朱紅磊

(上海汽輪機(jī)廠有限公司，上海 200240)

給水泵汽輪機(jī)是電站熱力循環(huán)系統(tǒng)的主要設(shè)備之一，其安全可靠的運(yùn)行直接影響著整個(gè)電站設(shè)備的運(yùn)行。給水泵機(jī)組的工作環(huán)境多變，進(jìn)汽參數(shù)越來(lái)越高，這就對(duì)機(jī)組的強(qiáng)度結(jié)構(gòu)及密封性提出了更高的要求。本文以某一電廠1 000 MW等級(jí)全容量雙流給水泵機(jī)組汽缸為例，變更其進(jìn)汽參數(shù)，采用ABAQUS有限元計(jì)算軟件進(jìn)行有限元模擬，研究其汽缸在不同參數(shù)下的強(qiáng)度、密封性及偏心問(wèn)題，并給出參考建議，為1 000 MW全容量雙流給水泵汽輪機(jī)的系列化開發(fā)提供參考。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 幾何模型和材料

雙流給水泵機(jī)組縱剖圖(1)見圖1，此1 000 MW等級(jí)全容量雙流給水泵機(jī)組汽缸由蒸汽室、進(jìn)汽缸、持環(huán)與排汽缸組成。蒸汽室與進(jìn)汽缸、進(jìn)汽缸與排汽缸均采用螺栓連接。在持環(huán)通流區(qū)域引一股過(guò)熱蒸汽進(jìn)入持環(huán)與外缸間的分割腔室，以降低軸向溫度梯度，提高汽缸密封性。

圖1 雙流給水泵機(jī)組縱剖圖(1)

為驗(yàn)證此外缸的結(jié)構(gòu)性能，本文變更其工作參數(shù)，采用ABAQUS軟件進(jìn)行有限元模擬計(jì)算。外缸各部件的材料見表1。從圖1可以看出，進(jìn)汽缸與蒸汽室連接部位螺栓的安裝空間十分緊湊，最大可采用規(guī)格為M52的冷緊螺栓，螺栓緊力為310 MPa。下文的計(jì)算模擬中，汽缸與蒸汽室連接處均采用材料為14Cr11W2MoNiVNbN，規(guī)格為M52的螺栓。

表1 外缸各部件的材料

1.2 網(wǎng)格劃分和計(jì)算邊界

采用ABAQUS軟件進(jìn)行模擬計(jì)算前，需先確定網(wǎng)格單元和邊界條件。當(dāng)結(jié)構(gòu)在某一個(gè)方向上的長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于其他方向的長(zhǎng)度，且忽略沿厚度方向的應(yīng)力時(shí)，可以用殼單元進(jìn)行模擬[1-2]。例如，壓力容器結(jié)構(gòu)的壁厚小于典型整體結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度的1/10，一般就可以用殼單元進(jìn)行模擬。當(dāng)結(jié)構(gòu)在某一個(gè)方向上的長(zhǎng)度明顯大于其他兩個(gè)方向的長(zhǎng)度，并沿該長(zhǎng)度方向的應(yīng)力最重要時(shí)，可以用梁?jiǎn)卧M[1-2]。為了在應(yīng)用梁?jiǎn)卧碚摃r(shí)產(chǎn)生可接受的結(jié)果，橫截面的尺寸必須小于典型結(jié)構(gòu)軸向長(zhǎng)度的1/10。

圖2 計(jì)算模型示意圖

因此，進(jìn)汽缸與蒸汽室采用實(shí)體單元C3D4T，排汽缸采用殼單元S4RT、S3T與梁?jiǎn)卧狟31。計(jì)算模型與網(wǎng)格模型分別見圖2與圖3。

圖3 網(wǎng)格劃分示意圖

常規(guī)給水泵機(jī)組的進(jìn)汽壓力在1 MPa左右。給水泵機(jī)組的汽缸強(qiáng)度密封及偏心受壓力影響較小，受溫度影響很大。本文改變進(jìn)排汽溫度進(jìn)行數(shù)值模擬，研究此汽缸的結(jié)構(gòu)性能及其適用的參數(shù)范圍。

