某型燃?xì)廨啓C(jī)冷卻管道強(qiáng)度計(jì)算分析

方志陽(yáng)，魏佳明，朱子奇，孫義岡，藍(lán)吉兵，方 寅

(1.杭州汽輪機(jī)股份有限公司，浙江 杭州 310006；2.杭州汽輪動(dòng)力集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310006)

0 引 言

燃?xì)廨啓C(jī)作為大型動(dòng)力裝置，廣泛應(yīng)用于發(fā)電、拖動(dòng)以及其他各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域[1]。燃?xì)廨啓C(jī)的功率和效率隨著渦輪入口溫度的提高而增加，但是伴隨著渦輪入口溫度的提高，熱端部件材料的耐熱問(wèn)題也隨之而來(lái)。因此，必須將氣體冷卻技術(shù)應(yīng)用到空心渦輪冷卻葉片設(shè)計(jì)實(shí)踐中去。

該技術(shù)是將壓氣機(jī)級(jí)中或者罩殼中的壓縮空氣作為冷卻空氣對(duì)燃?xì)鉁u輪的熱端部件進(jìn)行冷卻，以保證其應(yīng)有的部件壽命。因此，必須配備專門的冷卻管道，將壓縮空氣從壓氣機(jī)級(jí)中或者罩殼中抽出，經(jīng)過(guò)外部冷凝裝置，最后再輸回到渦輪部件對(duì)其進(jìn)行冷卻[2]。目前，主流E級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)出口溫度高達(dá)350 ℃，且氣體壓力為十幾個(gè)大氣壓。在如此高溫高壓的工作環(huán)境下，管道極易處于復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)中，甚至產(chǎn)生裂紋，會(huì)對(duì)機(jī)組造成惡劣損壞。基于以上原因，燃?xì)廨啓C(jī)冷卻管道的安全及可靠性一直以來(lái)受到業(yè)主、設(shè)備廠家和設(shè)計(jì)院的高度重視。

某型E級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組[3]，冷卻管道從壓氣機(jī)罩殼位置抽取壓縮空氣，經(jīng)過(guò)外部冷凝器冷卻后再回到渦輪部件進(jìn)行冷卻。

本文以該冷卻管道為例，首先通過(guò)工程圖紙統(tǒng)計(jì)了直管、彎管和支吊架尺寸等信息，以及管道各組件的質(zhì)量，包括管道筒體、法蘭等；然后采用有限元軟件ANSYS建立冷卻管道三維模型，并采用不同的單元模擬管道、彈簧、支架等結(jié)構(gòu)，對(duì)支吊架結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，同時(shí)施加合理的邊界條件，計(jì)算在安裝工況及運(yùn)行工況時(shí)管道的受力狀況；最后對(duì)管道進(jìn)行一次應(yīng)力和二次應(yīng)力校核。

1 有限元模型

1.1 管道結(jié)構(gòu)建立

按照工程圖紙說(shuō)明，本文在統(tǒng)計(jì)了直管、彎管、支吊架尺寸、支撐彈簧型號(hào)和剛度等信息基礎(chǔ)上，按照管道以及支吊架圖紙布置管道位置。管道模型分為管道筒體、吊耳、法蘭、彈性支架、彈性吊架。其中法蘭按照集中質(zhì)量處理，施加在對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)位置處，保證模型質(zhì)量與實(shí)際質(zhì)量相同。同時(shí)，對(duì)支吊架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了合理的簡(jiǎn)化，方便后續(xù)的分析。

本文采用ANSYS15.0對(duì)管道進(jìn)行三維建模，如圖1所示。

圖1 冷卻管道

X方向?yàn)槿細(xì)廨啓C(jī)軸線一致的方向，Y方向?yàn)榕c機(jī)體軸線垂直的向上方向，Z方向?yàn)榕c機(jī)體軸線垂直的側(cè)向方向。

冷卻管道(抽氣段)的布局簡(jiǎn)圖及有限元計(jì)算節(jié)點(diǎn)布局如圖1(a)所示，其中節(jié)點(diǎn)總數(shù)為172個(gè)，單元總數(shù)為133個(gè)。

