東方660 MW超超臨界二次再熱汽輪機高中壓外缸強度分析

陳鐵寧，饒真炎，劉金芳，章艷，張明，嚴立新

（東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000）

?

東方660 MW超超臨界二次再熱汽輪機高中壓外缸強度分析

陳鐵寧，饒真炎，劉金芳，章艷，張明，嚴立新

（東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000）

摘要：汽輪機高中壓外汽缸的設計、整體結構要保證有足夠的強度、剛性及法蘭中分面的密封性。文章采用三維彈性接觸理論，建立東方660 MW二次再熱汽輪機高中壓外缸的有限元模型，進行溫度場、熱應力和機械應力及變形仿真分析，為汽缸的安全可靠性評定提供了技術依據。

關鍵詞：超超臨界，二次再熱，高中壓外缸，強度，有限元

0 引言

東方660 MW超超臨界二次再熱汽輪機蒸汽參數為31 MPa/600℃/620℃/620℃，總體技術特點為單軸、兩次中間再熱、四缸四排汽、沖動式、凝汽式汽輪機。總體4個模塊分別為超高壓缸、高中壓合缸以及2個低壓模塊。新蒸汽經超高壓缸做功后經一次再熱進入高壓缸做功，再經過二次再熱后進入中壓缸，做功后進入雙流低壓缸，最終進入凝汽器。

其中，高中壓外缸是機組中最大、最復雜的靜止部件之一，在高溫高壓條件下工作，承受著缸內蒸汽沿軸向變化的壓力差、外缸自重和缸內部件重量以及進排汽等管道傳遞的力與力矩。安源660 MW二次再熱汽輪機高中壓缸采用合缸技術能較好地改善缸內溫度場分布，但同時汽缸進排汽及抽汽口數量較多，再加上主管道推力及力矩較大，設計難度較大。

本文采用非線性接觸理論對東方660 MW超超臨界二次再熱汽輪機高中壓外缸變形、應力等進行分析，為指導工程結構設計和運行提供了理論依據。

1 汽缸簡介及有限元分析模型

東方660 MW超超臨界二次再熱汽輪機高中壓缸采用雙層缸結構，高中壓外缸由上、下兩半缸體組成，中分面法蘭位置布置有把緊螺栓，其內布置有高中壓內缸、高壓隔板套、中壓隔板套，外缸貓爪采用下貓爪支撐，如圖1所示。圖1（b）中溫度測點1為中壓缸側外缸內、外壁溫度測點，溫度測點2為高壓缸側外缸內、外壁溫度測點。

圖1　東方660 MW二次再熱汽輪機高中壓缸三維模型

汽缸一般不是整圓筒，而是一個有中分面法蘭、端壁、進汽、排汽、抽汽管及貓爪等組成的殼體結構。高中壓外缸的熱應力、熱變形分析是汽缸強度和剛性分析的基礎，以下將從溫度場和彈性接觸理論兩方面綜合建立高壓缸三維熱彈性接觸有限元模型，從而分析汽缸強度、剛性。

1.1 汽缸溫度場及溫度載荷理論分析

穩態熱傳導方程有限元矩陣格式為：

汽缸上、下半部分在螺栓緊力的作用下，通過中分面接觸。由于中分面加工粗糙度高，接觸緊密，從而保證了良好的熱傳導性。在計算時應取合適的接觸熱傳導系數，以模擬中分面的良好傳熱。

求解出汽缸的溫度場分布后，相應的熱應力計算公式為：

1.2 汽缸三維接觸有限元方程的建立

螺栓與法蘭在緊力作用下接觸，當汽缸溫度變化時，螺母與法蘭的接觸熱傳導和螺孔壁對螺柱的熱輻射使螺栓的溫度發生變化，從而導致螺栓的長度改變，螺母與法蘭的接觸狀態也隨之變化。故汽缸中分面和螺栓與法蘭的連接必須按接觸處理，即三維的面與面的接觸。對于由汽缸上、下半和緊固螺栓組成的系統，根據虛功原理可推導出靜力分析的剛度方程為：