計(jì)算方法1為：保持進(jìn)汽溫度不變，調(diào)整排汽溫度，查看汽缸的偏心問(wèn)題。計(jì)算方法2為：保持排汽溫度不變，調(diào)整進(jìn)汽溫度，查看汽缸的強(qiáng)度密封問(wèn)題。進(jìn)排汽溫度的變更見表2。分割腔室溫度根據(jù)進(jìn)排汽溫度作出相應(yīng)變更。

表2 進(jìn)排汽溫度變更表

2 計(jì)算結(jié)果

2.1 變排汽溫度

保持進(jìn)汽溫度不變，改變排汽溫度時(shí)，持環(huán)中心隨排汽溫度的變化見圖4，轉(zhuǎn)子中心隨排汽溫度的變化見圖5。圖中縱坐標(biāo)正值表示中心上抬，負(fù)值表示中心下沉。

圖4 持環(huán)中心隨排汽溫度的變化曲線

圖5 轉(zhuǎn)子中心隨排汽溫度的變化曲線

由圖4可知，隨著排汽溫度的升高，持環(huán)中心上抬量逐漸變大。經(jīng)分析可知，持環(huán)豎直方向的支撐位置在外缸中分面，而外缸豎直方向的支撐位置在中分面之下的裙邊。裙邊為熱脹的零位，排汽溫度越高，中分面相對(duì)于裙邊向上膨脹越多。

由圖5可知，隨排汽溫度升高，轉(zhuǎn)子中心先上抬后下沉。軸承支撐結(jié)構(gòu)示意圖見圖6。在軸承正下方的支撐筋板上任取一點(diǎn)，查看其水壓應(yīng)力隨排汽溫度的變化，變化曲線見圖7。圖7中縱坐標(biāo)正值表示受壓，負(fù)值表示受拉。本文計(jì)算中假定回油溫度為70 ℃。分析圖5與圖7可知，排汽溫度的升高對(duì)軸承產(chǎn)生下拉效果。當(dāng)排汽溫度小于回油溫度時(shí)，轉(zhuǎn)子中心上抬；當(dāng)排汽溫度大于回油溫度時(shí)，轉(zhuǎn)子中心下沉，且排汽溫度越高，轉(zhuǎn)子中心下沉越明顯。

轉(zhuǎn)子與靜子部件的偏心會(huì)影響動(dòng)靜部件的徑向間隙。排汽溫度越高，偏心越大，設(shè)計(jì)的徑向間隙越大，機(jī)組的熱效率越低。因此需根據(jù)熱效率需求來(lái)限制排汽溫度。

圖6 軸承支撐結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 水壓應(yīng)力隨排汽溫度的變化曲線

2.2 變進(jìn)汽溫度

保持排汽溫度不變，調(diào)整進(jìn)汽溫度進(jìn)行數(shù)值模擬，查看汽缸的強(qiáng)度與密封，發(fā)現(xiàn)密封限制點(diǎn)在蒸汽室與進(jìn)汽缸法蘭接合面處，強(qiáng)度限制點(diǎn)在排汽缸靠近垂直法蘭的斜撐板處。

蒸汽室與進(jìn)汽缸接合面的壓應(yīng)力圖見圖8，由于軸向與橫向的溫度梯度變形不協(xié)調(diào)，蒸汽室與進(jìn)汽缸的法蘭接合面出現(xiàn)內(nèi)張口和外張口現(xiàn)象。在蒸汽室與進(jìn)汽缸法蘭接合面上，取密封最差的考核點(diǎn)(即圖8中橢圓線圈區(qū)域)，查看其密封效果隨進(jìn)汽溫度的變化，變化曲線見圖9和圖10。

