CN113553745A - 一种基于有限元汽轮机横置静叶和缸体强度联合计算方法 - Google Patents

一种基于有限元汽轮机横置静叶和缸体强度联合计算方法 Download PDF

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Abstract

一种基于有限元汽轮机横置静叶和缸体强度联合计算方法，属于汽轮机设计领域。本发明是为了解决现有设计中仅考虑蒸汽应力而未考虑汽缸由于温度引起的热变形和热应力所导致的安全性问题。本发明的计算方法能够对横置静叶在汽缸热变形影响下的等效应力进行准确求解，为汽轮机横置静叶设计提供基础；本发明对横置静叶耦合缸体结构进行有限元求解，得到各节点的温度‑应力‑应变分布，利用CEEQ判据考核结构是否失效，这种计算方法得到的应力‑应变值可以对汽轮机横置静叶在稳态运行时的安全性进行评估，为汽轮机横置静叶热固耦合条件下的应力‑应变场的计算提供了可靠的计算方法。本发明主要用于计算横置静叶和汽缸的等效应力、最大应力和等效蠕变应变。

Description

一种基于有限元汽轮机横置静叶和缸体强度联合计算方法
技术领域
本发明属于汽轮机设计领域，尤其涉及一种基于有限元汽轮机横置静叶和缸体强度联 合计算方法。
背景技术
随着国内外对高参数、大容量、高效率汽轮机的需求日趋上升，采用红套环-进汽蜗 壳-横置静叶结构汽缸已成为各大发电厂的主流趋势。该种结构具有薄壁、小法兰切向进 汽等特点，运行过程中可以有效避免缸体扭曲，从而保证机组高效、平稳和灵活的运行。
随着蒸汽参数的提升，蒸汽密度的增加，会给横置静叶及缸体强度和安全性评估带来 诸多难题。在运行过程中也导致了一些事故问题发生。目前存在的考核体系中，对于横置 静叶的安全性核算存在以下尚需解决的问题，一是在横置静叶强度核算过程中，仅仅考虑 了蒸汽压力，而未考虑汽缸热应力带来的影响。因为由温变导致的汽缸变形后的热应力， 要比蒸汽压力引起的弯应力大得多，所以在计算横置静叶强度时，如果载荷条件考虑的不 充分，将会存在安全性风险；二是在计算汽缸安全性时，未考虑横置静叶热变形对汽缸安 全性的影响。因此，在计算横置静叶的强度与进汽蜗壳结构的內缸安全性时，需要综合考 虑汽缸与横置静叶二者之间的相互影响。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是：为解决现有设计中仅考虑蒸汽应力而未考虑汽缸由于 温度引起的热变形和热应力所导致的安全性问题；进而提供一种基于有限元的汽轮机横置 静叶和汽缸在热固耦合作用下的强度联合计算方法。
本发明为解决上述技术问题采用的技术方案是：
所述的一种基于有限元汽轮机横置静叶和缸体强度联合计算方法，具体计算步骤如 下：
步骤一：分别对横置静叶、汽缸、红套环和螺栓建立有限元模型，并对有限元模型进 行网格划分；所述的汽缸包括上半缸体和下半缸体；
步骤二：定义横置静叶、汽缸、红套环和螺栓的材料特性；
步骤三：对上半缸体与下半缸体、缸体与红套环、横置静叶与缸体、横置静叶与横置 静叶、螺栓与螺孔之间分别进行耦合处理；
步骤四：对汽缸和横置静叶采用循环对称设置，并设定温度边界，给出换热系数，计 算横置静叶和缸体的稳态温度场分布；
步骤五：利用“characteristic strain”蠕变模型模拟横置静叶、汽缸、红套环和螺栓的 高温蠕变特性，所述的“characteristic strain”蠕变模型的具体公式如下：
Figure RE-GDA0003243931650000021
其中，εcs为蠕变应变；εD为在基准时间t1下，由基准断裂应力值σR1和结构应力σD1得到的基准蠕变应变；σRt为时间t下的蠕变断裂强度；σDt是在时间t下产生基准应变εD时对 应的应力；σs为结构应力；
步骤六：设定螺栓预紧力和红套环过盈量，加载温度场，引入蒸汽压力及汽缸位移为 边界条件，计算热固耦合状态下的横置静叶和缸体的应力分布；
步骤七：应用CEEQ方法考核横置静叶和缸体结构是否合格。
进一步的，步骤三中，所述的耦合处理为对上半缸体与下半缸体、缸体与红套环、横 置静叶与缸体、横置静叶与横置静叶、螺栓与螺孔之间的接触面分别进行接触设置。