式中：[K]是整體剛度矩陣；{u}是節點位移向量；{P}是整體外載荷向量；{C}是整體接觸力向量。在式（5）中[K]、{P}均是已知的，{u}是基本未知數，由于{C}也是未知的，所以方程無法求解。在計算接觸問題時還須保證接觸的物體間在接觸邊界上變形的協調性。

要求解式（5），先假定接觸點對的接觸狀態，根據接觸條件求解方程。利用求出的節點位移，再利用求節點力的方式求解出接觸力向量，然后根據接觸點對上的位移和接觸力向量，依次按接觸判定條件判定每個接觸點對接觸狀態是否和假定接觸狀態相符，如不符則重新修改接觸狀態，重新把接觸定解條件代人式（5）計算，經反復迭代直到該次計算前后接觸狀態完全吻合為止。

本文采用有限元計算軟件ABAQUS計算了模型的溫度場和應力場，采用1階四面體單元，共有714 058個單元，174 285個節點，模型網格如圖2所示。

圖2　高中壓外缸網格示意圖

2 高中壓外缸的溫度場計算

汽缸溫度場與材料的物性參數、結構尺寸和邊界條件有關。在進行溫度場理論分析時，根據高中壓缸的運行特點，通過機組啟動曲線，采用已知蒸汽溫度和換熱系數的第三類邊界條件進行計算。

從圖3可以看出，穩定工況下，溫度沿汽缸壁厚方向接近線性變化，但在汽缸內各壓力段的分界處溫度沿汽缸壁厚和軸向變化復雜。螺母與法蘭接觸傳熱，螺栓的平均溫度與法蘭的平均溫度差很小。

在啟動階段汽缸和法蘭的內外壁溫差隨蒸汽溫度的升高而增大，在升負荷時，蒸汽流量加大，蒸汽與內壁的換熱系數變大，蒸汽傳給內壁的熱量大，這將加劇汽缸受熱的不均勻性，使法蘭內外壁溫差加大。溫度場如圖4所示。

圖3　高中壓外缸穩態下的溫度場

圖4　高中壓外缸溫差最大時刻的溫度場

3 高中壓外缸的強度分析

汽缸在穩態工況下的應力包括兩部分，即在機械載荷和熱載荷作用下的應力之和。對于應力的計算結果，如圖5、圖6所示。圖5是外缸在機械載荷下的應力情況，該圖能夠反應機組在冷態安裝狀態下汽缸的受力情況。圖6是機械載荷和熱載荷綜合作用下的汽缸應力，能夠反應機組在實際運行工況下汽缸的應力水平。

圖5　高中壓外缸在機械載荷作用下等效應力云圖

圖6　高中壓外缸在機械載荷和熱載荷作用下等效應力云圖

在外缸上半法蘭螺栓孔位置有比較大的局部應變，這是由于螺栓安裝時施加的預緊力較高。此部位主要承受的是螺栓的擠壓應力，一般來說，材料的許用擠壓應力大于屈服極限，按照擠壓強度判斷標準，此處滿足強度校核要求。但是，汽缸長期在高溫環境下運行，螺孔邊緣承受較大的擠壓應力，并考慮到蠕變效應，法蘭在螺孔位置會產生明顯的塑性變形，從現場大修卸下螺栓后明顯的凹痕可以得到印證。在穩定工況下，高中壓外缸整體的應力并不大，只是在結構突變部位，由于溫度變化大，局部存在較大的熱應力，按照二次應力評判標準，能滿足強度設計要求。缸體上的平均Mises應力和法蘭上的平均Mises應力均小于材料工作溫度下的許用持久應力，滿足強度設計要求。