圖8 蒸汽室與進(jìn)汽缸接合面的壓應(yīng)力圖

經(jīng)分析可知，進(jìn)汽溫度越高，螺栓松弛越嚴(yán)重，變形不協(xié)調(diào)性越大，密封效果越差。當(dāng)進(jìn)汽溫度大于430 ℃時(shí)， 蒸汽室與進(jìn)汽缸法蘭接合面的接觸壓力消失，出現(xiàn)間隙，密封不合格。因此當(dāng)進(jìn)汽溫度大于430 ℃時(shí)，建議蒸汽室與進(jìn)汽缸連接形式改為焊接。雙流給水泵機(jī)組縱剖圖(2)見圖11。

圖9 考核點(diǎn)間隙隨進(jìn)汽溫度的變化曲線

圖10 考核點(diǎn)壓力隨進(jìn)汽溫度的變化曲線

圖11 雙流給水泵機(jī)組縱剖圖(2)

隨著進(jìn)汽溫度的升高(進(jìn)排汽溫差變大)，汽缸的強(qiáng)度逐漸變差。計(jì)算發(fā)現(xiàn)強(qiáng)度限制點(diǎn)在排汽缸靠近垂直法蘭的斜撐板處(即圖11中B點(diǎn)與C點(diǎn)之間的區(qū)域)。查看圖11中A、B、C三點(diǎn)的徑向位移隨進(jìn)汽溫度的變化，得到變化曲線見圖12。查看斜撐板處的應(yīng)力隨進(jìn)汽溫度的變化，變化曲線見圖13。根據(jù)第四強(qiáng)度理論[3]，采用Mises應(yīng)力表征有限元強(qiáng)度分析結(jié)果。由圖12與圖13可知，溫差越大，前后變形越不協(xié)調(diào)，應(yīng)力集中越明顯。

圖12 A、B、C三點(diǎn)徑向位移隨進(jìn)汽溫度的變化曲線

圖13 斜撐板應(yīng)力隨進(jìn)汽溫度的變化曲線

此機(jī)組斜撐板的材料為Q345R，其在工作溫度下的許用峰值應(yīng)力為360 MPa。如圖13所示，當(dāng)進(jìn)汽溫度大于470 ℃(即進(jìn)排汽溫差大于430 ℃)時(shí)，斜撐板應(yīng)力超過(guò)許用值，此時(shí)建議增大圖11中的進(jìn)汽缸及斜撐板的軸向距離，以降低軸向溫度梯度，或限制進(jìn)汽溫度。

3 結(jié) 論

針對(duì)此1 000 MW等級(jí)全容量雙流給水泵機(jī)組的汽缸，變更其工作參數(shù)，進(jìn)行有限元計(jì)算，分析其結(jié)構(gòu)性能，分析結(jié)果顯示：

1)排汽溫度升高對(duì)持環(huán)產(chǎn)生上抬效果，且溫度越高效果越明顯。

2)排汽溫度升高對(duì)軸承產(chǎn)生下拉效果。當(dāng)排汽溫度小于回油溫度時(shí)，轉(zhuǎn)子中心上抬；當(dāng)排汽溫度大于回油溫度時(shí)，轉(zhuǎn)子中心下沉，且排汽溫度越高，轉(zhuǎn)子中心下沉越明顯。

3)進(jìn)汽溫度越高，密封效果越差。當(dāng)進(jìn)汽溫度大于430 ℃時(shí)，建議蒸汽室與進(jìn)汽缸連接形式改為焊接。

4)強(qiáng)度限制點(diǎn)在排汽缸靠近垂直法蘭的斜撐板處，進(jìn)排汽溫差越大，斜撐板的應(yīng)力集中越明顯。

建議根據(jù)熱效率需求限制排汽溫度，根據(jù)進(jìn)汽溫度選用蒸汽室與進(jìn)汽缸的連接形式，根據(jù)進(jìn)排汽溫差設(shè)計(jì)斜撐板處的結(jié)構(gòu)。