大型機組凝汽器的模塊化分析設(shè)計

張 晨

(哈爾濱汽輪機廠輔機工程有限公司,黑龍江 哈爾濱 150040)

1 概 述

近年來,越來越多的電廠用戶提出了凝汽器模塊化的發(fā)貨需求,針對這一市場需求,以及凝汽器模塊化設(shè)計在零部件發(fā)貨、現(xiàn)場安裝以及提升產(chǎn)品質(zhì)量上體現(xiàn)出來的諸多優(yōu)勢,現(xiàn)已對絕大多數(shù)的出口項目及國內(nèi)部分重點項目的凝汽器,采用模塊化設(shè)計進行發(fā)貨運輸。利用模塊化設(shè)計,可使凝汽器的現(xiàn)場安裝周期縮短一半,發(fā)貨的零件數(shù)也大幅減少,也避免了運輸過程中零部件的丟失遺漏。

盡管模塊化設(shè)計對于大型凝汽器的安裝和質(zhì)量提供了新思路,但在設(shè)計時,不得不面對凝汽器模塊在起吊和運輸過程中的強度問題。模塊受自身重量及某些外力的影響,將會使結(jié)構(gòu)單薄的凝汽器模塊出現(xiàn)嚴(yán)重變形和剛度問題,導(dǎo)致在現(xiàn)場安裝時,出現(xiàn)變形過大或結(jié)構(gòu)失效破壞而無法安裝。對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的凝汽器模塊,利用相應(yīng)的工程計算公式,核算模塊的整體強度,已無法滿足模塊的設(shè)計要求,必須采用更加先進的分析手段?，F(xiàn)結(jié)合實例設(shè)計,總體介紹了大型通用有限元軟件MSC.NAST RAN在凝汽器模塊化分析設(shè)計中的應(yīng)用,分析過程包括起吊和運輸中的強度校核,較為直觀地得出起吊裝置和起吊方式的選擇方法,以及模塊在運輸過程中,車輛產(chǎn)生機械振動對模塊強度的具體影響。

2 凝汽器模塊的設(shè)計要點

凝汽器模塊的設(shè)計需要結(jié)合凝汽器自身結(jié)構(gòu)并滿足交通運輸?shù)南嚓P(guān)規(guī)定。其中凝汽器上部對應(yīng)的1個殼體一般分為4個獨立模塊。輸水?dāng)U容器以及水室的結(jié)構(gòu)相對獨立,所以可以將它們單獨包裝運輸。凝汽器下部的模塊劃分(見圖1)相對復(fù)雜,視凝汽器下部結(jié)構(gòu)尺寸將對應(yīng)的1個殼體分為管束(2塊或4塊)、熱井(2塊)、殼體頂部(2塊)。各模塊在廠內(nèi)進行預(yù)裝配,并做好邊界記號,在現(xiàn)場組裝時,按凝汽器各模塊及散件的組裝邊界再將凝汽器組裝成整體。

圖1 凝汽器下部模塊劃分

凝汽器模塊劃分完成后,各模塊將以獨立整體的形式進行起吊、運輸、并在現(xiàn)場安裝。然而凝汽器模塊自身的重量、結(jié)構(gòu)尺寸比起散件來都有大幅度的增加,考慮到起吊運輸?shù)陌踩?要對凝汽器各模塊進行加固,以提高模塊的剛度,防止出現(xiàn)較大的塑性變形和結(jié)構(gòu)失效破壞。針對各模塊不同的結(jié)構(gòu),需設(shè)計相應(yīng)的加固方式。圖2為凝汽器管束部分加固支撐示意圖。這種加固方式提高了管束模塊的結(jié)構(gòu)剛度,以限制模塊發(fā)生較大范圍內(nèi)的尺寸變形。

