高參數(shù)工業(yè)汽輪機兩半內(nèi)缸相關(guān)問題分析

摘要：針對高參數(shù)工業(yè)汽輪機兩半內(nèi)缸的溫度場、應(yīng)力場、中分面氣密性及外接管道附加力等對內(nèi)缸的影響問題，基于傳熱學(xué)和彈性力學(xué)理論，運用有限元軟件對兩半內(nèi)缸進行分析。建立了兩半內(nèi)缸的有限元模型，并詳細計算出外缸-內(nèi)缸的變形，內(nèi)缸中分面螺栓的溫度場和應(yīng)力場，同時研究了內(nèi)缸中分面的接觸情況。結(jié)果表明，外界的附加力及力矩不影響內(nèi)缸的正常運行，內(nèi)缸的溫度梯度均勻，內(nèi)缸和螺栓的應(yīng)力均小于對應(yīng)的屈服極限，滿足強度安全要求。

關(guān)鍵詞：汽輪機；兩半內(nèi)缸；溫度場；有限元分析；氣密性

中圖分類號：TH12；TK2" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2023）08-0026-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.08.007

0" " 引言

內(nèi)缸大部分都是以水平中分面為基準分成上下兩半，并由外缸水平中分面支承，頂部和底部由定位銷導(dǎo)向確保與汽輪機軸線保持正確位置。設(shè)計時，為了滿足蒸汽流動要求，內(nèi)缸通常設(shè)計成多個腔室，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。汽輪機運行時，內(nèi)缸會產(chǎn)生很大的應(yīng)力和變形。同時，外接的蒸汽管道因為熱脹產(chǎn)生的附加力也會對內(nèi)缸產(chǎn)生一定的影響。因此，準確分析內(nèi)缸的溫度場和應(yīng)力場，保證內(nèi)缸的強度和氣密性滿足要求，對于內(nèi)缸的工程設(shè)計具有重要的意義。

某重點汽輪機項目內(nèi)缸進汽壓力、溫度分別高達12.6 MPa和540 ℃。外缸、內(nèi)缸外形及剖面如圖1所示。為保證設(shè)計的安全與可靠性，外接管道對內(nèi)缸的附加力及力矩大小，內(nèi)缸本身的強度及中分面密封性都需要進行校核。本文基于此型號內(nèi)缸，運用有限元方法[1-4]對以上兩個主要問題分別進行了詳細研究，用于指導(dǎo)和校核內(nèi)缸的工程設(shè)計。

1" " 理論基礎(chǔ)

1.1" " 溫度場理論方程

在不同的運行工況下，內(nèi)缸的溫度場差別很大。為了簡化分析，下面僅研究最大工況時且處于穩(wěn)定對流換熱狀態(tài)下內(nèi)缸的溫度場。在穩(wěn)定運行時，蒸汽主要是以對流換熱方式向金屬傳熱，換熱量與換熱系數(shù)和換熱溫差成正比。內(nèi)缸金屬內(nèi)部以導(dǎo)熱的方式進行熱量傳遞[5-6]。

內(nèi)缸為各向同性且均勻分布的無內(nèi)熱源三維實體，其瞬態(tài)熱傳導(dǎo)微分方程為：

式中：λ為導(dǎo)熱系數(shù)[W/（m·K）]；T為溫度（℃）；ρ為密度（kg/m3）；C為比熱容[J/（kg·℃）]。

求解方程（1）需要的邊界條件為：內(nèi)缸各個表面的溫度、內(nèi)缸與蒸汽的對流換熱系數(shù)。為了簡化分析，本文根據(jù)工程經(jīng)驗來設(shè)定換熱系數(shù)。

1.2" " 彈性力學(xué)理論方程

內(nèi)缸腔室充滿高壓蒸汽，內(nèi)缸上、下半通過中分面螺栓保持接觸和密封，對于內(nèi)缸上、下半和中分面螺栓組成的系統(tǒng)[7]，根據(jù)虛功原理可推導(dǎo)出靜力分析的剛度方程為：

式中：[K]為整體剛度矩陣；｛u｝為節(jié)點位移向量；｛F｝為整體外載荷向量；｛R｝為整體接觸力向量。

在方程（2）中，[K]、｛F｝是已知的，｛u｝、｛R｝是未知的，需要求解。

2" " 有限元分析結(jié)果

2.1" " 內(nèi)缸-導(dǎo)汽管間隙分析

蒸汽通過導(dǎo)汽管進入兩半內(nèi)缸，導(dǎo)汽管固定在外缸上，另一端與外接蒸汽管道相連。導(dǎo)汽管與內(nèi)缸相接處存在理論設(shè)計間隙，如圖2所示。若外接管道對內(nèi)缸產(chǎn)生附加的力和力矩過大，使得間隙超過理論值，就會影響內(nèi)缸正常工作，因此，需要對模型進行分析。模型中，外缸、內(nèi)缸、導(dǎo)汽管的材料屬性如表1所示，外缸、內(nèi)缸各個腔室蒸汽參數(shù)如表2所示，外缸-內(nèi)缸進汽模型如圖3所示。同時，加載外部蒸汽管道因熱變形對導(dǎo)汽管產(chǎn)生的反作用力及力矩，力及力矩數(shù)值如表3所示。

