東方660 MW超超臨界二次再熱汽輪機(jī)超高壓主汽閥閥桿動(dòng)應(yīng)力分析

何勝，趙仕志，張曉東(.華能安源發(fā)電有限責(zé)任公司，江西萍鄉(xiāng)，337000；.東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽(yáng),68000)

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東方660 MW超超臨界二次再熱汽輪機(jī)超高壓主汽閥閥桿動(dòng)應(yīng)力分析

何勝1，趙仕志2，張曉東2
(1.華能安源發(fā)電有限責(zé)任公司，江西萍鄉(xiāng)，337000；2.東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽(yáng),618000)

摘要：汽輪機(jī)主汽閥需要很高的關(guān)閉速度，由此帶來(lái)閥桿沖擊動(dòng)力學(xué)的強(qiáng)度問(wèn)題。以前設(shè)計(jì)主要按照沖擊動(dòng)力學(xué)的理論，通過(guò)能量法求解系統(tǒng)動(dòng)應(yīng)力。文章介紹了閥桿動(dòng)應(yīng)力的理論計(jì)算方法，并分析了理論計(jì)算方法的合理性。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限元方法求解閥桿動(dòng)應(yīng)力成為可能。文章詳細(xì)介紹了閥桿動(dòng)應(yīng)力有限元計(jì)算參數(shù)的選取方法，并通過(guò)ABAQUS商用有限元軟件計(jì)算了東方660 MW超超臨界二次再熱汽輪機(jī)超高壓主汽閥閥桿動(dòng)應(yīng)力。對(duì)理論計(jì)算結(jié)果和有限元計(jì)算結(jié)果做了比較，分析了有限元計(jì)算結(jié)果的合理性。計(jì)算顯示東方660 MW超超臨界二次再熱汽輪機(jī)超高壓主汽閥閥桿峰值應(yīng)力小于材料疲勞極限，閥桿具有永久壽命。

關(guān)鍵詞：二次再熱，主汽閥，閥桿，沖擊動(dòng)力學(xué)，有限元

0 引言

汽輪機(jī)主汽閥是主蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)前的第一道閥門(mén)，是保證機(jī)組安全啟、停和運(yùn)行的關(guān)鍵部件。其主要作用是在危急情況下快速自動(dòng)關(guān)閉，切斷進(jìn)入汽輪機(jī)的主蒸汽通路，使機(jī)組停止運(yùn)行以防止產(chǎn)生過(guò)大的超速或避免某些不良的后果。因此，從系統(tǒng)要求的角度看希望閥門(mén)關(guān)閉速度越快越好。但是越快的關(guān)閉速度意味著越大的動(dòng)應(yīng)力。嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致閥桿斷裂，機(jī)組的遮斷控制無(wú)法實(shí)施。因此分析閥桿的動(dòng)強(qiáng)度，保證閥桿安全性是非常必要的。

近年來(lái)，隨著汽輪機(jī)技術(shù)的發(fā)展，汽輪機(jī)的容量、溫度和壓力都顯著提高。閥門(mén)失效或不能正常動(dòng)作的事故有增加的趨勢(shì)。因此對(duì)于閥門(mén)精細(xì)化設(shè)計(jì)的需求也更加強(qiáng)烈。

本次分析采用ABAQUS軟件對(duì)東方華能安源首臺(tái)660 MW超超臨界二次再熱汽輪機(jī)的超高壓主汽閥閥桿進(jìn)行快關(guān)工況的動(dòng)應(yīng)力分析，以提高機(jī)組運(yùn)行的安全可靠性。

