基于ANSYS WORKBENCH的汽輪機隔板撓度分析

洛陽中重發電設備有限責任公司 （河南 471003） 劉華平 朱曙光

中信重工重型鑄鍛廠 （河南洛陽 471003） 范可歆

隔板是汽輪機通流中重要的部件之一，承載著固定靜葉片和防止級間漏汽的作用，同時把蒸汽的內能轉化為動能。隔板主要由靜葉片、外環和內環三部分組成，隔板與高速旋轉葉片之間的動靜間隙很小，因此對隔板有嚴格的要求。板面上雖然作用的壓力差相對均勻，但其結構和受力情況復雜，精確的隔板撓度計算較繁復，目前工廠常用近似的斯密斯法和華爾法量計算。由于其假設條件和真實的運行情況有一定的差別，因此其計算結果必然存在著一些偏差。本文采用有限元進行分析，并與本公司使用史密斯法計算的結果進行對比，從而判定該方法的可行性。

1.史密斯法求解隔板撓度

隔板的外環和板體是兩塊同心半圓環，兩者之間由靜葉片（桿件）相連接，板面上作用著均勻分布的蒸汽壓力差，但其結構和受力情況復雜，精確的隔板撓度計算較繁復，工廠常用史密斯法和瓦爾法來近似計算。由于簡化計算的假定條件不同，史密斯法適用于計算靜葉相對較長的隔板。瓦爾法不考慮葉片的存在，適用于短葉片。

史密斯計算的基本假設為：

（1）隔板外環固定在完全剛性的支座上，隔板承受均布蒸汽壓力差，支反力沿支撐圓周上分布按正弦曲線分布。

（2）計算葉片應力和撓度時，假定隔板外環和板體是絕對剛性的，計算板體應力和撓度時，假定葉片是絕對剛性的；隔板撓度為葉片撓度和板體撓度之總和。

（3）隔板受力后，它的徑向截面形狀保持不變。

（4）不考慮隔板本身曲率，即按直梁公式計算力和變形之間的關系。

（5）板體的最大應力在垂直于中分面的板體內徑處，板體的最大撓度在中分面內徑處。

本次計算中，取本公司N6的第五級隔板，該級隔板是全周進汽，其靜葉高度為33mm，葉片不能忽略，因此采用史密斯方法進行隔板的撓度計算。該隔板的工作溫度為100℃，隔板工作狀態下的前后壓差為0.086MPa。該隔板的靜葉材質為1Cr13，工作溫度下的彈性模量為206 000MPa，該隔板的板體材質為ZG25A，工作溫度下的彈性模量為204 000MPa。

計算結果及所用公式如附表所示。

隔板撓度及計算所用公式

表中，ΔP為隔板兩側壓力差（MPa），KΔ為撓度計算系數，Iuu為葉片截面對通過截面形心并平行于隔板平面的u－u軸的慣性距，EP、En分別為板體、葉片材料在工作溫度時的彈性模量，Zn為隔板靜葉片數目，l為葉片高度和葉片根部至汽缸或持環內壁的距離，Dm為隔板外徑，Dg為隔板內徑。

2.ANSYS WORKBENCH分析隔板撓度

利用Inventor三維軟件建立隔板的三維模型，在ANSYS WORKBENCH這個工作平臺上，應用靜態結構分析模塊（static structure），對該隔板的三維模型進行分析，以得到隔板撓度的云圖，可以直觀地得到隔板的撓度。

（1）建立隔板三維模型：三維設計已逐步成為機械設計行業的主流，而ANSYS WORKBENCH可以嵌入到相應的三維設計軟件Inventor版本中，因此本文采用Inventor三維軟件來建立該隔板的三維模型，以便更好把設計與分析融為一體。在建模的過程中把隔板分為隔板外環、靜葉部分和隔板體三部分。在Inventor焊接結構模式下，把外環、靜葉和隔板體三部分焊接起來，在焊接的過程中，選擇相應的焊接材料。ANSYS WORKBENCH平臺可以識別Inventor中的焊接設置。

（2） 隔板三維體的網格劃分： 把在Inventor中建立好的隔板三維模型導入到ANSYS WORKBENCH中，鑒于隔板的外形相對較為規則，采用ANSYS WORKBENCH的自動劃分法，該方法自動設置四面體或掃掠網格劃分，如果三維模型體是可以掃掠的，則三維體將被掃掠劃分網格，否則將使用Tetrahedron下的Path Congforming網格劃分器劃分網格。同一部件的三維體具有一致的網格單元。隔板的三維體網格劃分如圖1所示。

圖1 隔板三維體網格劃分

（3）載荷和邊界約束：載荷根據該機組的熱力計算書得到隔板前后的蒸汽壓力差為0.086MPa/m2，在隔板的前端面施該力，方向為軸向向后。邊界約束采用固定約束，約束位置為該隔板與汽缸的結合面。

（4）求解及結果顯示：在mechanical中有兩種求解器，分別是直接求解器和迭代求解器。直接求解器對包含薄面和細長的模型比較有用。迭代求解器適用于處理大體積的模型時比較有效。若采用默認方式，分析模塊會依據所求解的三維實體自動選取求解器。在結果顯示中，選取整體變形量（total）來顯示隔板撓度的變化云圖（見圖2）。

圖2 隔板撓度云圖

3.結語

本文中采用有限元法得到位于隔板中分面內徑處大的最大撓度0.326 89mm與傳統的史密斯計算法得到的最大撓度0.352mm及其位置基本相吻合。由于史密斯法作了適當的簡化和等效，與實際結果有一定的偏差，在本文的有限元分析中，也是根據史密斯法作了相應的假設，以便于結果與史密斯方法計算的結果相吻合，從而判定該方法的可行性。若采用全三維技術模擬隔板強度，由于有限元分析考慮的邊界條件、幾何結構都比傳統計算更加全面、更加接近真實、沒有太多的假象與簡化，可以認為其結果更加精確，完全可以滿足設計和研發的需要。