有限元分析模型及網(wǎng)格劃分如圖4所示，汽缸及兩半內(nèi)缸總變形如圖5所示，導(dǎo)汽管與內(nèi)缸端面周向、徑向變形如圖6所示。

從圖2可知，導(dǎo)汽管與內(nèi)缸間隙設(shè)計值為周向4 mm、徑向7 mm。圖6（a）、圖6（b）有限元分析結(jié)果表明，周向相對變形為1.4 mm以內(nèi)，小于間隙設(shè)計值4 mm；徑向相對變形在1 mm內(nèi)，也遠小于設(shè)計間隙7 mm?？梢哉f，在最大蒸汽參數(shù)工況下，現(xiàn)有設(shè)計的間隙值能滿足機組安全運行要求。

2.2" " 內(nèi)缸強度及中分面密封性分析

內(nèi)缸由上、下兩半和多個中分面螺栓組成。螺栓的材料為NiCr20TiAl，其屈服極限為520 MPa。兩半內(nèi)缸腔室劃分如圖7所示，每個腔室對應(yīng)的溫度壓力與表2保持一致。內(nèi)缸模型及中分面螺栓網(wǎng)格劃分如圖8（a）、圖8（b）所示。

內(nèi)缸以及中分面螺栓溫度分析結(jié)果如圖9（a）、圖9（b）所示，相應(yīng)的應(yīng)力云圖如圖10（a）、圖10（b）所示。

圖9（a）、圖9（b）的分析結(jié)果表明，內(nèi)缸溫度梯度呈軸向分布，且在同一軸向截面上溫度分布均勻；內(nèi)缸中分面螺栓的溫度梯度呈垂直分布，且溫度分布均勻，這有利于螺栓保持較高的預(yù)緊力。圖10（a）、圖10（b）的分析結(jié)果表明，除了部分應(yīng)力集中處外，內(nèi)缸的應(yīng)力均在200 MPa以內(nèi)，且中分面螺栓應(yīng)力主要處于400 MPa以內(nèi)。數(shù)值均小于對應(yīng)材料的屈服極限，校核安全。

圖11（a）、圖11（b）的分析結(jié)果表明，內(nèi)缸中分面大部分區(qū)域能保持較高的接觸壓力。因內(nèi)缸本身結(jié)構(gòu)限制，靠近內(nèi)缸腔室附近密封性較差，但中分面螺栓處密封很好，所以漏氣概率較小，氣密性良好。

3" " 結(jié)論

本文應(yīng)用傳熱學(xué)和彈性力學(xué)理論以及有限元方法，建立了汽輪機內(nèi)缸的有限元分析模型，研究了最大工況時兩半內(nèi)缸的溫度場、應(yīng)力場和中分面氣密性情況，得出以下結(jié)論：

（1）導(dǎo)氣管-內(nèi)缸間隙值滿足設(shè)計要求，外界附加力及力矩不影響內(nèi)缸的正常運行；

（2）內(nèi)缸以及中分面螺栓的溫度分布均勻，除了部分應(yīng)力集中外，內(nèi)缸和中分面螺栓應(yīng)力均處于材料屈服極限范圍內(nèi)，滿足強度安全要求，同時內(nèi)缸中分面氣密性良好。

本文通過對內(nèi)缸的詳細分析，得到了內(nèi)缸溫度場、應(yīng)力場的分布。該分析方法對汽輪機的設(shè)計和新產(chǎn)品開發(fā)是十分必要的，能為今后高參數(shù)汽輪機組的設(shè)計提供技術(shù)參考。

[參考文獻]

[1] SZWEDOWICZ J，SECALL-WIMMEL T，DUENCK-KERST P，et al.Scaling concept for axial turbine stages with loosely assembled friction bolts：the linear dynamic assessment，Part I[C].Journal of Engineering for Gas Turbines and Power：Transa-

ctions of the ASME，2008，130（3）：162-173.

[2] GAO B K.Casing stress analysis with effects of temperature on material properties[C]// Procee-

dings of the 5th International Conference on Nonlinear Mechanics，2007：397-402.

[3] 陳臘梅，傅洪軍，張章軍，等.某燃機電廠汽輪機汽缸-螺柱系統(tǒng)的多場耦合有限元應(yīng)力分析[J].汽輪機技術(shù)，2018，60（2）：89-91.

[4] 劉長福，蔡文河，代小號，等.基于有限元計算的汽缸緊固螺栓應(yīng)力分布研究[J].機械強度，2019，41（1）：238-243.

[5] 楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)[M].4版.北京：高等教育出版社，2006.

[6] 史進淵，楊宇，鄧志成，等.超臨界和超超臨界汽輪機汽缸傳熱系數(shù)的研究[J].動力工程，2006，26（1）：1-5.

[7] 謝永慧，李銘，張荻.汽輪機高壓缸三維熱彈性接觸模型及其氣密性分析[J].機械強度，2005，27（1）：95-98.

收稿日期：2022-12-09

作者簡介：馬利江（1980—），男，浙江嵊州人，碩士，高級工程師，研究方向：汽輪機裝備設(shè)計。