汽輪機雙撓性板支撐結構穩定性研究

吳方松，尹剛，劉佳男，王義飛

(東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000)

汽輪機雙撓性板支撐結構穩定性研究

吳方松，尹剛，劉佳男，王義飛

(東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000)

撓性板支撐結構更簡單、裝配更方便、變工況適應性好，被廣泛應用在小功率驅動汽輪機上。但是由于撓性板多采用雙支撐板結構，屬于超靜定問題，理論計算難以分析和判定。故文章通過有限元軟件，研究了某典型撓性板結構，分析了其穩定性，同時研究了撓性板初始擾動 (即汽輪機熱膨脹位移)和高寬比對其穩定性的影響，為新撓性板結構設計提供了強度和穩定性方面的依據。

撓性板，穩定性，汽輪機

0 引言

工程實踐證明，撓性板組成的滑銷系統結構更簡單，裝配更方便，在小功率汽輪機變工況時能更自如地適應膨脹變化，同時在一定程度上減小了汽缸的自身振動。目前小功率汽輪機組多采用撓性板結構的滑銷系統取代大功率汽輪機上采用的滑鍵系統。但是，撓性板支撐結構多是由國外引進的技術，公司在引進后一直沿用引進結構數據，未對其做充分的研究和實驗改進。同時由于撓性板結構一般都是雙支撐結構，屬于超靜定問題，一般的理論分析方法已經很有限，對此結構不能很好地做出全面的分析和判定，在采用新結構參數撓性板時對其穩定性是否可靠，沒有有效的判定依據[1]。

本文就某典型前箱撓性板支撐結構利用有限元軟件進行全三維分析計算，研究其在工作條件下的強度和穩定性，同時定量地給出了撓性板熱膨脹位移和高寬比對穩定性的影響，為現有撓性板結構優化和新設計撓性板結構提供了一定的理論支撐，避免了盲目武斷的設計思想。

1 物理模型和網格劃分[2-3]

模型由2塊相同支撐板、上承載板和下安裝板組成，如圖1所示。針對該撓性支撐結構采用PRO/e軟件按1∶1比例進行三維建模。將三維模型導入商業軟件ANSYS 11.0的協同仿真環境的平臺ANSYSWorkbench 11.0。有限元網格的劃分采用六面體網格，計算時進行了充分的網格無關性驗證，網格數量約1.4萬，如圖2所示。

圖1 撓性板支撐結構示意圖

圖2 撓性支撐結構網格

2 基本理論及邊界條件[4-9]

2.1 基本理論

工程環境中結構失穩是一種常見現象，失穩又稱為屈曲。一旦結構屈曲，失穩的結構就將喪失部分或者全部承載能力，導致結構失效，造成安全隱患，嚴重的還會引發工程事故。結構的穩定性問題中，理想軸壓桿問題具有代表性，歐拉對此進行了研究，并提出了歐拉公式。直桿、薄板、薄殼等結構在外力作用下處于穩定平衡狀態，但在結構所受的載荷達到某一值時，若增加一個微小的增量，則結構將發生很大的改變，這種情況叫做結構失穩或屈曲，相應的載荷稱為屈曲載荷或臨界載荷，寫作Pcr，即當P＞Pcr時，結構發生屈曲；當P＜Pcr，是穩定平衡狀態；當P=Pcr，是臨界平衡狀態。結構發生屈曲時，內部應力往往還遠小于屈服極限，所以結構的臨界狀態就成為限制結構承載能力的關鍵點。如何尋找結構在多重載荷下的臨界承載能力，一直是工程界關心的重點。

2.2 模型簡化和邊界條件

雙撓性板支持結構一般由2塊相同支撐板、上承載板和下安裝板組成。查知某一典型撓性板結構參數，高度為H，寬度為W，厚度為σ。此處僅分析撓性板，忽略上承載板和下安裝板結構對其的影響。根據機組熱位移得知撓性板初始擾動量δ，查機組負荷分配得知上承載板受垂直載荷P，同時設下安裝板為固定，見圖3。同時查知撓性板材料為20 g，室溫下的屈服極限245MPa、抗拉極限400MPa。

圖3 簡化模型和邊界條件

3 結果分析

3.1 某典型撓性板穩定性

本文根據已經過工程實際應用的一典型撓性設定邊界條件：H=495 mm，W=495 mm，σ=14 mm，P=140 000 N，初始擾動量δ=3.5 mm，對其進行臨界載荷和內部應力分析，得到了其臨界載荷Pcr為6 478 360 N，應力分布如圖4所示。

圖4 應力分布

從圖4中可以看出，撓性板的最大應力為124.5 MPa，出現在撓性板與上承載板接配處。同時從分析受力可知，整個撓性板的應力水平較低，基本處于40～80MPa，遠小于屈服極限245MPa。

從分析結果來看，此撓性板承載能力強，臨界載荷Pcr為6 478 360 N，遠遠大于工程實際可能出現的載荷，安全余量充足。撓性板板體不可避免在局部出現了應力集中，但考慮整個撓性板整體應力水平較低，遠小于屈服極限245 MPa。可以看出此撓性板完全滿足工程需要，同時安全余量充足。

3.2 初始擾動對撓性板穩定性的影響

從理論分析可知，結構的屈曲與初始的擾動（即熱位移）有著很大關系。上述典型撓性板的初始熱位移根據工程實際查閱得知，但是由于各種機組參數和結構千差萬別，導致機組熱位移在一定程度上發生較大變化。所以，研究在不同初始擾動下，撓性板穩定性是很有必要的。

