1 000 MW(100%)超臨界鍋爐給水泵筒體結(jié)構(gòu)有限元分析

程道俊，李金穎，張江濤

(中國電建集團(tuán)上海能源裝備有限公司，上海 201316)

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1 000 MW(100%)超臨界鍋爐給水泵筒體結(jié)構(gòu)有限元分析

程道俊，李金穎，張江濤

(中國電建集團(tuán)上海能源裝備有限公司，上海 201316)

為了驗(yàn)證鍋爐給水泵筒體結(jié)構(gòu)的性能指標(biāo)是否合格，利用三維建模軟件UG對(duì)鍋爐給水泵筒體進(jìn)行了三維建模，并將模型導(dǎo)入ANSYS軟件中，對(duì)筒體結(jié)構(gòu)進(jìn)行水壓試驗(yàn)和熱-結(jié)構(gòu)耦合分析，以及有預(yù)應(yīng)力的模態(tài)分析。分析結(jié)果表明，筒體部件在不同工況下剛度、強(qiáng)度等均滿足設(shè)計(jì)要求；通過模態(tài)分析，得到對(duì)應(yīng)的頻率與振型，從而為避免共振和噪聲提供了依據(jù)。

鍋爐給水泵；筒體；有限元分析；強(qiáng)度

隨著國內(nèi)工業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)電力的需求量正逐年上漲,這也大力促進(jìn)了國內(nèi)火電的高速發(fā)展。鍋爐給水泵作為火力發(fā)電機(jī)組中的重要輔機(jī)之一，鍋爐給水泵性能的優(yōu)劣對(duì)電廠安全平穩(wěn)運(yùn)行具有重要影響，其筒體部件是鍋爐給水泵轉(zhuǎn)子、芯包等的保護(hù)罩，它既要承受流體高溫高壓的作用，還要具有較大的載壓能力，因此材料的選取和強(qiáng)度的校核尤為重要[1]。如果材料選取不當(dāng)，其剛度、強(qiáng)度等指標(biāo)不滿足使用要求，將會(huì)在整個(gè)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過程中產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。

本文采用有限元法對(duì)鍋爐給水泵筒體結(jié)構(gòu)進(jìn)行水壓試驗(yàn)的校核、強(qiáng)度和剛度的校核及模態(tài)分析，通過計(jì)算分析得到的數(shù)據(jù)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性與安全性，不僅可以縮短設(shè)備的研發(fā)周期，而且可以減少反復(fù)試制的風(fēng)險(xiǎn)，從而有效地降低成本[2]。

1　筒體結(jié)構(gòu)

中國電建集團(tuán)上海能源裝備有限公司研制的1 000MW全容量鍋爐給水泵機(jī)組的總體結(jié)構(gòu)為筒式多級(jí)泵，它由泵外筒體部件、芯包部件(轉(zhuǎn)子+部分定子)、泵座以及輔助管路組成，其二維模型如圖1所示。而筒體主要由進(jìn)水管、出水管和中間段泵體構(gòu)成，其筒體結(jié)構(gòu)三維模型如圖2所示。為了保證給水泵運(yùn)行的可靠性，每臺(tái)泵出廠時(shí)都要進(jìn)行聯(lián)機(jī)試驗(yàn)，而其外筒體需要進(jìn)行相應(yīng)的水壓試驗(yàn)，用于檢測(cè)內(nèi)部焊縫的強(qiáng)度和筒體本身的質(zhì)量。根據(jù)相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，筒體水壓試驗(yàn)工況如下：溫度200 ℃，LP—進(jìn)口端壓力6MPa；HP—出口端壓力65MPa；MP—抽頭壓力34.7MPa。筒體材料為20MnMo，在室溫下的彈性模量為210GPa,泊松比為0.3。

圖1　鍋爐給水泵的二維模型

圖2　筒體水壓試驗(yàn)三維模型

2　筒體部件的剛度、強(qiáng)度校核

本文對(duì)筒體的校核主要利用有限元分析軟件ANSYS，該軟件具有功能強(qiáng)大的解算器，能夠進(jìn)行包括結(jié)構(gòu)、熱等學(xué)科的計(jì)算，是目前國際上最流行的有限元分析軟件之一[3-4]。

針對(duì)給水泵筒體這樣結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且包含許多不規(guī)則的曲面的模型，首先應(yīng)用UG軟件對(duì)筒體進(jìn)行三維建模，然后將其導(dǎo)入ANSYS軟件，基于該軟件對(duì)筒體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分[5]。為了獲得較為準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)構(gòu)，應(yīng)有較高質(zhì)量的網(wǎng)格，為了達(dá)到該目的，就需要對(duì)模型進(jìn)行必要的簡化，例如將筒體上對(duì)整體分析影響不大的部分小孔省略，這樣，不僅可以減少網(wǎng)格數(shù)量，提高網(wǎng)格質(zhì)量，還可以增強(qiáng)計(jì)算的可靠性。