1 660 MW超超臨界二次再熱汽輪機(jī)超高壓主汽閥簡(jiǎn)介

華能安源項(xiàng)目采用東方660 MW超超臨界二次再熱機(jī)組。機(jī)組總體上分為超高壓缸、高中壓缸和低壓缸3個(gè)模塊。其超高壓主汽閥為2套，結(jié)構(gòu)相同，因此只需要分析一個(gè)閥門(mén)即可。閥門(mén)主蒸汽參數(shù)為：600℃，31 MPa。閥門(mén)結(jié)構(gòu)原理示意圖如圖1所示。閥桿一側(cè)與閥碟相連，另一側(cè)通過(guò)連桿與油動(dòng)機(jī)相連。油動(dòng)機(jī)油缸注油后由于油壓，推動(dòng)活塞向閥桿側(cè)運(yùn)動(dòng)從而通過(guò)連桿、閥桿帶動(dòng)閥碟向開(kāi)閥方向運(yùn)動(dòng)，閥門(mén)打開(kāi)。此過(guò)程中油動(dòng)機(jī)不僅要克服閥碟兩側(cè)可能的蒸汽壓差導(dǎo)致的蒸汽力，還必須克服快關(guān)彈簧的彈簧力，使彈簧蓄能。當(dāng)需要閥門(mén)快速關(guān)閉時(shí)油缸進(jìn)油口關(guān)閉，回油口打開(kāi)排油，油壓迅速下降。在彈簧力作用下帶動(dòng)油動(dòng)機(jī)活塞、連桿、閥桿和閥碟一起向關(guān)閥側(cè)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)閥門(mén)關(guān)閉。

圖1　超高壓主汽閥原理示意圖

通過(guò)調(diào)整彈簧的彈力和控制油動(dòng)機(jī)回油速度就可以保證閥門(mén)按照預(yù)設(shè)動(dòng)作曲線(xiàn)快速關(guān)閉。通常要求主汽閥關(guān)閉時(shí)間不大于0.25 s，并且對(duì)閥門(mén)關(guān)閉曲線(xiàn)有嚴(yán)格要求。圖2為安源項(xiàng)目超高壓主汽閥的關(guān)閉曲線(xiàn)。其快關(guān)曲線(xiàn)可分為2段。其中A-B段為線(xiàn)性關(guān)閉段，約占閥門(mén)總行程的85%。在此段內(nèi)油動(dòng)機(jī)突然動(dòng)作，并以恒定速度關(guān)閉。B-C段為緩沖段，約占閥門(mén)總行程的15%。此段內(nèi)閥桿關(guān)閉速度逐漸減小，到全行程終點(diǎn)時(shí)關(guān)閉速度幾乎為0。油動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)完成后必須標(biāo)定其關(guān)閉曲線(xiàn)與圖示過(guò)程一致方可投入使用。

圖2　超高壓主汽閥閥門(mén)關(guān)閉曲線(xiàn)

2 閥桿動(dòng)應(yīng)力的理論計(jì)算方法

如前所述，閥門(mén)的關(guān)閉過(guò)程是一個(gè)沖擊動(dòng)力學(xué)過(guò)程。在沖擊過(guò)程中構(gòu)件的速度在極短的時(shí)間內(nèi)急劇變化。其加速度和接觸時(shí)間非常難確定，不能通過(guò)動(dòng)靜法來(lái)分析。分析該類(lèi)問(wèn)題的主要方法是能量法[1]。丁有宇在其著作《汽輪機(jī)強(qiáng)度計(jì)算手冊(cè)中》[2]，以及《火力發(fā)電設(shè)備技術(shù)手冊(cè)》[3]中均較詳細(xì)介紹了如何用能量法來(lái)計(jì)算閥桿動(dòng)應(yīng)力且兩者使用的方法相同。對(duì)于快關(guān)工況，其選擇閥門(mén)處于全開(kāi)位置時(shí)油動(dòng)機(jī)突然動(dòng)作帶動(dòng)閥桿并沖擊閥碟時(shí)為計(jì)算危險(xiǎn)點(diǎn)，即圖2中A點(diǎn)。由于閥桿、閥碟在油動(dòng)機(jī)沖擊下由靜止增速到關(guān)閉動(dòng)作速度導(dǎo)致其動(dòng)能增加，其反作用力使閥桿產(chǎn)生動(dòng)應(yīng)力。本文主要研究閥桿的動(dòng)強(qiáng)度，因此忽略閥碟的變形能后計(jì)算截面的初始應(yīng)力可表示為[3]：

