1 000 MW(100%)超臨界鍋爐給水泵筒體結構有限元分析

程道俊，李金穎，張江濤

(中國電建集團上海能源裝備有限公司，上海 201316)

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1 000 MW(100%)超臨界鍋爐給水泵筒體結構有限元分析

程道俊，李金穎，張江濤

(中國電建集團上海能源裝備有限公司，上海 201316)

為了驗證鍋爐給水泵筒體結構的性能指標是否合格，利用三維建模軟件UG對鍋爐給水泵筒體進行了三維建模，并將模型導入ANSYS軟件中，對筒體結構進行水壓試驗和熱-結構耦合分析，以及有預應力的模態分析。分析結果表明，筒體部件在不同工況下剛度、強度等均滿足設計要求；通過模態分析，得到對應的頻率與振型，從而為避免共振和噪聲提供了依據。

鍋爐給水泵；筒體；有限元分析；強度

隨著國內工業的快速發展，對電力的需求量正逐年上漲,這也大力促進了國內火電的高速發展。鍋爐給水泵作為火力發電機組中的重要輔機之一，鍋爐給水泵性能的優劣對電廠安全平穩運行具有重要影響，其筒體部件是鍋爐給水泵轉子、芯包等的保護罩，它既要承受流體高溫高壓的作用，還要具有較大的載壓能力，因此材料的選取和強度的校核尤為重要[1]。如果材料選取不當，其剛度、強度等指標不滿足使用要求，將會在整個發電機組運行過程中產生嚴重的后果。

本文采用有限元法對鍋爐給水泵筒體結構進行水壓試驗的校核、強度和剛度的校核及模態分析，通過計算分析得到的數據，驗證設計的合理性與安全性，不僅可以縮短設備的研發周期，而且可以減少反復試制的風險，從而有效地降低成本[2]。

1　筒體結構

中國電建集團上海能源裝備有限公司研制的1 000MW全容量鍋爐給水泵機組的總體結構為筒式多級泵，它由泵外筒體部件、芯包部件(轉子+部分定子)、泵座以及輔助管路組成，其二維模型如圖1所示。而筒體主要由進水管、出水管和中間段泵體構成，其筒體結構三維模型如圖2所示。為了保證給水泵運行的可靠性，每臺泵出廠時都要進行聯機試驗，而其外筒體需要進行相應的水壓試驗，用于檢測內部焊縫的強度和筒體本身的質量。根據相關國家標準和行業標準，筒體水壓試驗工況如下：溫度200 ℃，LP—進口端壓力6MPa；HP—出口端壓力65MPa；MP—抽頭壓力34.7MPa。筒體材料為20MnMo，在室溫下的彈性模量為210GPa,泊松比為0.3。

圖1　鍋爐給水泵的二維模型

圖2　筒體水壓試驗三維模型

2　筒體部件的剛度、強度校核

本文對筒體的校核主要利用有限元分析軟件ANSYS，該軟件具有功能強大的解算器，能夠進行包括結構、熱等學科的計算，是目前國際上最流行的有限元分析軟件之一[3-4]。

針對給水泵筒體這樣結構較為復雜，且包含許多不規則的曲面的模型，首先應用UG軟件對筒體進行三維建模，然后將其導入ANSYS軟件，基于該軟件對筒體模型進行網格劃分[5]。為了獲得較為準確的計算結構，應有較高質量的網格，為了達到該目的，就需要對模型進行必要的簡化，例如將筒體上對整體分析影響不大的部分小孔省略，這樣，不僅可以減少網格數量，提高網格質量，還可以增強計算的可靠性。

2.1筒體的水壓試驗校核

為了保證鍋爐給水泵運行的可靠性，其筒體需要進行相應的水壓試驗(見圖3)，用于驗證其滲漏、冒汗現象，以及是否因強度出現裂紋等。水壓試驗時，專用工具(進、出口悶蓋，試驗大端蓋，連接管和內密封悶蓋)把筒體分成3個腔體，通過高壓泵從悶蓋處分別施加壓力。筒體倒立在試驗臺上，即左端約束為全固定，右端通過16個大螺栓與試驗大端蓋相聯接。基于對筒體強度最大臨界值的分析，荷載為最大時的靜壓，校核此時的應力、應變是否滿足材料的特性。

圖3　筒體水壓試驗示意圖

基于ANSYS軟件，對筒體水壓試驗模型進行網格劃分(見圖4)。網格采用了sweep和自由相結合，單元數目為1 739 156，節點數為2 555 276，網格大小為15mm，已充分考慮了網格的無關性。螺栓與螺母、螺栓與悶蓋和試驗端蓋之間接觸對設置為“NoSeparation”，其余的接觸對均設置為“Bonded”。腔體荷載分別按6、34.7和65MPa加載，每個大螺栓上施加預緊力1 500N。設置好各參數后，對模型進行有限元分析[6]，得到筒體的應變、應力云圖分別如圖5和圖6所示。

圖4　筒體水壓試驗模型網格劃分

圖5　筒體水壓試驗應力云圖

圖6　筒體水壓試驗應變云圖

通過應力云圖可知，進口端筒體應力非常小，但出口端筒體的根部出現應力集中，應力最大值約為340MPa。

在20MnMo材料屬性取樣試驗時，屈服極限最低為410MPa，水力試驗時筒體的安全系數>1.2，筒體的最大應變約為0.393mm，筒體的應力、應變均滿足設計要求。

2.2筒體的熱應力-結構校核

設計工況參數同上，約束狀態為筒體的4個支腳全固定，右端通過16個大螺栓與大端蓋相聯接。設空氣表面傳熱系數為5×10-6W/(m2·K)，熱導率為50W/(m·K)，線膨脹系數為15.5×10-6/K。先求出熱應力分布，并施加到筒體結構分析上；再設置好筒體力荷載、約束，利用ANSYSWorkbench[7]軟件中的熱-結構耦合模塊，得到筒體的應力、應變云圖(見圖7和圖8)。