2.1筒體的水壓試驗(yàn)校核

為了保證鍋爐給水泵運(yùn)行的可靠性，其筒體需要進(jìn)行相應(yīng)的水壓試驗(yàn)(見圖3)，用于驗(yàn)證其滲漏、冒汗現(xiàn)象，以及是否因強(qiáng)度出現(xiàn)裂紋等。水壓試驗(yàn)時(shí)，專用工具(進(jìn)、出口悶蓋，試驗(yàn)大端蓋，連接管和內(nèi)密封悶蓋)把筒體分成3個(gè)腔體，通過高壓泵從悶蓋處分別施加壓力。筒體倒立在試驗(yàn)臺(tái)上，即左端約束為全固定，右端通過16個(gè)大螺栓與試驗(yàn)大端蓋相聯(lián)接?；趯?duì)筒體強(qiáng)度最大臨界值的分析，荷載為最大時(shí)的靜壓，校核此時(shí)的應(yīng)力、應(yīng)變是否滿足材料的特性。

圖3　筒體水壓試驗(yàn)示意圖

基于ANSYS軟件，對(duì)筒體水壓試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行網(wǎng)格劃分(見圖4)。網(wǎng)格采用了sweep和自由相結(jié)合，單元數(shù)目為1 739 156，節(jié)點(diǎn)數(shù)為2 555 276，網(wǎng)格大小為15mm，已充分考慮了網(wǎng)格的無關(guān)性。螺栓與螺母、螺栓與悶蓋和試驗(yàn)端蓋之間接觸對(duì)設(shè)置為“NoSeparation”，其余的接觸對(duì)均設(shè)置為“Bonded”。腔體荷載分別按6、34.7和65MPa加載，每個(gè)大螺栓上施加預(yù)緊力1 500N。設(shè)置好各參數(shù)后，對(duì)模型進(jìn)行有限元分析[6]，得到筒體的應(yīng)變、應(yīng)力云圖分別如圖5和圖6所示。

圖4　筒體水壓試驗(yàn)?zāi)Ｐ途W(wǎng)格劃分

圖5　筒體水壓試驗(yàn)應(yīng)力云圖

圖6　筒體水壓試驗(yàn)應(yīng)變?cè)茍D

通過應(yīng)力云圖可知，進(jìn)口端筒體應(yīng)力非常小，但出口端筒體的根部出現(xiàn)應(yīng)力集中，應(yīng)力最大值約為340MPa。

在20MnMo材料屬性取樣試驗(yàn)時(shí)，屈服極限最低為410MPa，水力試驗(yàn)時(shí)筒體的安全系數(shù)>1.2，筒體的最大應(yīng)變約為0.393mm，筒體的應(yīng)力、應(yīng)變均滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2筒體的熱應(yīng)力-結(jié)構(gòu)校核

設(shè)計(jì)工況參數(shù)同上，約束狀態(tài)為筒體的4個(gè)支腳全固定，右端通過16個(gè)大螺栓與大端蓋相聯(lián)接。設(shè)空氣表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為5×10-6W/(m2·K)，熱導(dǎo)率為50W/(m·K)，線膨脹系數(shù)為15.5×10-6/K。先求出熱應(yīng)力分布，并施加到筒體結(jié)構(gòu)分析上；再設(shè)置好筒體力荷載、約束，利用ANSYSWorkbench[7]軟件中的熱-結(jié)構(gòu)耦合模塊，得到筒體的應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D(見圖7和圖8)。

圖7　筒體熱-結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖8　筒體熱-結(jié)構(gòu)應(yīng)變?cè)茍D

通過圖7和圖8可以看出，熱-結(jié)構(gòu)耦合的最大應(yīng)力為268MPa，出口管與筒體相貫處出現(xiàn)應(yīng)力集中，這與水壓試驗(yàn)分析時(shí)一致，但設(shè)計(jì)工況下筒體的安全系數(shù)得到提高(>1.5)，遠(yuǎn)小于材料20MnMo的屈服極限。最大應(yīng)變也發(fā)生在出口端筒體處，最大應(yīng)變約為0.27mm，筒體的強(qiáng)度和剛度均滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。

