基于ANSYS WORKBENCH的汽輪機(jī)隔板撓度分析

洛陽(yáng)中重發(fā)電設(shè)備有限責(zé)任公司 （河南 471003） 劉華平 朱曙光

中信重工重型鑄鍛廠 （河南洛陽(yáng) 471003） 范可歆

隔板是汽輪機(jī)通流中重要的部件之一，承載著固定靜葉片和防止級(jí)間漏汽的作用，同時(shí)把蒸汽的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。隔板主要由靜葉片、外環(huán)和內(nèi)環(huán)三部分組成，隔板與高速旋轉(zhuǎn)葉片之間的動(dòng)靜間隙很小，因此對(duì)隔板有嚴(yán)格的要求。板面上雖然作用的壓力差相對(duì)均勻，但其結(jié)構(gòu)和受力情況復(fù)雜，精確的隔板撓度計(jì)算較繁復(fù)，目前工廠常用近似的斯密斯法和華爾法量計(jì)算。由于其假設(shè)條件和真實(shí)的運(yùn)行情況有一定的差別，因此其計(jì)算結(jié)果必然存在著一些偏差。本文采用有限元進(jìn)行分析，并與本公司使用史密斯法計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，從而判定該方法的可行性。

1.史密斯法求解隔板撓度

隔板的外環(huán)和板體是兩塊同心半圓環(huán)，兩者之間由靜葉片（桿件）相連接，板面上作用著均勻分布的蒸汽壓力差，但其結(jié)構(gòu)和受力情況復(fù)雜，精確的隔板撓度計(jì)算較繁復(fù)，工廠常用史密斯法和瓦爾法來(lái)近似計(jì)算。由于簡(jiǎn)化計(jì)算的假定條件不同，史密斯法適用于計(jì)算靜葉相對(duì)較長(zhǎng)的隔板。瓦爾法不考慮葉片的存在，適用于短葉片。

史密斯計(jì)算的基本假設(shè)為：

（1）隔板外環(huán)固定在完全剛性的支座上，隔板承受均布蒸汽壓力差，支反力沿支撐圓周上分布按正弦曲線分布。

（2）計(jì)算葉片應(yīng)力和撓度時(shí)，假定隔板外環(huán)和板體是絕對(duì)剛性的，計(jì)算板體應(yīng)力和撓度時(shí)，假定葉片是絕對(duì)剛性的；隔板撓度為葉片撓度和板體撓度之總和。

（3）隔板受力后，它的徑向截面形狀保持不變。

（4）不考慮隔板本身曲率，即按直梁公式計(jì)算力和變形之間的關(guān)系。

（5）板體的最大應(yīng)力在垂直于中分面的板體內(nèi)徑處，板體的最大撓度在中分面內(nèi)徑處。

本次計(jì)算中，取本公司N6的第五級(jí)隔板，該級(jí)隔板是全周進(jìn)汽，其靜葉高度為33mm，葉片不能忽略，因此采用史密斯方法進(jìn)行隔板的撓度計(jì)算。該隔板的工作溫度為100℃，隔板工作狀態(tài)下的前后壓差為0.086MPa。該隔板的靜葉材質(zhì)為1Cr13，工作溫度下的彈性模量為206 000MPa，該隔板的板體材質(zhì)為ZG25A，工作溫度下的彈性模量為204 000MPa。

計(jì)算結(jié)果及所用公式如附表所示。

隔板撓度及計(jì)算所用公式

表中，ΔP為隔板兩側(cè)壓力差（MPa），KΔ為撓度計(jì)算系數(shù)，Iuu為葉片截面對(duì)通過(guò)截面形心并平行于隔板平面的u－u軸的慣性距，EP、En分別為板體、葉片材料在工作溫度時(shí)的彈性模量，Zn為隔板靜葉片數(shù)目，l為葉片高度和葉片根部至汽缸或持環(huán)內(nèi)壁的距離，Dm為隔板外徑，Dg為隔板內(nèi)徑。