設(shè)計合理的起吊裝置以及正確的起吊方式,才能使凝汽器模塊由工廠安全運送到電廠。起吊裝置的設(shè)計以及起吊方式的確定,不僅需要考慮到凝汽器模塊起吊運輸過程中的安全性,還要考慮到起吊時的便利。因此,應(yīng)盡可能設(shè)計出能滿足起吊要求且結(jié)構(gòu)簡潔實用的起吊裝置。

圖2 凝汽器管束部分加固支撐示意圖

3 凝汽器模塊化有限元模擬

3.1 凝汽器模塊起吊過程的有限元分析

針對凝汽器模塊的加固方案和起吊方式,應(yīng)用大型通用有限元軟件MSC.NASTRAN對凝汽器模塊化方案進行模擬。有限元模型圖見圖3所示。

圖3 凝汽器管束模塊有限元模型

以某出口項目凝汽器管束部分為例,論述有限元法模擬凝汽器模塊起吊過程。

3.1.1 材料常數(shù)

選用20℃下線彈性模型;

彈性模量E=21.1×104MPa;

G=8.2×104MPa,ρ=7.82×103kg/m3。

3.1.2 凝汽器上部分析采用的單元

凝汽器管束部分主要由中間隔板、鋼板、加強管和連接板組成,中間隔板、鋼板與加強管之間通過焊接進行連接,加強管之間用連接板焊接在一起。這個鋼板采用四節(jié)點的殼單元(CQUAD4),加強管采用兩節(jié)點的梁單元(CBAR)。(CONM2)加到有限元模型上去,這樣可以正確得到凝汽器每部分的重量和形心位置。

3.1.3 最佳起吊點的選取原則及邊界條件施加

最佳起吊點是在結(jié)構(gòu)的重心上方無限遠(yuǎn)處。在計算中,所取的起吊點只是一個可行的起吊點,起吊點的位置應(yīng)該是一個區(qū)間。

起吊分析主要就是考慮結(jié)構(gòu)在自身重力作用下的變形,所以建模過程中應(yīng)該重點考慮結(jié)構(gòu)各部分的質(zhì)量。對于凝汽器有限元簡化后,主要單元就是殼單元、梁單元、點質(zhì)量單元。對分析的整個有限元結(jié)構(gòu)用MSC.PATRAN自帶的功能求得其重心位置后,在其重心正上方取一點,起吊點與分析結(jié)構(gòu)上的起吊位置連起來即為起吊時鋼索所在的直線,這個點的大致位置根據(jù)上述鋼索所在直線與水平方向的夾角來決定。

在模擬起吊過程中邊界條件施加在分析結(jié)構(gòu)的起吊位置上,即要求起吊位置上個節(jié)點位移邊界為零;轉(zhuǎn)角邊界為自由邊界。

3.1.4 起吊過程有限元分析結(jié)果

通過應(yīng)用MSC.NASTRAN/PAT RAN對凝汽器模塊起吊過程進行計算,其等效應(yīng)力、位移云圖見圖4所示,各模塊在起吊過程中變形和應(yīng)力均在允許范圍內(nèi)。模塊的加固及起吊方式滿足實際起吊與運輸?shù)囊?加固結(jié)構(gòu)合理,起吊方式簡潔。

從計算數(shù)據(jù)中可以得出,凝汽器管束各部分在起吊時,只要注意起吊點的位置,各部分應(yīng)力都小于材料的彈性極限,并沒有出現(xiàn)塑性變形,滿足起吊時對材料強度的設(shè)計要求,這種起吊方式是可行的。如果對于模塊結(jié)構(gòu)的最大變形量有要求,也可以進行相應(yīng)的校核。

3.2 凝汽器模塊運輸過程的有限元分析

運輸問題是凝汽器模塊化設(shè)計的重要問題,它制約著凝汽器模塊結(jié)構(gòu)尺寸的選取,必須合理解決。以某項目凝汽器上部為例,論述了凝汽器模塊在運輸過程中的研究方法。