冷卻管道(回氣段)的布局簡(jiǎn)圖及有限元計(jì)算節(jié)點(diǎn)布局如圖1(b)所示，其中節(jié)點(diǎn)總數(shù)為300個(gè)，單元總數(shù)為239個(gè)。通過(guò)提取單元質(zhì)量獲得抽氣段和回氣段管系的質(zhì)量分別為3.224 T和3.308 T，與管道實(shí)際質(zhì)量相差1%，說(shuō)明模型簡(jiǎn)化合理。

分析中用到的單元類型有PIPE16、PIPE18、Beam188和Combin14[4]。其中，PIPE16和PIPE18分別來(lái)模擬直管和彎管，需要對(duì)其賦予實(shí)常數(shù)來(lái)定義管道的外徑、厚度，以及內(nèi)部氣體密度等參數(shù)；Beam188單元來(lái)模擬支座，需要輸入截面屬性，代表其截面形狀及尺寸。Combin14單元來(lái)模擬彈簧，需要輸入彈簧的剛度K、預(yù)位移ILENGTH或者預(yù)壓力IFORCE。

1.2 支架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化

本研究以2種不同類型的支架結(jié)構(gòu)[5]為例，對(duì)支架結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化進(jìn)行說(shuō)明。

第一種支架結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示。

簡(jiǎn)化后的支架結(jié)構(gòu)如圖2(b)所示。節(jié)點(diǎn)1采用固支的形式，約束節(jié)點(diǎn)2的位移和軸向轉(zhuǎn)角，來(lái)模擬③U型螺栓的作用。

圖2 支架簡(jiǎn)化①—空心圓柱支撐，采用Beam188單元進(jìn)行模擬；②—彈簧支座，采用Combin14單元進(jìn)行模擬

第二種支架結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示。采用上述相同的單元來(lái)模擬彈簧支架和支撐。在理想情況下，③兩側(cè)位移應(yīng)該相同，③對(duì)支架的剛度沒(méi)有多大的影響，因此建模的時(shí)候去掉槽鋼③。同時(shí)，為了計(jì)算方便，筆者將2個(gè)彈簧支座的作用等效成1個(gè)彈簧支座，并計(jì)算等效剛度。

簡(jiǎn)化后的支架結(jié)構(gòu)如圖3(b)所示。節(jié)點(diǎn)1和2采用固支形式，約束節(jié)點(diǎn)3的位移和軸向轉(zhuǎn)角，來(lái)模擬卡箍對(duì)管道的作用力。

圖3 支架簡(jiǎn)化①—彈簧支架；②—支撐；③—槽銅

2 管道強(qiáng)度計(jì)算

本節(jié)進(jìn)行在安裝工況和運(yùn)行工況下管道的強(qiáng)度計(jì)算。這兩種工況分別是燃?xì)廨啓C(jī)未運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)管道和機(jī)器都處于常溫的冷管冷機(jī)狀態(tài)以及燃?xì)廨啓C(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)管道和機(jī)器都處于熱態(tài)的熱管熱機(jī)狀態(tài)。

2.1 安裝工況

進(jìn)行安裝工況計(jì)算的目的是為了獲得在安裝工況下彈簧支吊架處的反力。這樣在熱態(tài)工況下即可將該反力作為預(yù)緊力施加在彈簧上，可以確保在管道正常運(yùn)行之前，管道和彈簧支吊架連接處位移UY=0[6]。

對(duì)于抽氣段，施加邊界條件如表1所示。同時(shí)在法蘭和閥的對(duì)應(yīng)位置施加集中質(zhì)量。

表1 安裝工況抽氣段邊界條件

通過(guò)ANSYS后處理功能，提取彈簧支吊架對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)位置處的反力，如表2所示。筆者將該反力作為彈簧預(yù)緊力，并用于后續(xù)的熱態(tài)計(jì)算中。