圖7　筒體熱-結構應力云圖

圖8　筒體熱-結構應變云圖

通過圖7和圖8可以看出，熱-結構耦合的最大應力為268MPa，出口管與筒體相貫處出現應力集中，這與水壓試驗分析時一致，但設計工況下筒體的安全系數得到提高(>1.5)，遠小于材料20MnMo的屈服極限。最大應變也發生在出口端筒體處，最大應變約為0.27mm，筒體的強度和剛度均滿足結構設計要求。

3　筒體的預應力模態分析

模態分析是研究結構動力特性的一種近代方法，模態是機械結構的固有振動特性，每一個模態具有特定的固有頻率、阻尼比和模態振型。這些模態參數可以通過計算或試驗分析取得，這個計算或試驗分析過程稱為模態分析。振動模態是彈性結構固有、整體的特性。通過模態分析，獲得各階主要模態的特性，就可以預知結構在此頻段內，在外部或內部各種振源作用下的實際振動響應。筒體預應力模態分析[8]是用于確定設計結構中的振動特性，其線性分析過程和步驟與結構靜力分析是一致的。利用軟件中的子空間法對筒體進行模態振動分析，提取的模態振型如圖9所示。

a)第1階模態

b)第2階模態

d)第4階模態

e)第5階模態

f)第6階模態

從圖9筒體的各階預應力模態振型圖中可知，第1階模態的最大位移為0.799mm，頻率為440.91Hz，振型為傳動端筒體與進口管上下跳動，并伴隨著輕微繞Z軸彎動；第2階模態的最大位移為0.83mm，頻率為562Hz，振型為以4個支腳為固定支點，筒體聯動進、出口管整體軸向前后運動；第3階模態的最大位移為0.938mm，頻率為622.16Hz，振型為傳動端筒體處發生扭動，進口管無變化；第4階模態的最大位移為1.193mm，頻率為695.24Hz，振型為筒體進、出口管前后“抖肩”運動；第5階模態的最大位移為1.043mm，頻率為887.73Hz，振型為筒體上下振動；第6階模態的最大位移為2.922mm，頻率為942.16Hz，振型為抽頭及增壓級接管同方向彎動。

4　結語

通過有限元分析法，應用UG三維建模軟件和ANSYS軟件對筒體進行了剛度、強度的校核以及模態分析，通過分析計算得到如下結論。

1)通過對筒體剛度、強度的校核可知，筒體的進口端應力較小，但出口端根部出現應力集中，應力最大值約為340MPa。筒體所選用材料為20MnMo，其屈服極限最低為410MPa，安全系數>1.2，筒體的最大應變約為0.393mm，因此該給水泵筒體的應力、應變均滿足設計要求。

2)通過對筒體的熱應力-結構校核可以看出，熱-結構耦合的最大應力為268MPa，遠小于材料20MnMo的屈服極限。最大應變發生在出口端筒體處，且最大應變約為0.27mm，因此筒體的強度和剛度均滿足結構設計要求。

3)通過對筒體的模態分析，可獲得筒體的各階預應力模態振型，根據其模態振型可以了解其振動特性，從而為避免共振及產生噪聲提供理論依據。

[1] 陳荊山，王延合，于洪昌，等. 超臨界火電機組用給水泵技術綜述[J].水泵技術, 2004(4):3-9.

[2] 劉哲，張立新，胡蓉，等.基于ANSYS的采摘頭摘錠座傳動軸有限元分析[J].機械設計與制造工程，2015,44(11):34-38.

[3] 周寧.ANSYS機械工程應用實例[M].北京:中國水利水電出版社，2006.

[4] 李曉春，吳勝興.基于ANSYS的混凝土早期徐變應力仿真分析[J].系統仿真學報，2008，20(15):3944-3947.

[5] 李濤，左正興，廖日東.結構仿真高精度有限元網格劃分方法[J].機械工程學報,2009,45(6):304-308.

[6] 陳寧，成曉偉，陳乃娟.多級離心泵轉子部件有限元分析[J].科學技術與工程,2010，10(14):3459-3463.

[7] 李兵，何正嘉.ANSYSWorkbench設計、仿真與優化[M]. 北京:清華大學出版社,2008.

[8] 梁君，趙登峰.模態分析方法綜述[J].現代制造工程,2006(8):139-141.

責任編輯鄭練

TheFiniteElementAnalysisof1 000MW(100%)SupercriticalBoilerFeedwaterPumpTubeStructure

CHENGDaojun,LIJinying,ZHANGJiangtao

(PowerChinaSPEMLimitedCompany,Shanghai201316,China)

Inordertoverifythequalifiedperformanceoftheboilerfeedwaterpumptubestructure, 3DmodelingsoftwareUGisusedforboilerfeedwaterpumptubestructure3Dmodeling.AndthemodelwouldbeimportedintoANSYSsoftware.Thenthehydrostatictestandthermalstructurecouplinganalysis,andthemodalanalysiswithprestressoftubestructurewouldbemade.Analysisresultsshowthatthetubestructureunderthedifferentconditionsofstiffnessandstrengthcouldmeetthedesignrequirement.Fromthemodalanalysis,thecorrespondingfrequencyandvibrationmodecouldbeobtained,whichprovidesthebasisforavoidingtheresonanceandnoise.

boilerfeedwaterpump,tube,finiteelementanalysis,strength

2016-03-04

TK223.1A

程道俊(1960-)，男，高級工程師，主要從事核電、火電及新能源設備等方面的研究。