高参数工业汽轮机两半内缸相关问题分析

时间：2023-07-23 23:09:07

关键字：温度场有限元分析气密性

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[导读]摘要:针对高参数工业汽轮机两半内缸的温度场、应力场、中分面气密性及外接管道附加力等对内缸的影响问题,基于传热学和弹性力学理论,运用有限元软件对两半内缸进行分析。建立了两半内缸的有限元模型,并详细计算出外缸-内缸的变形,内缸中分面螺栓的温度场和应力场,同时研究了内缸中分面的接触情况。结果表明,外界的附加力及力矩不影响内缸的正常运行,内缸的温度梯度均匀,内缸和螺栓的应力均小于对应的屈服极限,满足强度安全要求。

引言

内缸大部分都是以水平中分面为基准分成上下两半,并由外缸水平中分面支承,顶部和底部由定位销导向确保与汽轮机轴线保持正确位置。设计时,为了满足蒸汽流动要求,内缸通常设计成多个腔室,其结构比较复杂。汽轮机运行时,内缸会产生很大的应力和变形。同时,外接的蒸汽管道因为热胀产生的附加力也会对内缸产生一定的影响。因此,准确分析内缸的温度场和应力场,保证内缸的强度和气密性满足要求,对于内缸的工程设计具有重要的意义。

某重点汽轮机项目内缸进汽压力、温度分别高达12.6MPa和540℃。外缸、内缸外形及剖面如图1所示。为保证设计的安全与陈靠性,外接管道对内缸的附加力及力矩大小,内缸本身的强度及中分面密封性都需要进行校核。本周基于此型号内缸,运用有限元方法对以上两个主要问题分别进行了详细研究,用于指导和校核内缸的工程设计。

图1 外缸、内缸外形及剖面图

1理论基础

1.1温度场理论方程

在不同的运行工况下,内缸的温度场差别很大。为了简化分析,下面仅研究最大工况时且处于稳定对流换热状态下内缸的温度场。在稳定运行时,蒸汽主要是以对流换热方式向金属传热,换热量与换热系数和换热温差成正比。内缸金属内部以导热的方式进行热量传递。

内缸为各向同性且均匀分布的无内热源三维实体,其瞬态热传导微分方程为:

式中:入为导热系数[w/(m·K)]:T为温度(℃):p为密度(kg/m3):C为比热容[J/(kg·℃)]。

求解方程(1)需要的边界条件为:内缸各个表面的温度、内缸与蒸汽的对流换热系数。为了简化分析,本周根据工程经验来设定换热系数。

1.2弹性力学理论方程

内缸腔室充满高压蒸汽,内缸上、下半通过中分面螺栓保持接触和密封,对于内缸上、下半和中分面螺栓组成的系统,根据虚功原理陈推导出静力分析的刚度方程为:

式中:[K]为整体刚度矩阵:(u)为节点位移向量:(F)为整体外载荷向量:(R)为整体接触力向量。

在方程(2)中,[K]、(F)是已知的,(u)、(R)是未知的,需要求解。

2有限元分析结果

2.1内缸-导汽管间隙分析

蒸汽通过导汽管进入两半内缸,导汽管固定在外缸上,另一端与外接蒸汽管道相连。导汽管与内缸相接处存在理论设计间隙,如图2所示。若外接管道对内缸产生附加的力和力矩过大,使得间隙超过理论值,就会影响内缸正常工作,因此,需要对模型进行分析。模型中,外缸、内缸、导汽管的材料属性如表1所示,外缸、内缸各个腔室蒸汽参数如表2所示,外缸-内缸进汽模型如图3所示。同时,加载外部蒸汽管道因热变形对导汽管产生的反作用力及力矩,力及力矩数值如表3所示。

有限元分析模型及网格划分如图4所示,汽缸及两半内缸总变形如图5所示,导汽管与内缸端面周向、径向变形如图6所示。

从图2可知,导汽管与内缸间隙设计值为周向4mm、径向7mm。图6(a)、图6(b)有限元分析结果表明,周向相对变形为1.4mm以内,小于间隙设计值4mm:径向相对变形在1mm内,也远小于设计间隙7mm。可以说,在最大蒸汽参数工况下,现有设计的间隙值能满足机组安全运行要求。

2.2内缸强度及中分面密封性分析

内缸由上、下两半和多个中分面螺栓组成。螺栓的材料为NiCr20TiA1,其屈服极限为520MPa。两半内缸腔室划分如图7所示,每个腔室对应的温度压力与表2保持一致。内缸模型及中分面螺栓网格划分如图8(a)、图8(b)所示。

内缸以及中分面螺栓温度分析结果如图9(a)、图9(b)所示,相应的应力云图如图10(a)、图10(b)所示。

图9(a)、图9(b)的分析结果表明,内缸温度梯度呈轴向分布,且在同一轴向截面上温度分布均匀:内缸中分面螺栓的温度梯度呈垂直分布,且温度分布均匀,这有利于螺栓保持较高的预紧力。图10(a)、图10(b)的分析结果表明,除了部分应力集中处外,内缸的应力均在200MPa以内,且中分面螺栓应力主要处于400MPa以内。数值均小于对应材料的屈服极限,校核安全。

图11(a)、图11(b)的分析结果表明,内缸中分面大部分区域能保持较高的接触压力。因内缸本身结构限制,靠近内缸腔室附近密封性较差,但中分面螺栓处密封很好,所以漏气概率较小,气密性良好。