表2 彈簧支吊架對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)處反力

筆者采用相同的方法對(duì)回氣管道施加邊界條件并進(jìn)行計(jì)算，得到支座反力，如表3所示。

表3 彈簧支吊架對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)處反力

抽氣段和回氣段的彈簧支吊架對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)位置如圖4所示。

圖4 彈簧支架對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)位置

2.2 運(yùn)行工況

本研究按照運(yùn)行工況下管道的約束狀況，對(duì)模型施加邊界條件。將2.1節(jié)計(jì)算得到的支座反力作為彈簧的預(yù)緊力施加在彈簧支吊架對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)處。節(jié)點(diǎn)101、140、147處邊界條件如圖4(a)所示，其余邊界條件如表4所示。

表4 運(yùn)行工況抽氣段邊界條件

同時(shí)在法蘭和閥的對(duì)應(yīng)位置施加集中質(zhì)量。其中T內(nèi)壁、ρ氣體以及P根據(jù)機(jī)組參數(shù)獲得。管口軸向位移和徑向位移通過(guò)整機(jī)氣缸的熱分析獲得。

回氣段管道的邊界條件如表5所示。

表5 運(yùn)行工況回氣段邊界條件

上述邊界條件對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)位置如圖5所示。

圖5 邊界條件對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)位置

3 應(yīng)力校核

本研究參考GB/T 20801-2006，對(duì)管系進(jìn)行一次應(yīng)力校核和二次應(yīng)力校核[7-9]。

3.1 一次應(yīng)力校核

一次應(yīng)力指的是由于壓力、重力和其他持續(xù)載荷所產(chǎn)生的縱向應(yīng)力之和σL不應(yīng)該超過(guò)材料在最高工作溫度下的許用應(yīng)力[σ]h。抽/排氣管道材料牌號(hào)為A106-B，對(duì)應(yīng)國(guó)內(nèi)牌號(hào)為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼20。查閱材料手冊(cè)[10]，對(duì)于抽氣管道，對(duì)應(yīng)最高工作溫度下材料的許用應(yīng)力[σ]h=151.5 MPa。對(duì)于回氣管道，對(duì)應(yīng)最高工作溫度下材料許用應(yīng)力[σ]h=208.6 MPa。由有限元計(jì)算得到抽氣管道σL=15.8 MPa，回氣管道σL=17.9 MPa，都小于對(duì)應(yīng)工作溫度下材料的許用應(yīng)力，因此校核合格。

3.2 二次應(yīng)力校核

對(duì)于管道的熱脹應(yīng)力，其當(dāng)量應(yīng)力的強(qiáng)度條件為：

(1)

交變次數(shù)對(duì)許用應(yīng)力范圍的修正系數(shù)如表6所示。

表6 交變次數(shù)對(duì)許用應(yīng)力范圍的修正系數(shù)

N—管系預(yù)計(jì)使用壽命下全位移循環(huán)當(dāng)量數(shù)

圖6 冷卻管道等效應(yīng)力云圖

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)冷卻管道在高溫高壓工作環(huán)境下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度失效問(wèn)題，本文對(duì)某型E級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)冷卻管道進(jìn)行了應(yīng)力計(jì)算及強(qiáng)度校核。通過(guò)上述的計(jì)算與分析，得到以下結(jié)論：

(1)可采用有限元軟件ANSYS中不同的單元包括PIPE16、PIPE18、Beam188及Combin14來(lái)模擬管道、彈簧和支架結(jié)構(gòu)。采用合理的方法簡(jiǎn)化了支吊架結(jié)構(gòu)及抽/回氣段管道的邊界條件，計(jì)算了管道在安裝工況和運(yùn)行工況下的應(yīng)力水平；

(2)參考國(guó)標(biāo)GB/T 20801-2006，對(duì)管道進(jìn)行一次應(yīng)力校核和二次應(yīng)力校核，校核通過(guò)，說(shuō)明管道及支吊架設(shè)計(jì)合理；

(3)本文采用的建模、簡(jiǎn)化以及有限元分析方法具有一定的通用性，適用于同等級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)冷卻管道的強(qiáng)度分析。

:

[1] 清華大學(xué)熱能工程系動(dòng)力機(jī)械與工程研究所，深圳南山熱電股份有限公司.燃?xì)廨啓C(jī)與燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)裝置[M].北京：中國(guó)電力出版社，2007.

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