高溫高壓汽輪發(fā)電機組的中壓缸氣密性分析方案

郭佳煒

摘 要：為了對鋼廠中50MW高溫高壓冷凝機組的中壓缸部分進(jìn)行分析，應(yīng)用ANSYS 14.0軟件對機組中缸在水壓試驗和額定工況條件下進(jìn)行數(shù)值計算，考察氣缸密封面的密封狀況和密封螺栓的強度以及氣缸的應(yīng)力應(yīng)變情況，尋求最佳的配置方案，力求避免后期實際使用過程中出現(xiàn)漏汽及熱力變形的問題。

關(guān)鍵詞：冷凝機組；高溫高壓；中壓缸；汽缸結(jié)合面；螺栓；漏汽；熱力變形

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.19.170

1 前言

在已投運市場中，高溫高壓機組中汽缸的漏汽現(xiàn)象很普遍，影響著機組運行的經(jīng)濟型和安全性，后期的修復(fù)和處理都面臨著不小的難度，同時需要花費大量的人力物力。

高溫高壓機組工作中狀態(tài)下，工作參數(shù)高，尤其是汽輪機啟停及負(fù)荷運行中受到較大的熱交變應(yīng)力，氣缸很容易產(chǎn)生變形，會引起氣缸中封面或螺栓處產(chǎn)生漏汽現(xiàn)象，甚至在中封面沖出溝槽，對機組的帶來極大的安全隱患。

本文著力于中壓缸部分的計算在分析，結(jié)合售后市場中反饋的系列問題，進(jìn)行廠內(nèi)的優(yōu)化分析，這對后期機組的設(shè)計有著重要的意義，同時也對設(shè)計人員的方案思考有著一定的啟發(fā)。

2 中壓缸的模型與材料

注：為了方便分析，省略了部分倒角。由于汽缸是左右對稱的，有限元分析中只取一半結(jié)構(gòu)分析。

氣缸單元類型Solid186， 單元數(shù)目316928個，節(jié)點數(shù)目543380。節(jié)點數(shù)目決定模型數(shù)值計算的精確度，理論上節(jié)點數(shù)目越多越好，但是限于計算機硬件水平，同時也是為了減少運算時間，節(jié)點數(shù)量一般按照模型大小控制在一定的合理范圍之內(nèi)，為了保證中分面處的計算精度，該處的網(wǎng)格相對較密。

上下缸中分面處定義了接觸對，接觸類型為Standard，摩擦系數(shù)為0.1。螺母與汽缸锪面也定義了9個接觸對，接觸類型為Bonded，摩擦系數(shù)為0.1。

螺栓的一端直接與汽缸體相連，螺栓的螺帽與汽缸通過接觸單元相連。在9個預(yù)緊螺栓中定義了9個預(yù)緊力單元。螺栓為M48，計算中預(yù)緊力為400MPa。

3 中壓缸在水壓試驗狀態(tài)下的分析

水壓試驗分析不考慮蒸汽溫度的影響，在常溫20℃下分析，計算時氣缸內(nèi)壓為額定工況壓力的1.5倍。

3.1 邊界條件

整個中缸作為一個腔室，壓力為0.39*1.5 MPa，如圖2所示。

螺栓直徑為48mm，螺栓預(yù)緊力按下面方法確定：

假設(shè)螺栓中間截面積為A（mm2），螺栓材料應(yīng)力屈服極限σ0.2 （MPa），螺栓許用預(yù)緊應(yīng)力為[σ] （MPa），安全系數(shù)n，則預(yù)緊力F（N）為：F=[σ] ×A； [σ]= σ0.2/ n。螺栓材料為20Cr1Mo1VTiB，其σ0.2 =600MPa；計算中螺栓預(yù)緊應(yīng)力為400 MPa，螺栓中間截面積為1164.2 mm2 。螺栓預(yù)緊力為 4.6568×105N。

3.2 分析結(jié)果

從上圖可以看出，汽缸絕大部分的應(yīng)力都在30 MPa以下，小于氣缸材料20℃時的屈服極限245MPa，氣缸可滿足強度要求。氣缸軸向最大變形量為0.4mm。螺栓絕大部分應(yīng)力分布在370MPa--390MPa之間，小于螺栓材料20℃時的屈服極限680MPa，螺栓也滿足強度要求。

