國(guó)產(chǎn)超臨界1000MW汽輪機(jī)組主汽閥結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

趙樹(shù)材， 王永旭， 謝長(zhǎng)鴻

（通遼發(fā)電總廠，內(nèi)蒙古通遼028000）

0 引言

近些年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展以及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷提速，能源的作用和地位已經(jīng)不斷為人們所重視。汽輪機(jī)組單機(jī)發(fā)電容量以及發(fā)電總裝機(jī)容量都已經(jīng)在不斷地提高。汽輪機(jī)組是否能夠長(zhǎng)期、高效率和安全穩(wěn)定地運(yùn)行具有十分重要的意義[1-3]。

汽輪機(jī)主汽閥門是關(guān)乎機(jī)組是否能夠安全啟動(dòng)、運(yùn)行和停機(jī)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件。主汽閥是汽輪機(jī)蒸汽流入機(jī)組的第一道閥門，它的主要作用是在特殊的緊急狀況下能夠快速自動(dòng)關(guān)閉，阻斷流入機(jī)組的主蒸汽通路，從而迫使汽輪機(jī)組打閘停機(jī)，避免事故進(jìn)一步發(fā)生。此外，部分汽輪機(jī)主汽閥還能夠控制帶部分負(fù)荷，以及在汽輪機(jī)組啟機(jī)時(shí)控制轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。因此，主汽閥是否能夠設(shè)計(jì)要求對(duì)機(jī)組的安全運(yùn)行起著重要作用。

1 數(shù)值計(jì)算方法

1.1 物理模型的建立及網(wǎng)絡(luò)劃分

本文以主汽閥為研究對(duì)象，由于國(guó)產(chǎn)某型超臨界1000 MW汽輪機(jī)組主汽閥原設(shè)計(jì)方案存在強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)情況，進(jìn)而對(duì)主汽閥進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。根據(jù)超臨界1000 MW機(jī)組主汽閥結(jié)構(gòu)建立實(shí)體結(jié)構(gòu)模型，并且分為優(yōu)化前和優(yōu)化后兩種情況進(jìn)行數(shù)值分析。優(yōu)化前閥體結(jié)構(gòu)如圖1所示，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)實(shí)體模型如圖2所示，具體優(yōu)化方案為主汽閥閥體加長(zhǎng)400 mm。應(yīng)用有限元軟件Workbench分別對(duì)優(yōu)化前和優(yōu)化后的模型進(jìn)行強(qiáng)度分析，其中網(wǎng)格尺寸劃分選為40 mm，單元類型為SOLID186和SOLID187兩種，材料屬性選擇D9TC，彈性模量設(shè)定為200 GPa，泊松比為0.3，網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖1 主汽閥體優(yōu)化前三維有限元實(shí)體

圖2 主汽閥體優(yōu)化后三維有限元實(shí)體

圖3 主汽閥三維有限元網(wǎng)格劃分

圖4 主汽閥座位移約束

1.2 邊界條件

在主汽閥閥座位置施加位移約束，具體位置如圖4所示，閥座四個(gè)螺栓孔處施加全約束。壓力邊界條件的施加如圖5和圖6所示。在圖5所示的紅色區(qū)域施加28.84 MPa的壓力邊界。圖6中紅色編號(hào)區(qū)域壓力施加具體數(shù)值參見(jiàn)表1。

2 計(jì)算結(jié)果和分析

應(yīng)用商業(yè)有限元軟件對(duì)優(yōu)化前和優(yōu)化后的主汽閥閥體的應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，依照實(shí)際工況對(duì)模型設(shè)置位移邊界條件以及力邊界條件。數(shù)值計(jì)算結(jié)果應(yīng)力云圖分別如圖7和圖8所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，主汽閥閥體加長(zhǎng)400 mm后，相比于優(yōu)化前方案，優(yōu)化后方案應(yīng)力集中區(qū)域明顯減少。圖7所示為原設(shè)計(jì)方案的應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算結(jié)果。

