接管結構補強計算在高中壓缸設計中的應用

徐國林等

摘 要：汽輪機高中壓缸是汽輪機承受高溫、高壓蒸汽的關鍵部件，由于機組功能及結構設計需要，高、中壓進汽管、抽汽管、高、中壓排汽管成了汽缸設計不可或缺的部分，本文簡要介紹了接管結構開口補強計算方法及接管結構開口補強計算方法在汽輪機高中壓缸設計中的應用。

關鍵詞：汽輪機；高中壓缸；接管結構；開口補強

引言

汽輪機汽缸主要承受壓力和溫度沿軸向變化的蒸汽的作用力，同時承受本身自重及其內部零部件的作用力，以及承受外部管道等作用在其上的力和力矩；同時因溫度分布因素造成的熱應力和變形。在汽缸上開口連接高、中壓進汽管、抽汽管、高、中壓排汽管時，必須采用加厚材料進行補強設計。從而達到降低局部應力水平的效果，滿足設計強度的要求。本文通過汽缸設計中幾種常用接管結構開口補強形式，簡單介紹開口補強計算方法。

圖1接管與汽缸結構圖

1.徑向接管所有平面的加厚量計算方法

1.1僅受壓力負荷的接管及參數限制要求

d/D≦0.37和d/D×（D/T）0.5≦1.2a

1.1.1接管全加厚

An=0.75d×Tr

1.1.2汽缸全加厚

Ac=d×Tr

1.1.3汽缸和接管都加厚

1.33 An+ Ac= d×Tr

1.2承受壓力負荷和外力負荷的接管以及不滿足第一節中1參數限制的接管

An+ Ac= d×Tr

式中：

d—接管內徑；

D—汽缸內徑；

T—汽缸壁厚；

An—接管上的加厚面積 ；

Tr—要求的最小汽缸厚度；

Ac—汽缸上的加厚面積；

t—接管壁厚；

2.傾斜接管的加厚量

2.1 30°角以下的旁側接管（圖2）。需要的加厚量和徑向接管相同。

2.2 30°角以上的旁側接管和各種側向傾斜的接管

An+ Ac= da×Tr

圖2

式中：

An—接管上的加厚面積 ；

Ac—汽缸上的加厚面積；

da—傾斜接管在汽缸任一平面內橫跨開口的距離

Tr—要求的最小汽缸厚度；

3.圓角半徑以及加厚部分和壓力容器之間的過渡區

3.1接管和汽缸之間外表面圓角半徑

ro=（d×t）0.5或T?/2之較大者

3.2內表面圓角半徑

T?/8≦ri≦T?/2

半徑ri不能超出上述范圍，因為它會使開口擴大，從而使最大應力增加。如果ri﹥T?/2，汽缸或接管要在外側面額外加厚。

3.3從加厚部分到正常接管或者到汽缸的過渡區厚度變化不要大于 1：3斜度。

3.4除上述之外，除小于30°角的旁側接管外，要去掉傾斜接管上的尖銳的內壁角，在接管外壁上，必須額外加厚以補償較大的開口，尖角可以倒圓或垂直于汽缸去除。

式中：ro—接管和汽缸之間外表面圓角半徑

ri—和汽缸之間內表面圓角半徑

d—接管內徑；

t—接管壁厚；

T?—加厚區域處的汽缸厚度

4.加厚尺寸的允許極限（見圖3）

4.1從汽缸外表面測量的接管加厚極限

Ln=0.5[ro+（rm×t?）0.5]

4.2從接管內壁測量的汽缸加厚極限

Lc 最小值T?

Lc 最大值為d/2或1.25（Rm×T?）0.5的較小值。

圖3

式中：Ln—接管加厚極限

d—接管內徑；

D—汽缸內徑；

t?—加厚區域處的接管厚度

T?—加厚區域處的汽缸厚度

rm—r+t/2

Rm—R+T/2

r—d/2

R—D/2

5.由內壓引起的管組內的最大應力集中

最大應力產生于圖4中的B點處，這是由于在原始周向負荷之外，還要附加一個作用于面積F上的負荷，而該負荷必須分配在與拐角相鄰的區域內。如果長度Lb和Lm等厚度，可采用下示公式。對于錐形截面，可取R和T的平均值。兩種截面（例如，一為等厚度，另一為變厚度）可按下式合成：

Lb，m=a1（R1×T1）0.5+ a2（R2×T2）0.5

a1+a2=0.4

Lb=0.4（r×t）0.5

Lm取2/3×r和0.4（R×T）0.5二者的較小值

K=1.32G×T/（G1×R），但不小于2.1

圖4

該應力集中系數K是按汽缸中的額定的周向負荷來給定的，只要內外拐角半徑處于本文所設定的范圍內，那么它們對K就沒有明顯的影響。

6.熱應力的考慮

在啟動和負荷變化期間，在接管周圍會產生溫度梯度。為了減小熱應力，接管處應當有一定的為減少接管與汽缸間厚度的變化的補強。在接管和汽缸上的這一補強應當取壁厚均勻增加的形式。并且避免在接管處產生尖銳拐角或凸起。

7.結束語

高、中壓進汽管、抽汽管、高、中壓排汽管是汽缸設計不可避免的部分，在汽缸上開口連接高、中壓進汽管、抽汽管、高、中壓排汽管時，必須采用加厚材料進行補強設計。由于采用大型有限元軟件設計較為復雜，耗時較多，在汽缸非關鍵性部位應用接管結構補強的簡易算法，將更適用于短周期項目汽輪機高中壓缸的設計。

參考文獻：

[1]盧沛鎏. 編譯，《汽輪機強度》.

[2]吳厚鈺.主編《透平零件結構與強度計算》.

[3]ASME 鍋爐及壓力容器委員會壓力容器分委員會.主編《高壓容器建造規則》.

[4]鄧肖明.《壓力容器開孔等面積補強簡易判斷法》.

作者簡介：徐國林（1981-），男，工程碩士在讀，工程師，主要從事汽輪機本體結構和系統設計。