式中：T為閥門(mén)關(guān)閉力；F為計(jì)算截面面積；v為閥門(mén)關(guān)閉速度；m為被沖擊物的質(zhì)量。如圖3所示，通常閥門(mén)有2個(gè)危險(xiǎn)截面，分別為A、B。對(duì)于快關(guān)工況，A截面的計(jì)算質(zhì)量m為閥桿及閥碟部分的總質(zhì)量。對(duì)于B截面則僅為閥碟部分質(zhì)量。E為閥桿工作工況下彈性模量；F0為閥桿平均截面積；L為閥桿受拉段長(zhǎng)度。

圖3　閥桿結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

對(duì)于沖擊動(dòng)力學(xué)問(wèn)題還必須考慮應(yīng)力波的傳導(dǎo)和疊加效果。實(shí)際最大動(dòng)應(yīng)力可表示為[3]：

式中：m與式（1）中意義相同；m′為油動(dòng)機(jī)動(dòng)部件、閥桿和閥碟總質(zhì)量減去m。式（2）計(jì)算的只是截面的平均應(yīng)力，實(shí)際峰值應(yīng)力還應(yīng)考慮截面形狀變化導(dǎo)致的應(yīng)力集中效應(yīng)。應(yīng)力集中系數(shù)可查相關(guān)的手冊(cè)得到[2-4]。

按照式（1）、（2）可以計(jì)算安源超高壓主汽閥的最大動(dòng)應(yīng)力。

表1　閥桿理論計(jì)算應(yīng)力　MPa

閥桿材料在工作溫度下的疲勞極限約180 MPa。顯然，閥桿理論計(jì)算動(dòng)應(yīng)力低于材料疲勞極限（見(jiàn)表1）。閥桿具有永久壽命。

3 閥桿動(dòng)應(yīng)力計(jì)算的有限元法

能量法雖然能夠求解閥桿的動(dòng)強(qiáng)度問(wèn)題，但是根據(jù)能量法的基本假設(shè)，其無(wú)法考慮沖擊物體自身的剛度、被沖擊物體的慣性力，假設(shè)沖擊物體和被沖擊物體接觸后粘連在一起不能再分開(kāi)，因此也無(wú)法考慮沖擊物的反彈所帶走的能量。所以其計(jì)算結(jié)果是非常保守的。因此能量法所計(jì)算的應(yīng)力是實(shí)際沖擊過(guò)程可能的最大動(dòng)應(yīng)力。隨著機(jī)組容量和參數(shù)的提高，需要更精確地計(jì)算沖擊過(guò)程的動(dòng)應(yīng)力。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和有限元分析方法的發(fā)展，采用有限元方法計(jì)算閥桿的沖擊動(dòng)應(yīng)力已經(jīng)不是難事。有限元方法可以真實(shí)地考慮各部件的實(shí)際剛度、結(jié)構(gòu)沖擊后的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡，甚至可以考慮沖擊過(guò)程中的熱學(xué)和聲學(xué)損失，因此比能量法的計(jì)算結(jié)果更接近真實(shí)工況。近年來(lái)很多學(xué)者都進(jìn)行了這方面的研究[5-11]。在進(jìn)行有限元分析時(shí)，很多學(xué)者認(rèn)為閥桿關(guān)閉的危險(xiǎn)工作點(diǎn)為圖2中C點(diǎn)。即認(rèn)為關(guān)閉過(guò)程中閥桿、閥碟沖擊閥座時(shí)為全行程最危險(xiǎn)點(diǎn)。這與前述理論計(jì)算校核工況點(diǎn)是不同的。參照?qǐng)D2所示的關(guān)閉曲線(xiàn)，由于B-C段的緩沖作用，事實(shí)上閥桿、閥碟接觸閥座的速度是很低的。因此如果按照正常的動(dòng)作曲線(xiàn)，閥桿動(dòng)應(yīng)力的危險(xiǎn)工況點(diǎn)應(yīng)是A點(diǎn)。這與理論計(jì)算時(shí)選擇的工況點(diǎn)一致。本文以A點(diǎn)為校核工況點(diǎn)。