进一步的，步骤七中，判定横置静叶和缸体结构是否合格的方法为：按照设定的时间 阈值进行蠕变后，如果CEEQ小于等效蠕变应变阈值，那么横置静叶和缸体结构合格； 如果CEEQ超过等效蠕变应变阈值，则对步骤一中的有限元模型进行结构优化，并重新 执行步骤一至步骤六，直至考核合格。
进一步的，步骤六中，所述的横置静叶的应力分布包括等效应力和最大应力。
进一步的，步骤七中，对横置静叶的CEEQ进行考核时，包括半圈横置静叶的CEEQ，和单支横置静叶的CEEQ。
进一步的，所述的时间阈值为100000小时。
进一步的，所述的等效蠕变应变阈值为2.5％。
进一步的，步骤七中，对有限元模型进行结构优化的方式是：在有限元软件中，分别 对横置静叶、汽缸、红套环和螺栓的几何模型进行局部补强。
本发明与现有技术相比产生的有益效果是：
本发明提出的一种基于有限元的汽轮机横置静叶和缸体在热固耦合作用下的强度联合 计算方法，能够对横置静叶在汽缸热变形影响下的等效应力进行准确求解，为今后的汽轮 机横置静叶设计提供数据基础，从而为设计工程师提供参考。由于横置静叶内部热力耦合 应变场与汽缸热变形及温度、叶片蒸汽压力分布紧密相关，因此本发明对整圈横置静叶耦 合缸体结构进行有限元求解，得到各节点的温度-应力-应变分布，利用CEEQ(等效蠕变应 变)判据考核结构是否失效。这种计算方法得到的应力-应变值可以对汽轮机横置静叶在稳 态运行时的安全性进行评估，从而为汽轮机横置静叶的设计提供了一种有效的研究方法， 也为汽轮机横置静叶热固耦合条件下的应力-应变场的计算提供了一种可靠的计算方法。
附图说明
图1是本发明一种基于有限元的汽轮机横置静叶和缸体在热固耦合作用下的强度联合 计算的流程图；
图2是本发明中横置静叶和缸体的整体温度场分布云图；
图3是本发明中横置静叶和缸体在热固耦合条件下的等效应力分布云图；
图4是本发明中横置静叶的等效应力；
图5是本发明中横置静叶的最大应力；
图6是本发明中横置静叶等效蠕变应变分布云图；
图7是本发明中单支横置静叶等效蠕变应变分布云图。
具体实施方式
下面结合附图图1至图7，通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案：
所述的一种基于有限元的汽轮机横置静叶和缸体在热固耦合作用下的强度联合计算方 法，具体计算步骤如下：
步骤一：分别对横置静叶、汽缸、红套环和螺栓建立有限元模型，并对有限元模型进 行网格划分；所述的汽缸包括上半缸体和下半缸体；
步骤二：定义横置静叶、汽缸、红套环和螺栓的材料特性；
步骤三：对上半缸体与下半缸体、缸体与红套环、横置静叶与缸体、横置静叶与横置 静叶、螺栓与螺孔之间的接触面分别进行接触设置；
步骤四：对汽缸和横置静叶采用循环对称设置，并设定温度边界，给出换热系数，计 算横置静叶和缸体的稳态温度场分布(如图2所示)；
步骤五：利用“characteristic strain”蠕变模型模拟横置静叶、汽缸、红套环和螺栓的 高温蠕变特性，所述的“characteristic strain”蠕变模型的具体公式如下：
Figure RE-GDA0003243931650000031
其中，εcs为蠕变应变；εD为在基准时间t1下，由基准断裂应力值σR1和结构应力σD1得到的基准蠕变应变；σRt为时间t下的蠕变断裂强度；σDt是在时间t下产生基准应变εD时对 应的应力；σs为结构应力；
步骤六：设定螺栓预紧力和红套环过盈量，加载温度场，引入蒸汽压力及汽缸位移为 边界条件，计算热固耦合状态下的横置静叶和缸体的应力分布(如图3所示)；所述的横置静叶的应力分布包括等效应力和最大应力(如图4和图5所示)；
步骤七：应用CEEQ(等效蠕变应变)方法考核横置静叶和缸体结构是否合格；判定横 置静叶和缸体结构是否合格的方法为：100000小时蠕变后，如果CEEQ(等效蠕变应变)小于2.5％，那么横置静叶和缸体结构合格；若CEEQ(等效蠕变应变)超过2.5％，则在有限 元软件中，分别对横置静叶、汽缸、红套环和螺栓的几何模型进行局部补强，并重新执行 步骤一至步骤六，直至考核合格；
对横置静叶的CEEQ进行考核时，包括半圈横置静叶的CEEQ(如图6所示)和单支 横置静叶的CEEQ(如图7所示)。