3　筒體的預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析

模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的一種近代方法，模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，每一個(gè)模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。這些模態(tài)參數(shù)可以通過計(jì)算或試驗(yàn)分析取得，這個(gè)計(jì)算或試驗(yàn)分析過程稱為模態(tài)分析。振動(dòng)模態(tài)是彈性結(jié)構(gòu)固有、整體的特性。通過模態(tài)分析，獲得各階主要模態(tài)的特性，就可以預(yù)知結(jié)構(gòu)在此頻段內(nèi)，在外部或內(nèi)部各種振源作用下的實(shí)際振動(dòng)響應(yīng)。筒體預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析[8]是用于確定設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中的振動(dòng)特性，其線性分析過程和步驟與結(jié)構(gòu)靜力分析是一致的。利用軟件中的子空間法對(duì)筒體進(jìn)行模態(tài)振動(dòng)分析，提取的模態(tài)振型如圖9所示。

a)第1階模態(tài)

b)第2階模態(tài)

d)第4階模態(tài)

e)第5階模態(tài)

f)第6階模態(tài)

從圖9筒體的各階預(yù)應(yīng)力模態(tài)振型圖中可知，第1階模態(tài)的最大位移為0.799mm，頻率為440.91Hz，振型為傳動(dòng)端筒體與進(jìn)口管上下跳動(dòng)，并伴隨著輕微繞Z軸彎動(dòng)；第2階模態(tài)的最大位移為0.83mm，頻率為562Hz，振型為以4個(gè)支腳為固定支點(diǎn)，筒體聯(lián)動(dòng)進(jìn)、出口管整體軸向前后運(yùn)動(dòng)；第3階模態(tài)的最大位移為0.938mm，頻率為622.16Hz，振型為傳動(dòng)端筒體處發(fā)生扭動(dòng)，進(jìn)口管無變化；第4階模態(tài)的最大位移為1.193mm，頻率為695.24Hz，振型為筒體進(jìn)、出口管前后“抖肩”運(yùn)動(dòng)；第5階模態(tài)的最大位移為1.043mm，頻率為887.73Hz，振型為筒體上下振動(dòng)；第6階模態(tài)的最大位移為2.922mm，頻率為942.16Hz，振型為抽頭及增壓級(jí)接管同方向彎動(dòng)。

4　結(jié)語

通過有限元分析法，應(yīng)用UG三維建模軟件和ANSYS軟件對(duì)筒體進(jìn)行了剛度、強(qiáng)度的校核以及模態(tài)分析，通過分析計(jì)算得到如下結(jié)論。

1)通過對(duì)筒體剛度、強(qiáng)度的校核可知，筒體的進(jìn)口端應(yīng)力較小，但出口端根部出現(xiàn)應(yīng)力集中，應(yīng)力最大值約為340MPa。筒體所選用材料為20MnMo，其屈服極限最低為410MPa，安全系數(shù)>1.2，筒體的最大應(yīng)變約為0.393mm，因此該給水泵筒體的應(yīng)力、應(yīng)變均滿足設(shè)計(jì)要求。

2)通過對(duì)筒體的熱應(yīng)力-結(jié)構(gòu)校核可以看出，熱-結(jié)構(gòu)耦合的最大應(yīng)力為268MPa，遠(yuǎn)小于材料20MnMo的屈服極限。最大應(yīng)變發(fā)生在出口端筒體處，且最大應(yīng)變約為0.27mm，因此筒體的強(qiáng)度和剛度均滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。

3)通過對(duì)筒體的模態(tài)分析，可獲得筒體的各階預(yù)應(yīng)力模態(tài)振型，根據(jù)其模態(tài)振型可以了解其振動(dòng)特性，從而為避免共振及產(chǎn)生噪聲提供理論依據(jù)。

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責(zé)任編輯鄭練

TheFiniteElementAnalysisof1 000MW(100%)SupercriticalBoilerFeedwaterPumpTubeStructure

CHENGDaojun,LIJinying,ZHANGJiangtao

(PowerChinaSPEMLimitedCompany,Shanghai201316,China)

Inordertoverifythequalifiedperformanceoftheboilerfeedwaterpumptubestructure, 3DmodelingsoftwareUGisusedforboilerfeedwaterpumptubestructure3Dmodeling.AndthemodelwouldbeimportedintoANSYSsoftware.Thenthehydrostatictestandthermalstructurecouplinganalysis,andthemodalanalysiswithprestressoftubestructurewouldbemade.Analysisresultsshowthatthetubestructureunderthedifferentconditionsofstiffnessandstrengthcouldmeetthedesignrequirement.Fromthemodalanalysis,thecorrespondingfrequencyandvibrationmodecouldbeobtained,whichprovidesthebasisforavoidingtheresonanceandnoise.

boilerfeedwaterpump,tube,finiteelementanalysis,strength

2016-03-04

TK223.1A

程道俊(1960-)，男，高級(jí)工程師，主要從事核電、火電及新能源設(shè)備等方面的研究。