從中分面的接觸狀況中可以看出，中分面前半段氣密性良好，后半段特別是與排缸結(jié)合的垂直法蘭處由于垂直法蘭的剛性很大，前面的螺栓預(yù)緊力很難傳過去，此外，伸入排缸的那部分也沒有布置螺栓，所以中分面后半段是張開的，無法密封，即使做水壓試驗時用工裝板將最后伸入排缸的那部分包起來，也無法保證垂直法蘭處的中分面不漏水，該處中分面的間隙為0.02mm左右。

3.3 結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的分析結(jié)果

現(xiàn)將原來的中分面法蘭厚度由110mm改為200mm，另水壓試驗時在垂直法蘭中分面處增加一個螺栓，螺栓為M48，此處的水平面法蘭厚度為100mm，計算結(jié)果如下圖所示。

從上圖中可以看出，汽缸絕大部分應(yīng)力都在30 MPa以下，小于氣缸材料20℃時的屈服極限，氣缸滿足強度要求。缸軸向最大變形量為0.4mm左右。

從中分面的接觸狀況中可以看出，中分面前面部分氣密性良好，最后部分張開，但由于水壓試驗工裝板是將伸入排缸的那部分包起來，所以在水壓試驗時水不會外漏。

3.4 結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的成果

氣缸在水壓試充分驗工況下，原結(jié)構(gòu)無法保證中分面密封，會出現(xiàn)漏水。現(xiàn)將原結(jié)構(gòu)的中分面法蘭厚度由110mm改為200mm，并在中缸與排缸結(jié)合的垂直法蘭的中分面處增加一顆M48的螺栓，計算結(jié)果表明，中分面具有良好的氣密性，可杜絕中分面漏水現(xiàn)象。

4 中壓缸在額定工況狀態(tài)下的分析

針對以上改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)（中分面法蘭厚度由原來的110mm改為200mm），進(jìn)行額定工況狀態(tài)下的分析計算。

4.1 邊界條件

氣缸內(nèi)表面的放熱系數(shù)范圍為0.01e-3 - 0.1e-3 W/（mm2*℃），氣缸外表面的放熱系數(shù)取為1.0e-6 W/（mm2*℃），汽缸表面環(huán)境溫度設(shè)置為45℃（考慮到汽缸外壁保溫層的作用）。汽缸導(dǎo)熱系數(shù)及溫度邊界條件見下表：

4.2 額定狀態(tài)下的分析結(jié)果

4.2.1 溫度場分析結(jié)果

氣缸和螺栓的溫度場分布圖，氣缸溫度在66—177℃之間，螺栓溫度在73—157℃之間。

4.2.2 額定工況的分析

在額定工況分析中將溫度場對結(jié)構(gòu)的影響考慮進(jìn)去，得到如下分析結(jié)果。

從下圖氣缸整體應(yīng)力分布中可以看出，汽缸絕大部分應(yīng)力都在60 MPa以下，小于氣缸材料170℃時的屈服極限200MPa。所以氣缸滿足強度要求。

螺栓絕大部分應(yīng)力分布在400MPa左右，小于螺栓材料150℃時的屈服極限640MPa，所以螺栓也滿足強度要求。從氣缸的變形圖中看出，徑向最大變形為2.3mm，這個變形量主要是有熱膨脹引起的。 氣缸中分面氣密性良好，能保證中分面不漏氣。

4.2.3 額定狀態(tài)下的分析結(jié)果

氣缸在額定工況下，螺栓和氣缸的整體應(yīng)力都小于其材料的屈服應(yīng)力，都滿足強度要求，中分面的氣密性效果良好，氣缸的變形主要是由熱膨脹引起的。

5 結(jié)論

（1）水壓試驗時，需在中缸與排缸結(jié)合的垂直法蘭的中分面處增加一顆M48的螺栓，可保證中分面不漏水。

（2）額定工況下，氣缸中分面可保持良好的密封性（不需要在垂直法蘭的中分面處增加螺栓）。

（3）在水壓試驗和額定工況下，氣缸和螺栓的整體應(yīng)力都小于其材料的屈服應(yīng)力，都滿足強度要求。

本文根據(jù)市場反饋的信息，從細(xì)微片結(jié)構(gòu)入手，查缺補漏，結(jié)合計算軟件的分析，對結(jié)構(gòu)重新進(jìn)行了核算，反復(fù)的驗證，對后期機組的設(shè)計有著重要的意義，同時也對所有的設(shè)計人員的方案思考有著一定的啟發(fā)，理論結(jié)合實際，實際反推理論，相互驗證，具有一定的驚醒作用。

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