本文的閥桿計(jì)算采用ABAQUS商用軟件完成，分析類(lèi)型為Explicit顯式動(dòng)力學(xué)分析。該方法最初即為解決高速?zèng)_擊和復(fù)雜接觸問(wèn)題而專(zhuān)門(mén)建立。該方法應(yīng)用中心差分法對(duì)運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行顯示的時(shí)間積分。所謂“顯式”是指增量步結(jié)束時(shí)的狀態(tài)僅依賴(lài)于該增量步開(kāi)始時(shí)的位移、速度和加速度。在增量步內(nèi)這些參數(shù)均保持為常數(shù)。因此這種方法計(jì)算結(jié)果的精度嚴(yán)重依賴(lài)于增量步的時(shí)長(zhǎng)，增量步必須很小[12]。使用ABAQUS Explicit分析步進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，用戶(hù)可以不干預(yù)增量步長(zhǎng)，軟件自動(dòng)根據(jù)有限元模型中最小單元尺寸和應(yīng)力波通過(guò)該單元的時(shí)間決定計(jì)算增量步長(zhǎng)。因此在有限元模型中避免不必要的小尺寸單元非常必要。通過(guò)這種方式確定的增量步長(zhǎng)能夠捕捉到最細(xì)微的動(dòng)態(tài)信息，但是如果將計(jì)算結(jié)果全部輸出，結(jié)果文件會(huì)異常龐大。另一方面，由于頻繁讀寫(xiě)硬盤(pán)會(huì)嚴(yán)重影響軟件運(yùn)行效率。因此實(shí)際上需要用戶(hù)干預(yù)的是計(jì)算結(jié)果的輸出頻率和總計(jì)算時(shí)長(zhǎng)。

根據(jù)應(yīng)力波理論，固體中的應(yīng)力波速僅與材料彈性參數(shù)和密度相關(guān)，與沖擊速度和動(dòng)應(yīng)力大小無(wú)關(guān)。具體可表示為[13-14]：

因此，如果閥桿長(zhǎng)度為L(zhǎng)，希望將應(yīng)力波傳過(guò)閥桿的過(guò)程分解為n步來(lái)研究，那么允許的最大輸出增量步長(zhǎng)為：

總計(jì)算時(shí)長(zhǎng)的確定需要考慮2個(gè)因素。首先要考慮應(yīng)力波的疊加效應(yīng)就需要持續(xù)觀察應(yīng)力波的傳導(dǎo)、反射和疊加過(guò)程。如果希望觀察應(yīng)力波的疊加和反射次數(shù)為N1，那么從沖擊開(kāi)始，需要計(jì)算的總時(shí)長(zhǎng)為：

其次，沖擊發(fā)生后閥桿會(huì)發(fā)生周期性振動(dòng)。若閥桿質(zhì)量為m0，按照一維軸向振動(dòng)理論，其最主要的一節(jié)模態(tài)振動(dòng)周期約為：

式中：K為桿的軸向剛度。

結(jié)合式（5）和式（6），要保證觀察到足夠的應(yīng)力波傳導(dǎo)次數(shù)且保證計(jì)算時(shí)長(zhǎng)大于桿的一個(gè)振動(dòng)周期以確定保證計(jì)算到應(yīng)力幅值的最小計(jì)算時(shí)長(zhǎng)為：

式（4）確定的最大輸出增量步長(zhǎng)和式（7）確定的最小總計(jì)算時(shí)長(zhǎng)即為有限元計(jì)算模型最重要的設(shè)置參數(shù)。按此計(jì)算，若觀察10個(gè)應(yīng)力波的傳導(dǎo)周期，東方660 MW超超臨界二次再熱汽輪機(jī)超高壓主汽閥閥桿動(dòng)應(yīng)力分析的總計(jì)算時(shí)長(zhǎng)應(yīng)＞2.7 ms，最大增量步應(yīng)≤1.35e-5 s。