2.ANSYS WORKBENCH分析隔板撓度

利用Inventor三維軟件建立隔板的三維模型，在ANSYS WORKBENCH這個(gè)工作平臺(tái)上，應(yīng)用靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析模塊（static structure），對(duì)該隔板的三維模型進(jìn)行分析，以得到隔板撓度的云圖，可以直觀地得到隔板的撓度。

（1）建立隔板三維模型：三維設(shè)計(jì)已逐步成為機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)的主流，而ANSYS WORKBENCH可以嵌入到相應(yīng)的三維設(shè)計(jì)軟件Inventor版本中，因此本文采用Inventor三維軟件來(lái)建立該隔板的三維模型，以便更好把設(shè)計(jì)與分析融為一體。在建模的過(guò)程中把隔板分為隔板外環(huán)、靜葉部分和隔板體三部分。在Inventor焊接結(jié)構(gòu)模式下，把外環(huán)、靜葉和隔板體三部分焊接起來(lái)，在焊接的過(guò)程中，選擇相應(yīng)的焊接材料。ANSYS WORKBENCH平臺(tái)可以識(shí)別Inventor中的焊接設(shè)置。

（2） 隔板三維體的網(wǎng)格劃分： 把在Inventor中建立好的隔板三維模型導(dǎo)入到ANSYS WORKBENCH中，鑒于隔板的外形相對(duì)較為規(guī)則，采用ANSYS WORKBENCH的自動(dòng)劃分法，該方法自動(dòng)設(shè)置四面體或掃掠網(wǎng)格劃分，如果三維模型體是可以掃掠的，則三維體將被掃掠劃分網(wǎng)格，否則將使用Tetrahedron下的Path Congforming網(wǎng)格劃分器劃分網(wǎng)格。同一部件的三維體具有一致的網(wǎng)格單元。隔板的三維體網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 隔板三維體網(wǎng)格劃分

（3）載荷和邊界約束：載荷根據(jù)該機(jī)組的熱力計(jì)算書得到隔板前后的蒸汽壓力差為0.086MPa/m2，在隔板的前端面施該力，方向?yàn)檩S向向后。邊界約束采用固定約束，約束位置為該隔板與汽缸的結(jié)合面。

（4）求解及結(jié)果顯示：在mechanical中有兩種求解器，分別是直接求解器和迭代求解器。直接求解器對(duì)包含薄面和細(xì)長(zhǎng)的模型比較有用。迭代求解器適用于處理大體積的模型時(shí)比較有效。若采用默認(rèn)方式，分析模塊會(huì)依據(jù)所求解的三維實(shí)體自動(dòng)選取求解器。在結(jié)果顯示中，選取整體變形量（total）來(lái)顯示隔板撓度的變化云圖（見(jiàn)圖2）。

圖2 隔板撓度云圖

3.結(jié)語(yǔ)

本文中采用有限元法得到位于隔板中分面內(nèi)徑處大的最大撓度0.326 89mm與傳統(tǒng)的史密斯計(jì)算法得到的最大撓度0.352mm及其位置基本相吻合。由于史密斯法作了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化和等效，與實(shí)際結(jié)果有一定的偏差，在本文的有限元分析中，也是根據(jù)史密斯法作了相應(yīng)的假設(shè)，以便于結(jié)果與史密斯方法計(jì)算的結(jié)果相吻合，從而判定該方法的可行性。若采用全三維技術(shù)模擬隔板強(qiáng)度，由于有限元分析考慮的邊界條件、幾何結(jié)構(gòu)都比傳統(tǒng)計(jì)算更加全面、更加接近真實(shí)、沒(méi)有太多的假象與簡(jiǎn)化，可以認(rèn)為其結(jié)果更加精確，完全可以滿足設(shè)計(jì)和研發(fā)的需要。