4 高中壓外缸的剛度分析

剛度分析是汽缸設計時的另一重點要素，本文主要針對以下4種工況進行了分析：

（1）半空缸撓度計算（下半汽缸空缸，僅承受自重）；

（2）半實缸撓度計算（下半汽缸實缸，承受自重及內部部件重量）；

（3）全實缸把緊撓度計算（全實缸，承受自重及內部部件重量，并把緊螺栓）；

（4）全實缸把緊并連接外部管道撓度計算（全實缸，承受自重及內部部件重量，并把緊螺栓，同時施加外部管道力及力矩）。

汽缸剛度校核時，一般認為全實缸撓度應小于動靜間隙的三分之一即為合格。此外，下半實缸和下半空缸的差值與下半缸全重和全實缸的差值在某種意義上體現了安裝過程當中機組中心的變化，這也是衡量汽缸剛度是否合格的重要指標。

圖7為不同工況下汽缸中分面位移結果曲線。從計算結果來看，汽缸的總體剛度滿足校核標準，也為高中壓模塊總裝提供了初步的理論依據。

圖7　高中壓外缸在不同工況下中分面撓度曲線

5 高中壓外缸的汽密性分析

汽缸上、下半往往通過高溫法蘭以及螺栓進行連接，并在安裝初始，以部分熱緊的方式給螺栓施加一定預緊力，以保證汽缸運行過程中的密封性。然而，隨著蒸汽溫度參數的提高，螺栓及汽缸的高溫蠕變特性會導致螺栓應力松弛，從而嚴重影響汽缸的汽密性。所以，必須計算汽缸在冷態、熱態以及長期運行工況下中分面的接觸壓力變化情況，以確保汽缸密封不發生中分面蒸汽泄漏。

從中分面間隙及接觸壓力的分布云圖8、圖9來看，該汽缸的高壓段密封情況良好。

圖8　660MW高中壓外缸運行初期中分面接觸間隙及接觸壓力云圖

圖9　660MW高中壓外缸運行一個大修期后中分面接觸間隙及接觸壓力云圖

6 結語

通過對東方660 MW二次再熱汽輪機高中壓外缸進行三維有限元分析表明，該汽缸結構設計合理，在不同的工況下，汽缸強度、剛性均滿足設計要求。從該二次再熱機組實際運行情況來看，機組整體運行數據良好，機組安全可靠。三維有限元的計算數據能較好地與實際運行情況吻合，也為其他高參數外缸的設計提供參考依據。

參考文獻

[1]中國動力工程學會.火力發電設備技術手冊:第二卷:汽輪機[M].北京:機械工業出版社,2007.

[2]丁有宇.汽輪機強度計算手冊[M].北京:中國電力出版社,2010.

[3]吳厚鈺.透平零件結構和強度計算[M].北京:機械工業出版社,1982.

[4]方宇,劉東旗,喻剛.300 MW汽輪機高中壓外缸強度分析[J].東方電氣評論,2007,21 (2):27-32.

[5]梁昌乾,陳吉剛,李砥流,等.高溫緊固螺栓的剩余壽命評估[J].熱力發電,2004,33(3):9-15.

Strength Analysis of HIP Casings of Dongfang 660 MW Ultra-supercritical Double-reheat Steam Turbine

Chen Tiening，Rao Zhenyan，Liu Jinfang，Zhang Yan，Zhang Ming，Yan Lixin
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

Abstract:The calculation of the strength，stiffness and tightness are very important when HIP casing of Dongfang 660 MW ultra-su?percritical double-reheat steam turbine is designed．Based on the three dimensional elastic theory，the paper establishes the finite el?ement modle of HIP casing for Dongfang 660 MW double-reheat steam turbine to analyse the temperature field,stress and deformation simulation,provides a technical basis for safety and reliablity of casing.

Key words:ultra-supercritical，double-reheat，HIP casing，strength，finite element

作者簡介：陳鐵寧（1985-），男，河北衡水市人，碩士，工程師，現從事汽輪機結構強度分析及研究。

DOI:10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2016.01.005

中圖分類號：TK263

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9987（2016）01-0025-04