄膜应力+ 弯曲应力)的组合形式以安定性原 理进行分析，并用3 司t 作为许用应力强度进行限制。对于由于应力集中 ( 缺口) 而加 到一次或二次应力上的增量，采用s v =pl( p m)+pb 十 q +f (sa来判断。 (f一峰值应力， s a 一根据疲劳次数对应的应力限值，查疲劳曲线得到。) 对于一次应力强度的限制是防止过度的弹性变形和延性破坏， 对于一次加二次应力 强度的限制是防止塑性变形引起的增量破坏， 对于峰值应力强度的限制是防止周期性载 荷引起的疲劳破坏。 一一一一一一一一一 2 日 4 . 实体建模的分析与评定 工程硕士学位论文 4 . 38小结 ( 1)接 口受力结果 按照 nema 判据，各工况排汽口受力均通过。 ( 2) 应力分析结果汇总见表 43 . 8. 表43 . 8 . 1 应力分析结果汇总 从计算结果来看，在大拉杆前支耳垫板处有较大应力，计算最大应力基本能通过规 范要求。这说明，对结构所采取的加强措施是有效的。 ( 3)位移计算结果汇总见表 4 ， 3 . 8 ， 2 。 表 43 . 8 . 2 位移计算结果汇总 土况最大综合位移 ( m m m ) 发生部位备注 冷态 ( w ) 2 ， 4 中间接管部位中间接管自重造成 抽真空态 w +p) 6 ， 1 平封头上部 承受一 0 . i m p a 时， 结 构变形。 操作态 ( 平p + t52 +d) 1 7 . 3 中间接管部位管道及接口热位移 高温热态( w 、 p + t l l o + d ) 2 1 . 1 同 上同上 受真空外压的最大变形为 6i nun，其他位移是由于管道材料的受热膨胀以及接口的 初始位移，膨胀节正好完全吸收了这些位移量。 52 工程硕 七学位论文 火电j小汽轮机排汽管系统研究马设计 4 . 4 结构改进前后效果对比 虽然只是在方接管长边中部，方圆节，三通中部，封头小接管等局部进行加强， 这 部分加强所消耗的材料仅为(l 8 6 6 2 9 一 183 3 0 2 ) /9 8 = 3 39. s kg，排汽管系统总体仅增加 1 . 8 % 的质量，但对降低应力效果显著，表4 . 3 . 9 . 1 对比了加强前后主要计算计算结果。 表4 . 3 . 9 . 1 加强前后接口受力及应力对比 工况项目初步方案加强后方案降低百分比 冷态 ( 份 ) 凡+ 1 . 0 9 * 施1 3 8 4 5 . 21 2 7 7 0 . 97 . 7 6 % 膜+弯曲应力 2 0 5 . 3盯 a1 7 9 . 6淤a 1 2 . 5 2 % 结构最人综合位移 2 . 6 田 口2 . 4 m 田7 . 6 叽 抽真空态 ( w +p ) r+ 10 9 * 施2 6 1 5 731 7 2 5 5 . 03 4 . 0 3 % 膜+弯曲应力 6 7 9 6m p a3 1 2 m pa5 4 . 0 9% 结构最大综合位移 2 34” l m6 . 1 们 抓 7 3 . 9 3% 操作态 ( 甲 + p + t 5 2 + d ) f k + 1 ， 0 9 * 珑2 0 6 4 9 . 91 7 2 5 8 . 21 6 . 4 2 % 膜+ 弯曲应力 6 8 0 . 4m p a3 1 4 . 7m p a5 3 . 7 5 % 结构最大综合位移 2 4 . 6 m 加17. 3 画 注 高温热态 ( 甲 + p + t l l o + d ) 凡+ 1 ， 0 9 * m r2 1 4 1 0 82 0 4 8 604 3 2 % 膜十弯曲应力 6 8 0 . 7 m p a3 1 5 m p a5 3 . 7 既 结构最人综合位移 2 4 . g m 盯 121. 1 咖注 注: 上表中， 初步方案的综合位移都是结构件在真空下的变形。加强后方案在操作 态及高温态时，结构变形仍然在 6 一7 枷 左右，此时的最大位移反映的是接口位移以及 管道热膨胀的位移。 可