某型高壓汽輪機單層汽缸水壓試驗方案優化

徐華+孫偉+王振鋒+徐曉康

摘 要：介紹了某型高壓汽輪機單層汽缸，其工作壓力高結構尺寸大、工作狀態密封性能良好，但不能保證水壓試驗順利通過。應用ANSYS Workbench對該汽缸的水壓方案進行了模擬分析，得出了汽缸工作狀態與水壓試驗中分面接觸狀態存在差異，對試驗堵板布置進行了優化，合理制訂了水壓試驗方案，得出了汽缸水壓試驗對汽缸局部強度的要求，可供類似汽缸設計參考。

關鍵詞：高壓汽輪機；單層汽缸；水壓試驗；能量轉換

中圖分類號：TK26 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.06.016

汽輪機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，蒸汽在通流內實現能量轉換，將熱能轉變為機械能。汽缸可保證動靜部件之間的相對中心變化在允許范圍之內，還能保證汽缸中分面的密封性能，避免蒸汽由通流內部泄漏到外部環境或沿軸向發生串漏。汽缸的強度、密封性是設計中要考慮的重點。為了檢測汽缸加工后的強度、密封性能，通常采取水壓試驗。由于水壓試驗與汽缸工作狀態缸體內部壓力分布差異很大，需要合理設計汽缸注水腔室。只有這樣，才能安全順利地通過試驗檢驗。

1 某型高壓單層汽缸水壓試驗問題

單層汽缸一般用于100 MW以下的高壓及以下小容量低參數機組，單層缸的特點是汽缸內外壓差大、汽缸內外溫差大，這對強度、密封性提出了很高的要求。

水壓試驗時，汽缸內部由堵板隔離為多個壓力腔室，整個腔室壓力均為該腔室最高工作壓力的1.5倍，而汽輪機工作時，上述腔室中壓力是逐級遞減的，且最高壓力僅為工作壓力。汽缸的設計基于工作狀態，如果不能合理布置水壓試驗堵板，則水壓試驗時汽缸中分面就不能保證有足夠的密封壓力，進而造成試驗失敗，甚至會破壞汽缸，造成重大人員傷亡事故。圖1為工作狀態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的有限元模擬分析結果。在這種水壓試驗方案下，汽缸前軸封處、汽缸中部、汽缸后部均出現了大面積零壓力區，水壓試驗失敗。

由于受腔室內部壓力分布的影響，工作狀態密封性能良好的汽缸在水壓試驗條件下也不一定能順利通過水壓試驗。對于大容量、高參數的單層汽缸，必須合理制訂水壓試驗方案。

2 汽缸水壓試驗方案優化

汽缸形狀復雜，理論計算不能得到準確的計算結果，必須借助有限元分析才能得到汽缸中分面水壓試驗狀態下的接觸壓力。采用ANSYS Workbench對該汽缸進行非線性接觸有限元分析，計算了不同的水壓試驗方案，最終制訂了合理的試驗方案，流程如圖3所示。

建立有限元計算模型，施加位移約束，對各水壓腔室內表面施加壓力邊界條件，如圖4所示，并進行了優化計算。

3 計算結果及分析

綜上所述，總結出了以下5點：①通過調整，水壓試驗時整個汽缸的中分面的內承壓面形成了連續的密封帶，水壓試驗時不會發生高壓水泄漏；②通過調整，水壓試驗時各堵板接觸面形成了連續的密封帶，水壓試驗時不會發生壓力水腔室間串漏；③汽缸水壓試驗時，強度滿足設計要求，承壓凸臺局部應力較高，汽缸設計時需要進行結構優化，降低該處應力水平；④中分面螺栓水壓試驗時強度滿足要求，但部分螺栓局部應力偏高，也應引起重視；⑤該水壓試驗堵板布置方案可行。

最終，該汽缸水壓試驗一次性順利通過，可見上述利用有限元分析制訂水壓試驗方案是一種可靠的技術手段。

4 結論

水壓試驗與工作狀態下汽缸內部壓力分布不同，試驗堵板布置不合理可能造成中分面密封失效；利用有限元進行模擬分析是解決汽缸復雜接觸問題的有效措施；汽缸設計時，應考慮水壓試驗堵板布置帶來的強度問題，部分位置應予以補強。

參考文獻

［1］中國動力工程學會.火力發電設備技術手冊［M］.北京：機械工業出版社，1998.

［2］丁有宇.汽輪機強度計算手冊［M］.北京：中國電力出版社，2010.