某型高壓汽輪機(jī)單層汽缸水壓試驗(yàn)方案優(yōu)化

徐華+孫偉+王振鋒+徐曉康

摘 要：介紹了某型高壓汽輪機(jī)單層汽缸，其工作壓力高結(jié)構(gòu)尺寸大、工作狀態(tài)密封性能良好，但不能保證水壓試驗(yàn)順利通過(guò)。應(yīng)用ANSYS Workbench對(duì)該汽缸的水壓方案進(jìn)行了模擬分析，得出了汽缸工作狀態(tài)與水壓試驗(yàn)中分面接觸狀態(tài)存在差異，對(duì)試驗(yàn)堵板布置進(jìn)行了優(yōu)化，合理制訂了水壓試驗(yàn)方案，得出了汽缸水壓試驗(yàn)對(duì)汽缸局部強(qiáng)度的要求，可供類(lèi)似汽缸設(shè)計(jì)參考。

關(guān)鍵詞：高壓汽輪機(jī)；單層汽缸；水壓試驗(yàn)；能量轉(zhuǎn)換

中圖分類(lèi)號(hào)：TK26 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.06.016

汽輪機(jī)汽缸為一筒形密封部件，其承載著噴嘴組、隔板等通流靜子部件，蒸汽在通流內(nèi)實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。汽缸可保證動(dòng)靜部件之間的相對(duì)中心變化在允許范圍之內(nèi)，還能保證汽缸中分面的密封性能，避免蒸汽由通流內(nèi)部泄漏到外部環(huán)境或沿軸向發(fā)生串漏。汽缸的強(qiáng)度、密封性是設(shè)計(jì)中要考慮的重點(diǎn)。為了檢測(cè)汽缸加工后的強(qiáng)度、密封性能，通常采取水壓試驗(yàn)。由于水壓試驗(yàn)與汽缸工作狀態(tài)缸體內(nèi)部壓力分布差異很大，需要合理設(shè)計(jì)汽缸注水腔室。只有這樣，才能安全順利地通過(guò)試驗(yàn)檢驗(yàn)。

1 某型高壓?jiǎn)螌悠姿畨涸囼?yàn)問(wèn)題

單層汽缸一般用于100 MW以下的高壓及以下小容量低參數(shù)機(jī)組，單層缸的特點(diǎn)是汽缸內(nèi)外壓差大、汽缸內(nèi)外溫差大，這對(duì)強(qiáng)度、密封性提出了很高的要求。

水壓試驗(yàn)時(shí)，汽缸內(nèi)部由堵板隔離為多個(gè)壓力腔室，整個(gè)腔室壓力均為該腔室最高工作壓力的1.5倍，而汽輪機(jī)工作時(shí)，上述腔室中壓力是逐級(jí)遞減的，且最高壓力僅為工作壓力。汽缸的設(shè)計(jì)基于工作狀態(tài)，如果不能合理布置水壓試驗(yàn)堵板，則水壓試驗(yàn)時(shí)汽缸中分面就不能保證有足夠的密封壓力，進(jìn)而造成試驗(yàn)失敗，甚至?xí)茐钠祝斐芍卮笕藛T傷亡事故。圖1為工作狀態(tài)汽缸中分面接觸壓力云圖，汽缸密封性能良好，圖2為該汽缸一種水壓試驗(yàn)的有限元模擬分析結(jié)果。在這種水壓試驗(yàn)方案下，汽缸前軸封處、汽缸中部、汽缸后部均出現(xiàn)了大面積零壓力區(qū)，水壓試驗(yàn)失敗。

由于受腔室內(nèi)部壓力分布的影響，工作狀態(tài)密封性能良好的汽缸在水壓試驗(yàn)條件下也不一定能順利通過(guò)水壓試驗(yàn)。對(duì)于大容量、高參數(shù)的單層汽缸，必須合理制訂水壓試驗(yàn)方案。

2 汽缸水壓試驗(yàn)方案優(yōu)化

汽缸形狀復(fù)雜，理論計(jì)算不能得到準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，必須借助有限元分析才能得到汽缸中分面水壓試驗(yàn)狀態(tài)下的接觸壓力。采用ANSYS Workbench對(duì)該汽缸進(jìn)行非線性接觸有限元分析，計(jì)算了不同的水壓試驗(yàn)方案，最終制訂了合理的試驗(yàn)方案，流程如圖3所示。

建立有限元計(jì)算模型，施加位移約束，對(duì)各水壓腔室內(nèi)表面施加壓力邊界條件，如圖4所示，并進(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

綜上所述，總結(jié)出了以下5點(diǎn)：①通過(guò)調(diào)整，水壓試驗(yàn)時(shí)整個(gè)汽缸的中分面的內(nèi)承壓面形成了連續(xù)的密封帶，水壓試驗(yàn)時(shí)不會(huì)發(fā)生高壓水泄漏；②通過(guò)調(diào)整，水壓試驗(yàn)時(shí)各堵板接觸面形成了連續(xù)的密封帶，水壓試驗(yàn)時(shí)不會(huì)發(fā)生壓力水腔室間串漏；③汽缸水壓試驗(yàn)時(shí)，強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，承壓凸臺(tái)局部應(yīng)力較高，汽缸設(shè)計(jì)時(shí)需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，降低該處應(yīng)力水平；④中分面螺栓水壓試驗(yàn)時(shí)強(qiáng)度滿足要求，但部分螺栓局部應(yīng)力偏高，也應(yīng)引起重視；⑤該水壓試驗(yàn)堵板布置方案可行。

最終，該汽缸水壓試驗(yàn)一次性順利通過(guò)，可見(jiàn)上述利用有限元分析制訂水壓試驗(yàn)方案是一種可靠的技術(shù)手段。

4 結(jié)論

水壓試驗(yàn)與工作狀態(tài)下汽缸內(nèi)部壓力分布不同，試驗(yàn)堵板布置不合理可能造成中分面密封失效；利用有限元進(jìn)行模擬分析是解決汽缸復(fù)雜接觸問(wèn)題的有效措施；汽缸設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮水壓試驗(yàn)堵板布置帶來(lái)的強(qiáng)度問(wèn)題，部分位置應(yīng)予以補(bǔ)強(qiáng)。

參考文獻(xiàn)

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