主汽閥閥桿、閥碟具有軸對(duì)稱(chēng)特點(diǎn)。因此采用軸對(duì)稱(chēng)模型。如圖4所示，為減小計(jì)算規(guī)模將油動(dòng)機(jī)活塞以及連桿的大部分結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為集中質(zhì)量，僅保留與閥桿連接的少部分以方便加載。連桿、閥桿間，閥桿、閥碟間均采用接觸算法。

圖4　有限元計(jì)算模型

集中質(zhì)量點(diǎn)同時(shí)作為彈簧力的加載點(diǎn)。它與油動(dòng)機(jī)連桿端面間采用剛性耦合。計(jì)算給定初始速度為0，即閥桿處于穩(wěn)定的全開(kāi)位置。計(jì)算初始時(shí)刻在集中質(zhì)量點(diǎn)加載按圖2關(guān)閉曲線(xiàn)計(jì)算的線(xiàn)性關(guān)閉段關(guān)閉速度。由于集中質(zhì)量點(diǎn)與連桿端面間剛性連接，連桿端部同步具有關(guān)閉速度并將速度場(chǎng)傳遞給閥桿，閥桿運(yùn)動(dòng)后與閥碟沖擊。

4 有限元計(jì)算閥桿動(dòng)應(yīng)力

按前述模型和計(jì)算參數(shù)很容易完成超高壓主汽閥閥桿的沖擊動(dòng)應(yīng)力計(jì)算。圖5為閥桿危險(xiǎn)截面的平均應(yīng)力-時(shí)間曲線(xiàn)。圖6為閥桿危險(xiǎn)截面的峰值應(yīng)力-時(shí)間曲線(xiàn)。危險(xiǎn)截面的命名與理論計(jì)算部分相同。從圖中均可以看出計(jì)算已經(jīng)涵蓋了沖擊過(guò)程中的最大峰值應(yīng)力。

表2中列出了有限元計(jì)算的A、B截面的平均應(yīng)力和峰值應(yīng)力。

圖5　危險(xiǎn)截面的平均應(yīng)力-時(shí)間曲線(xiàn)

圖6　危險(xiǎn)截面的峰值應(yīng)力-時(shí)間曲線(xiàn)

表2　閥桿有限元計(jì)算應(yīng)力　MPa

比較表1和表2可見(jiàn)，無(wú)論平均應(yīng)力還是峰值應(yīng)力有限元計(jì)算值均顯著低于理論計(jì)算值。這是合理的，因?yàn)槔碚撚?jì)算值是非常保守的，而有限元計(jì)算方法更接近實(shí)際工況。

從表2中還可以看出，A截面的應(yīng)力集中系數(shù)顯著大于表1中的查表值。這是因?yàn)椴楸頂?shù)據(jù)只是考慮桿件軸向加載后的應(yīng)力集中，而有限元計(jì)算考慮了部件間的接觸。由于部件間接觸導(dǎo)致接觸區(qū)邊緣應(yīng)力畸變。

對(duì)東方其他成熟且長(zhǎng)期安全運(yùn)行閥桿動(dòng)應(yīng)力的校核結(jié)果也表現(xiàn)出與本項(xiàng)目閥桿相似的規(guī)律。

5 結(jié)論

（1）理論計(jì)算和有限元計(jì)算均表明東方660 MW超超臨界二次再熱汽輪機(jī)超高壓主汽閥閥桿計(jì)算動(dòng)應(yīng)力小于材料疲勞極限，閥桿具有永久壽命。

（2）有限元計(jì)算平均應(yīng)力和峰值應(yīng)力均低于理論計(jì)算應(yīng)力。尤其是A截面有限元計(jì)算應(yīng)力遠(yuǎn)低于理論計(jì)算值。這是因?yàn)锳截面同時(shí)受閥桿和閥碟的慣性力和剛度影響，而B(niǎo)截面基本只受閥碟的慣性力和剛度影響，相對(duì)來(lái)說(shuō)B截面比A截面更接近理論計(jì)算模型。

（3）理論計(jì)算的閥桿動(dòng)應(yīng)力顯著偏高于實(shí)際值，有限元計(jì)算值更接近實(shí)際工況。

參考文獻(xiàn)

[1]胡益平.材料力學(xué)[M].成都:四川大學(xué)出版社,2010.

