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| 汽缸强度计算与中分面螺栓紧力分析 | |
| 杭州汽轮机股份有限公司 孙义冈 | |
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摘 要：本文主要应用有限元方法将汽轮机汽缸的上下缸与中分面螺栓装配在一起，并对螺栓在要求的预紧力情况下通过非线性接触计算分析汽缸在水压试验及实际工作温度及压力状态下的应力与汽缸中分面密封情况。计算说明采用ANSYS有限元程序进行分析是非常有效的。
关键词：汽轮机；汽缸；有限元
1 前言
汽缸是汽轮机的主要部件，汽缸的强度刚度直接影响到汽轮机的运行。由于汽缸形状复杂，在运行时汽缸各部分压力与温度变化也比较大，因此很难用理论方法对其变形与应力状态进行仔细分析，特别是对于汽缸上下缸装配在一起的密封问题，更没有一种可靠的理论分析方法。
随着计算机仿真技术的发展，采用数值计算方法来分析汽缸的强度、刚度和汽缸装配密封成为可能。本文是采用SolidWorks软件建立实体模型，用ANSYS有限元软件进行应力与密封分析。
2 计算模型
汽缸模型直接取自SolidWorks建立的实体模型，如图1与图2所示。分上下缸二部分及15个螺栓。各个螺栓的尺寸(从高压端到低压端)：第2、3、4、5、6、7为M100 mm，第8，9为M90 mm，第1、10、11、12为M72 mm，第13、14、15为M64 mm。螺栓的一头(沉头部分)与汽缸联成一体，另一头与螺帽联成一体，在螺帽与汽缸接触面及上下缸之间的接触面分别定义了16对接触单元。模型共有节点305367，单元190090。单元划分情况见图3，接触单元见图4。计算分两步进行：1：水压试验状态：汽缸受内压(其压力为实际工作压力的2倍)。2：实际工作状态：即按实际工况加压力与温度。
3 水压试验状态的分析计算
3.1 水压试验模型载荷
水压试验的压力如图5所示，从23Mpa至0.5Mpa，螺栓的预紧力通过温度加入如图6所示，计算时的基准温度为20℃，汽缸的温度也为20℃而螺栓温度为-180℃，这样螺栓产生的紧力为：F=A*E*λ*ΔT (A-螺栓截面积，E-材料弹性模量，λ-材料线胀系数)。实际螺栓也是通过电加热伸长后收缩产生预紧力。图5：水压试验时的压力情况 图6：模型温度设定情况3.2 水压试验计算结果
对上述模型进行计算得到模型与各螺栓的受力情况及中分面接触单元的接触情况如图7到图11所示。从图7中可看到，螺栓的拉应力与汽缸体的应力都在允许值范围内。从中分面接触情况看：在螺栓7-螺栓8之间的接触压力比较小，这样就可能在这个地方试压时出现漏水，实际结构中由于螺栓2－7存在缷压槽，所以在同样冷紧温度下预紧应力比较小。图7：各个螺栓的拉应力 (Mpa) 图8：中分面接触面接触单元接触间隙图9：汽缸上部应力 图10：汽缸中部应力因此下面将螺栓8直径加大由M90改为M100，并将螺栓2至螺栓7的冷紧温度降低50℃，为-230℃作进一步计算(图12)。从图13、图14中可看到，汽缸中分面接触情况大为改善，而螺栓的拉应力又在允许值范围内（在常温下，高温螺栓钢的许用最大拉应力约588Mpa，现螺栓最大预紧应力为490Mpa）,所以将螺栓8直径加大由M90改为M100并且进一步增加第2至第7螺栓的预紧力可以满足水压试验时对汽缸中分面的密封要求，而且汽缸强度也没有问题。在实际水压试验时在螺栓7-8位置确实也出现过渗水现象，后通过提高螺栓的预紧力克服。4 实际工作状态的分析计算
4.1 汽缸温度场计算
钢的热传导系数0.05 W/(mm*℃)，汽缸内表面的放热系数为0.5e－3 W/(mm2*℃)，外表面的放热系数为1.0e-6 W/(mm2*℃)，相当于有玻璃棉保温层，汽缸外表面空气温度取60℃。汽缸内表面的蒸汽温度见图15，计算得到汽缸的温度场(图16)。在下一步进行温度压力计算时螺栓的温度必须重新设定使其应力预紧及汽缸中分面密封要求。4.2 汽缸在蒸汽温度与压力作用下的应力计算
将上述温度场计算结果读入汽缸模型中，再进行结构计算。汽缸的边界约束条件及内表面的压力载荷如图17所示(其压力为水压试验时的一半)。为使螺栓产生预紧力，螺栓温度必须重新设定，螺栓温度调整后的汽缸温度场如图18所示。在上述温度、压力情况下，各螺栓所受的拉力见图19，达到设计要求（在570℃时，螺栓的最大拉应力应小于451Mpa），由于螺栓的拉力是通过温度的设定来控制，这是一个反复调试计算的过程。中分面接触单元的接触情况如图20所示。从图中可看到在第12－13螺栓的区域密封有问题，而根据实际使用经验，在该区域，螺栓预紧力是不可能出现这种情况（水压试验时压力大1倍都没有问题），说明这种情况可能由温度引起：因为上缸有进汽室，其温度比下缸高，所以轴向膨胀量比下缸大。由于计算时上下缸接触面的摩擦系数取得比较大，并且在汽缸与排汽缸相连的法兰面X向位移约束，这样使上下缸在受到热胀时产生滑移相当困难。在前面几个螺栓位置法兰较厚，刚度较大，第12－13螺栓的区域正好是法兰刚度较低的区域，所以由于上下缸膨胀不一致加上轴向滑移阻力太大使这一部分上缸产生上拱现象，导致中分密封成问题。图21：汽缸与螺栓联接应力切片图为进一步证实以上假设，进行如下的试验计算：模型所有数据都保持不变只是将汽缸材料的线胀系数取0，即汽缸受到温度时不会膨胀，这样消除热胀的影响，计算结果显示所有接触区域情况都相当正常，所以证明了我们的解释。因此上述计算中出现的第12－13螺栓区域的接触压力问题是由于力学模型作假设时出现的，实际情况不会产生这种情况。
5 结论
一、上述汽缸，无论是在水压试验还是按实际使用条件计算其本身强度都满足要求。对于中分面螺栓，当第8号螺栓由M90改为M100，使该区域密封情况更好。
二、上述计算说明，用有限元方法计算汽缸中分面的密封问题是有效的，在计算中无论是接触问题所涉及的非线性收敛情况与温度场计算、温度压力综合考虑后的计算结果都是比较理想的，其计算结果能对设计人员起一定的指导作用。
三、在ANSYS中可以直接通过定义螺栓预紧单元来对螺栓施加预紧力，但在本次计算中主要是模拟实际安装情况，通过计算可得出为保证螺栓预紧力所需的加热温度。
[参考文献]
[1] ANSYS结构分析指南(中)结构非线性。
1/18/2007 | |
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