Claims (8)

1.一种基于有限元汽轮机横置静叶和缸体强度联合计算方法，其特征在于：具体计算步骤如下：
步骤一：分别对横置静叶、汽缸、红套环和螺栓建立有限元模型，并对有限元模型进行网格划分；所述的汽缸包括上半缸体和下半缸体；
步骤二：分别定义横置静叶、汽缸、红套环和螺栓的材料特性；
步骤三：对上半缸体与下半缸体、缸体与红套环、横置静叶与缸体、横置静叶与横置静叶、螺栓与螺孔之间分别进行耦合处理；
步骤四：对汽缸和横置静叶采用循环对称设置，并设定温度边界，给出换热系数，计算横置静叶和缸体的稳态温度场分布；
步骤五：利用“characteristic strain”蠕变模型模拟横置静叶、汽缸、红套环和螺栓的高温蠕变特性，所述的“characteristic strain”蠕变模型的具体公式如下：
Figure RE-FDA0003243931640000011
其中，εcs为蠕变应变；εD为在基准时间t1下，由基准断裂应力值σR1和结构应力σD1得到的基准蠕变应变；σRt为时间t下的蠕变断裂强度；σDt是在时间t下产生基准应变εD时对应的应力；σs为结构应力；
步骤六：设定螺栓预紧力和红套环过盈量，加载温度场，引入蒸汽压力及汽缸位移为边界条件，计算热固耦合状态下的横置静叶和缸体的应力分布；
步骤七：应用CEEQ方法考核横置静叶和缸体结构是否合格。
2.根据权利要求1所述的一种基于有限元汽轮机横置静叶和缸体强度联合计算方法，其特征在于：步骤三中，所述的耦合处理为对上半缸体与下半缸体、缸体与红套环、横置静叶与缸体、横置静叶与横置静叶、螺栓与螺孔之间的接触面分别进行接触设置。
3.根据权利要求2所述的一种基于有限元汽轮机横置静叶和缸体强度联合计算方法，其特征在于：步骤七中，判定横置静叶和缸体结构是否合格的方法为：按照设定的时间阈值进行蠕变后，如果CEEQ小于等效蠕变应变阈值，那么横置静叶和缸体结构合格；如果CEEQ超过等效蠕变应变阈值，则对步骤一中的有限元模型进行结构优化，并重新执行步骤一至步骤六，直至考核合格。
4.根据权利要求3所述的一种基于有限元汽轮机横置静叶和缸体强度联合计算方法，其特征在于：步骤六中，所述的横置静叶的应力分布包括等效应力和最大应力。
5.根据权利要求4所述的一种基于有限元汽轮机横置静叶和缸体强度联合计算方法，其特征在于：步骤七中，对横置静叶的CEEQ进行考核时，包括半圈横置静叶的CEEQ和单支横置静叶的CEEQ。
6.根据权利要求5所述的一种基于有限元汽轮机横置静叶和缸体强度联合计算方法，其特征在于：所述的时间阈值为100000小时。
7.根据权利要求6所述的一种基于有限元汽轮机横置静叶和缸体强度联合计算方法，其特征在于：所述的等效蠕变应变阈值为2.5％。
8.根据权利要求7所述的一种基于有限元汽轮机横置静叶和缸体强度联合计算方法，其特征在于：步骤七中，对有限元模型进行结构优化的方式是：在有限元软件中，分别对横置静叶、汽缸、红套环和螺栓的几何模型进行局部补强。
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