圖8所示為優(yōu)化后方案主汽閥應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算結(jié)果。

然后計(jì)算分析優(yōu)化前和優(yōu)化后主汽閥閥體的線性化應(yīng)力。具體選取路徑如圖9所示，圖中標(biāo)志路徑C、D、E和I代表主汽閥閥體焊縫；A、B、F、G、H、J、K、L、M和N為閥體處路徑。如表2所示為原設(shè)計(jì)方案與優(yōu)化后方案在不同路徑下的膜應(yīng)力以及膜加彎應(yīng)力的具體數(shù)值。數(shù)值結(jié)果表明，主汽閥的幾處關(guān)鍵部位的應(yīng)力在優(yōu)化后都有大幅度的降低。例如C焊縫路徑3處，膜應(yīng)力從優(yōu)化前的49.4 MPa減小為優(yōu)化后的31.4 MPa，降低了36.44%，膜加彎應(yīng)力從優(yōu)化前的88.2 MPa減小為優(yōu)化后的61.0 MPa，降低了30.84%；D焊縫路徑4處，膜應(yīng)力從優(yōu)化前的46.1 MPa減小為優(yōu)化后的31.0 MPa，降低了32.75%，膜加彎應(yīng)力從優(yōu)化前的72.3 MPa減小為優(yōu)化后的55.7 MPa，降低了22.96%；F路徑6處，膜應(yīng)力從優(yōu)化前的60.4 MPa減小為優(yōu)化后的54.7 MPa，降低了9.44%，膜加彎應(yīng)力從優(yōu)化前的115.6 MPa減小為優(yōu)化后的97.0 MPa，降低了16.09%；J路徑10處，膜應(yīng)力從優(yōu)化前的46.MPa減小為優(yōu)化后的40.9 MPa，降低了35.79%，膜加彎應(yīng)力從優(yōu)化前的115.8 MPa減小為優(yōu)化后的83.0 MPa，降低了28.32%；L路徑12處，膜應(yīng)力從優(yōu)化前的56.4 MPa減小為優(yōu)化后的41.5 MPa，降低了26.41%，膜加彎應(yīng)力從優(yōu)化前的107.0 MPa減小為優(yōu)化后的81.0 MPa，降低了24.30%。

圖5 主汽閥結(jié)構(gòu)模型壓力邊界條件一

圖6 主汽閥結(jié)構(gòu)模型壓力邊界條件二

表1 主汽閥結(jié)構(gòu)模型壓力邊界條件數(shù)值

圖7 優(yōu)化前應(yīng)力等值云圖

圖8 優(yōu)化后應(yīng)力等值云圖

圖9 線性化應(yīng)力路徑

表2 線性化應(yīng)力對(duì)比

圖10 膜應(yīng)力對(duì)比分析

圖11 膜加彎應(yīng)力對(duì)比分析

圖10 和圖11所示分別為主汽閥膜應(yīng)力和膜加彎應(yīng)力在優(yōu)化前后的對(duì)比柱狀圖，由圖可以明確地發(fā)現(xiàn)，在邊界相同的情況下，優(yōu)化后主汽閥模型的應(yīng)力結(jié)果在關(guān)鍵位置都要小于原設(shè)計(jì)方案，并且均滿足許用值，因此本文提出的優(yōu)化方案可行。

3 結(jié)論

本文通過(guò)數(shù)值計(jì)算，研究分析了國(guó)產(chǎn)超臨界1000 MW汽輪機(jī)主汽閥強(qiáng)度，并且提出了優(yōu)化方案。通過(guò)原設(shè)計(jì)與優(yōu)化后方案的對(duì)比分析，優(yōu)化后的結(jié)果表明各關(guān)鍵路徑應(yīng)力都小于原設(shè)計(jì)方案，并且優(yōu)化后應(yīng)力值都小于許用值，因此該方案可以作為國(guó)產(chǎn)超臨界1000 MW汽輪機(jī)主汽閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)選方案，從而為該閥的制造和工程應(yīng)用提供了理論支撐。