本文為了排除其他因素的影響，在保持原典型撓性板結構參數不變和其他邊界條件不變的前提下（即：H，W，δ不變），改變初始擾動δ。分析在不同初始擾動δ下，撓性板在各工況下的臨界載荷Pcr，如表1所示。

表1 不同初始擾動δ下的臨界載荷Pcr

為了更好地分析不同初始擾動下對應的臨界載荷Pcr變化趨勢，將表1中數據分析整理成線條圖形，如圖5所示。

圖5 臨界載荷Pcr隨初始擾動δ的變化

結合表1和圖5可以看出，撓性板的臨界載荷Pcr隨著初始擾動δ的增加不斷下降，即初始熱位移越大，撓性板的承載能力越差。考慮到撓性板支撐結構多被小功率汽輪機采用，小功率汽輪受結構限制，一般熱位移不會很大。從表1可以看出，最大初始擾動量δ=6.5 mm所對應的臨界載荷Pcr為5 489 kN，在一般工程上，如此大的承載能力完全能滿足各種機組和工況的要求。

所以，撓性板的承載能力雖然隨著初始擾動增加而有所下降，但是在撓性板應用的領域內具有良好的承載能力。從而得知，在撓性板結構參數一定時，將撓性板用于適當熱位移下的各種機型均是可行的。

3.3 撓性板高寬比（H/W）對穩定性的影響

在具體工程應用中，往往由于汽輪機結構變化，導致撓性板結構需要做出適當的調整。所以，分析不同結構參數的撓性板的穩定性，得出撓性板設計的結構依據，用于指導撓性板結構設計。定義撓性板高度H與寬度W的比值為撓性板的高寬比 （H/W）。由于撓性板的寬度一般受結構限制較少，不需做太多調整，此處假設寬度W不變，厚度σ不變，通過調整高度來改變高寬比 （H/ W），設初始擾動量δ=3.5 mm。通過分析計算得到了不同高寬比下撓性板臨界載荷Pcr，見表2。

表2 不同高寬比（H/W）下的臨界載荷Pcr

為了更好地分析不同高寬比 （H/W）下對應的臨界載荷Pcr變化趨勢，將表2中數據分析整理成線條圖形，如圖6所示。

圖6 臨界載荷Pcr隨高寬比 （H/W）的變化

結合表2和圖6可以看出，隨著撓性板高寬比 （H/W）的增加，撓性板的臨界載荷Pcr迅速下降，當高寬比 （H/W）增加到1.5時，臨界載荷Pcr下降趨勢才趨于平緩。

由此可以看出撓性板越高，高寬比 （H/W）越大，撓性板的承載能力越差。從表2可以看出，最大高寬比 （H/W）=2所對應的臨界載荷Pcr為1 940 kN，在一般工程上，如此大的承載能力完全能滿足各種機組和工況的要求。因此，在設計撓性板時，高寬比（H/W）不是很大時 （高寬比 （H/ W）≤2），穩定性趨于安全。

從圖6中可以看出高寬比 （H/W）越小，臨界載荷Pcr越大，承載能力越強。但是由于高寬比（H/W）增加，導致在同樣熱位移變形下，板體內應力將增加。表3給出了不同高寬比 （H/W）所對應的板體最大內應力。

表3 不同高寬比 （H/W）下的最大應力θ

將表3中數據分析整理成線條圖形，如圖7所示。結合表3和圖7可以看出，當高寬比 （H/ W）變小時，特別是小于1.0后，撓性板應力將急劇增加。

結合圖6和圖7分析可知，隨著高寬比 （H/ W）的變小，撓性板的屈曲載荷有了大幅的提升；但是撓性板板體應力也急劇增加，當應力大于屈服強度時，撓性板將發生塑性變形，同樣將導致撓性板失穩。所以在設計撓性板時可以通過降低高度來得到更大的臨界載荷，但是需謹慎考慮，防止撓性板應力超限。

圖7 撓性板最大應力θ隨高寬比（H/W）的變化

4 結論

（1）利用ANSYS軟件分析計算了某典型撓性板穩定性，得到了臨界載荷；同時在設定邊界條件下，得到了撓性板應力分布。從分析結果看出，此撓性板應力和臨界載荷均能滿足工程需要，并且有足夠的安全余量。

（2）通過研究臨界載荷Pcr隨初始擾動δ的變化，可以看出，隨著初始擾動δ的增加，臨界載荷Pcr將減小。

（3）通過研究臨界載荷Pcr隨高寬比（H/W）的變化得知，隨著高寬比（H/W）的減小，臨界載荷Pcr將增加。但是隨著高寬比（H/W）的減小，撓性板應力將急劇增加，設計時需從兩方面考慮，保證撓性板的強度和穩定性。

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[2]ANSYS11.0sp1英文幫助

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Stability Research of Steam Turbine Dual Flexible Plate Support Structure

Wu Fangsong，Yin Gang，Liu Jianan，Wang Yifei
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

Flexible plate support structure ismore simple,more convenient assembly,variable conditions better adaptability,which is widely used in miniwatt drive steam turbine.Howevermore flexible plates adopt dual support plate which is a statically indeterm inate problem,difficult to analyze and determ ine through the theoretical calculations.Through the finite element software,this paper researches the typical flexible p late,analyzes its stability and researches the influence of stability by initial disturbance of flexible plate（turbine thermal expansion displacement）and aspect ratio,provides strength and stability basis for designing new flexible plate structure.

flexible plate,stability,steam turbine

TK262

：A

：1674-9987（2014）03-0030-04

吳方松（1986-），男，工程師，2009年畢業于西安交通大學能源與動力工程及其自動化專業，主要從事工業汽輪機概念設計工作。