[2]丁有宇.汽輪機(jī)強(qiáng)度計(jì)算手冊(cè)[M].北京:中國(guó)電力出版社,2010.

[3]中國(guó)動(dòng)力工程學(xué)會(huì).火力發(fā)電設(shè)備技術(shù)手冊(cè):第二卷:汽輪機(jī)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

[4]航空工業(yè)部科學(xué)技術(shù)委員會(huì).應(yīng)力集中系數(shù)手冊(cè)[M].北京:高等教育出版社,1990.

[5]萬(wàn)勝軍.AP1000主蒸汽安全閥工作特性研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué),2013.

[6]曲光磊.速關(guān)閥沖擊強(qiáng)度有限元分析[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2008.

[7]曲光磊.汽輪機(jī)主汽門(mén)優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].上海:上海交通大學(xué),2007.

[8]蔣溥寧.汽輪機(jī)主汽閥關(guān)閉動(dòng)強(qiáng)度分析和研究[J].熱力透平,2008,37 (4):244-248.

[9]黃慶華.汽輪機(jī)主汽門(mén)優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].上海:上海交通大學(xué),2007.

[10]黃津津.600 MW超超臨界汽輪機(jī)主蒸汽閥門(mén)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與流場(chǎng)分析[D].上海:上海交通大學(xué),2007.

[11]韓方亮,孫軼,胡少文.基于瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)的主汽閥關(guān)閉強(qiáng)度研究[J].熱力透平,2014,43 (4):253-261.

[12]莊茁,張帆,岑松,等.ABAQUS非線(xiàn)性有限元分析與實(shí)例[M].北京:科學(xué)出版社,2005.

[13]鐵摩辛柯S.P.,古地爾J.N.彈性理論:第三版[M].徐芝綸,譯.北京:高等教育出版社,2013.

[14]陸明萬(wàn),羅學(xué)富.彈性理論基礎(chǔ)[M].北京:清華大學(xué)出版社斯普林格出版社,2001.

Dynamic Stress Analysis for Main Steam Valve Rod of Dongfang Ultra-supercritical Double-reheat 660 MW Steam Turbine

He Sheng1，Zhao Shizhi2，Zhang Xiaodong2
(1.Huaneng Anyuan Generation Co.,Ltd.,Pingxiang Jiangxi,337000；2.Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000)

Abstract:The main steam valve has to shut quickly,which usually leads to large impact dynamic stress.In the past,it always uses en?ergy method to slove system dynamic stress.This paper introduces the energy method and analyzes rationality of energy method.With the development of computer,using FEM method to slove the dynamic stress of the valve rod is possible now.This paper presents the method to determine the calculation parameter of FEM method and uses ABAQUS to calcualate the dynamic stress for main steam valve rod of Dongfang ultra-supercritical double-reheat 660 MW steam turbine.It also compares the energy and the FEM method re?sult,and analyzes the rationality of the FEM result.The result shows that the dynamic stress of the valve rod is less than the fatigue lim?it of the material,the rod has unlimited life.

Key words:double-reheat,main steam valve,valve rod,impact dynamic,finite element

作者簡(jiǎn)介：何勝（1971-），男，工程師，1997年畢業(yè)于武漢水利電力大學(xué)，現(xiàn)主要從事汽輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行、管理研究工作。

DOI:10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2016.01.004

中圖分類(lèi)號(hào)：TK262

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-9987（2016）01-0020-05