3.2.1 運輸過程中車身振動的問題

在運輸過程中,車輛會產(chǎn)生機械振動。這種振動響應(yīng)與路面初始不平度、車速、車重和車輛輪徑等有關(guān)。其中,運輸車輛的振源主要來自道路不平的激勵,另一個對車身振動起重要影響作用的是車速。

當(dāng)車速v=50 km/h時,車輛分別在A級、B級和C級3種不同路面上的動載曲線如圖5所示。當(dāng)路面功率譜數(shù)G(n0)=250×10-6m2·m-1時,車輛分別在v=30km/h,v=60km/h,v=90km/h,3種車速下的車輪隨機動載的時域特性曲線,如圖6所示。

從圖6中可以清楚地觀察到,隨著車速的增加,車輪的動載荷呈現(xiàn)遞增的趨勢,隨著路面等級的下降,車輪的動載荷明顯的增大。因為車輪的動載荷(即車輛對路面的動態(tài)載荷)與路面對車輛的動態(tài)載荷是一對作用力與反作用力,所以路面對車輛的動態(tài)載荷的時域曲線也如圖6所示,即隨著車速的增加,路面對車輛的動載荷呈現(xiàn)遞增的趨勢,隨著路面等級的下降,路面對車輛的動載荷明顯地增大。此時的載荷越大,車輛的振動將越劇烈。

3.2.2 運輸問題的簡化

由分析可知,路況和車速影響著車輪所受的動載荷,車輪又通過整個車與車載貨體系來影響凝汽器模塊的振動,如果要很詳盡的分析其振動,必先考慮整個體系,然后隔離出凝汽器模塊來進行分析。這樣做幾乎不可能,因此要采用1種簡化的方法。由車的振動引起凝汽器的振動,主要體現(xiàn)在凝汽器在重力方向上加速度的改變。可以認(rèn)為凝汽器的振動,是通過加上豎直方向的慣性力來實現(xiàn)。凝汽器的振動慣性力加速度分成2種典型情況,單位脈沖和正弦波,如圖7所示。以這2種波形的荷載作為作用于凝汽器模塊的外部載荷,來考慮凝汽器模塊在運輸過程中的主要受力變化。但如需使用這種方法計算更精確的模塊振動與受到?jīng)_擊力的情況,則必須對外部荷載參數(shù)的給定進行更深入的研究,以便使外部載荷與實際路面情況達到很好的吻合。圖7中的計算結(jié)果,是脈沖波與簡諧波的幅值由路況較為惡劣情況給定,簡諧波的頻率與脈沖波的頻寬也相應(yīng)的選擇了對結(jié)構(gòu)比較危險的參數(shù)。

圖7 正弦波和單位脈沖荷載

3.2.3 計算結(jié)果

模態(tài)分析可以得到凝汽器振動的各階固有頻率和其相應(yīng)的振動形式,這可以了解凝汽器在運輸過程中的振動,表1是凝汽器上部模塊的前幾階頻率。

表1 凝汽器上部模塊的前幾階頻率

通過施加典型的正弦波和單位脈沖荷,得到凝汽器上部模塊在2個典型載荷作用下的瞬態(tài)響應(yīng)結(jié)果,見圖8、圖9所示。從圖8、圖9的曲線中可以看出,在2種典型載荷作用下最大應(yīng)力顯然滿足強度要求,而且剩余裕度比較大,說明在這樣的載荷作用下是安全的。

圖9 正弦波載荷作用下

4 結(jié)束語

利用有限元分析軟件,可自動完成凝汽器模塊化分析設(shè)計,能模擬模塊的起吊運輸?shù)葘嶋H環(huán)節(jié),通過模塊模型的簡化和選擇恰當(dāng)?shù)倪吔鐥l件,可以得到直觀明了的構(gòu)件應(yīng)力與變形分析結(jié)果,完成模塊設(shè)計方案的校核。

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[3]陸明萬.分析設(shè)計中若干重要問題的討論[R].第六屆壓力容器學(xué)會年會論文集.2005.10.

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