高参数工业汽轮机两半内缸相关问题分析

摘  要：

针对高参数工业汽轮机两半内缸的温度场、应力场、中分面气密性及外接管道附加力等对内缸的影响问题，基于传热学和弹性力学理论，运用有限元软件对两半内缸进行分析。建立了两半内缸的有限元模型，并详细计算出外缸-内缸的变形，内缸中分面螺栓的温度场和应力场，同时研究了内缸中分面的接触情况。结果表明，外界的附加力及力矩不影响内缸的正常运行，内缸的温度梯度均匀，内缸和螺栓的应力均小于对应的屈服极限，满足强度安全要求。

0引言

内缸大部分都是以水平中分面为基准分成上下两半，并由外缸水平中分面支承，顶部和底部由定位销导向确保与汽轮机轴线保持正确位置。设计时，为了满足蒸汽流动要求，内缸通常设计成多个腔室，其结构比较复杂。汽轮机运行时，内缸会产生很大的应力和变形。同时，外接的蒸汽管道因为热胀产生的附加力也会对内缸产生一定的影响。因此，准确分析内缸的温度场和应力场，保证内缸的强度和气密性满足要求，对于内缸的工程设计具有重要的意义。

某重点汽轮机项目内缸进汽压力、温度分别高达12.6 MPa和540 ℃。外缸、内缸外形及剖面如图1所示。为保证设计的安全与可靠性，外接管道对内缸的附加力及力矩大小，内缸本身的强度及中分面密封性都需要进行校核。本文基于此型号内缸，运用有限元方法[1-4]对以上两个主要问题分别进行了详细研究，用于指导和校核内缸的工程设计。

1理论基础

1.1温度场理论方程

在不同的运行工况下，内缸的温度场差别很大。为了简化分析，下面仅研究最大工况时且处于稳定对流换热状态下内缸的温度场。在稳定运行时，蒸汽主要是以对流换热方式向金属传热，换热量与换热系数和换热温差成正比。内缸金属内部以导热的方式进行热量传递[5-6]。

内缸为各向同性且均匀分布的无内热源三维实体，其瞬态热传导微分方程为：

式中：λ为导热系数[W/（m·K）]；T为温度（℃）；ρ为密度（kg/m³）；C为比热容[J/（kg·℃）]。

求解方程（1）需要的边界条件为：内缸各个表面的温度、内缸与蒸汽的对流换热系数。为了简化分析，本文根据工程经验来设定换热系数。

1.2弹性力学理论方程

内缸腔室充满高压蒸汽，内缸上、下半通过中分面螺栓保持接触和密封，对于内缸上、下半和中分面螺栓组成的系统[7]，根据虚功原理可推导出静力分析的刚度方程为：

式中：[K]为整体刚度矩阵；｛u｝为节点位移向量；｛F｝为整体外载荷向量；｛R｝为整体接触力向量。

在方程（2）中，[K]、｛F｝是已知的，｛u｝、｛R｝是未知的，需要求解。

2有限元分析结果

2.1内缸-导汽管间隙分析

蒸汽通过导汽管进入两半内缸，导汽管固定在外缸上，另一端与外接蒸汽管道相连。导汽管与内缸相接处存在理论设计间隙，如图2所示。若外接管道对内缸产生附加的力和力矩过大，使得间隙超过理论值，就会影响内缸正常工作，因此，需要对模型进行分析。模型中，外缸、内缸、导汽管的材料属性如表1所示，外缸、内缸各个腔室蒸汽参数如表2所示，外缸-内缸进汽模型如图3所示。同时，加载外部蒸汽管道因热变形对导汽管产生的反作用力及力矩，力及力矩数值如表3所示。

有限元分析模型及网格划分如图4所示，汽缸及两半内缸总变形如图5所示，导汽管与内缸端面周向、径向变形如图6所示。

从图2可知，导汽管与内缸间隙设计值为周向4 mm、径向7 mm。图6（a）、图6（b）有限元分析结果表明，周向相对变形为1.4 mm以内，小于间隙设计值4 mm；径向相对变形在1 mm内，也远小于设计间隙7 mm。可以说，在最大蒸汽参数工况下，现有设计的间隙值能满足机组安全运行要求。

2.2内缸强度及中分面密封性分析

内缸由上、下两半和多个中分面螺栓组成。螺栓的材料为NiCr20TiAl，其屈服极限为520 MPa。两半内缸腔室划分如图7所示，每个腔室对应的温度压力与表2保持一致。内缸模型及中分面螺栓网格划分如图8（a）、图8（b）所示。

内缸以及中分面螺栓温度分析结果如图9（a）、图9（b）所示，相应的应力云图如图10（a）、图10（b）所示。

图9（a）、图9（b）的分析结果表明，内缸温度梯度呈轴向分布，且在同一轴向截面上温度分布均匀；内缸中分面螺栓的温度梯度呈垂直分布，且温度分布均匀，这有利于螺栓保持较高的预紧力。图10（a）、图10（b）的分析结果表明，除了部分应力集中处外，内缸的应力均在200 MPa以内，且中分面螺栓应力主要处于400 MPa以内。数值均小于对应材料的屈服极限，校核安全。

图11（a）、图11（b）的分析结果表明，内缸中分面大部分区域能保持较高的接触压力。因内缸本身结构限制，靠近内缸腔室附近密封性较差，但中分面螺栓处密封很好，所以漏气概率较小，气密性良好。

3结语

本文应用传热学和弹性力学理论以及有限元方法，建立了汽轮机内缸的有限元分析模型，研究了最大工况时两半内缸的温度场、应力场和中分面气密性情况，得出以下结论：

（1）导气管-内缸间隙值满足设计要求，外界附加力及力矩不影响内缸的正常运行；

（2）内缸以及中分面螺栓的温度分布均匀，除了部分应力集中外，内缸和中分面螺栓应力均处于材料屈服极限范围内，满足强度安全要求，同时内缸中分面气密性良好。

本文通过对内缸的详细分析，得到了内缸温度场、应力场的分布。该分析方法对汽轮机的设计和新产品开发是十分必要的，能为今后高参数汽轮机组的设计提供技术参考。

审核编辑：汤梓红