摘要：汽轮机的叶片通过叶根与转子上叶轮的轮缘联接在一起作高速旋转,对于叶片、叶轮等强度分析,最早是用建立在理论分析基础上的简化公式或经验公式进行分析计算的,需要对模型进行大量的简化,将叶片简化为叶根固定的变截面梁,轮缘按作用有离心载荷的三维实体进行强度分析，有限元作为一种强有力的分析方法，已成为工程结构分析的主流。而以有限元为理论基础的大型通用程序，成为结构分析与设计的最基本工具。在对超临界、空冷机组等新产品的开发中，我们应用有限元软件进行强度振动分析等，确保了机组安全运行。
关键词：有限元分析；汽轮机设计；应用
1、前言
比较著名的大型通用有限元程序有MSC/NASTRAN，ANSYS，ADINA，SAP等，这些程序包括线性、非线性结构静力分析、动力分析、温度场分析、热应力分析、模态响应分析等。在国际上应用广泛，国内同行业的上汽、东汽、哈锅、哈电也都应用有限元进行强度振动分析。笔者公司在这方面也做了一些应用研究工作。
2、有限元程序应用研究
在分析一个物体或系统中的压力和变形时有限元分析是一种常用的手段，此外它还被用来分析许多其它问题，如热传导、流体力学和电力学。
2.1 600MW冷凝器水室刚度分析
首先根据图纸所给的实际尺寸做出前水室的实体模型，并对实体模型进行网格划分，如图1和图2所示。
应力和位移分析：在实体内部承受5kg的泵水压力以及由水本身的自重所产生的压力，这种情况下所受的最大的应力值为1020MPa，最大的位移为9.33mm。应力和位移分析如图3和图4所示。
为了减小两侧面板的变形，将法兰加工面上的所有T型钢竖肋的宽都由原来的20mm变为40mm，而且在出水管位置由原来的2根支撑管变为4根支撑管，它们上下之间的距离为800mm。为了减小后挡板的变形，将后挡板的厚度由原来的22mm变为现在的30mm。由于600MW冷凝器水室结构尺寸比较大，应用户的要求进行了水压实验，应用有限元方法进行精确分析和优化设计。
2.2轮槽铣床支架应力分析
由于公司300MW、600MW转子轮槽铣床任务量非常大，但二手轮槽铣床主要加工200MW以下转子，任务量较少，为此，对二手轮槽铣床支架进行分析，研究是否可以加工300MW、600MW转子。根据实测尺寸进行有限元实体建模和网格划分，采用四面体单元。由于低压转子为对称结构，支架施加300MW、600MW低压转子轴承载荷分。将轴承载荷力直接施加支架上，去掉应力集中，支架最大应力为26.2MPa，最大变形为0.044mm。根据上述应力分析结果，认为二手轮槽铣床支架能承受300MW、600MW低压转子重量，可以加工300MW、600MW转子，因而提高了公司加工能力。
2.3超临界主汽阀调节阀温度场应力场分析
根据设计方案，建立超临界主汽阀调节阀有限元分析实体模型，并进行网格划分，由于结构复杂，采用四面体单元。主汽阀调节阀最高工作温度566℃，最高工作压力24.2MPa，首先应用NASTRAN进行稳态温度场分析，然后进行应力场分析，热应力最大161MPa，满足安全运行需要。
3、强度有限元分析的基本原则
最近5年，上海发电设备成套设计研究院与有关企业合作，在汽轮机零部件强度有限元分析共性关键技术研究、强度与寿命的设计规范研究方面，取得了一些新进展。
3.1载荷与应力的分类
在汽轮机零部件的强度有限元分析中，汽轮机零部件承受的载荷有两类，即力载荷与热载荷。汽轮机零部件承受的力载荷主要有蒸汽压力、离心力、外加力矩、重力等。汽轮机零部件承受的热载荷主要有零部件表面与蒸汽、空气或润滑油的对流换热、汽轮机零部件之间接触导热与辐射换热等。由力载荷与热载荷产生的应力区为一次应力、二次应力和峰值应力。由力载荷引起的正应力和剪应力称为一次应力，一次应力的特征是能够满足外力、内力和力矩的平衡要求。当一次应力超过屈服极限时，它会引起零部件损坏或者总体变形，热应力不属于一次应力。
为了满足外部的约束条件或者自身变形连续要求所产生的正应力和剪应力称为二次应力。只要不反复加载，二次应力不会导致结构破坏。热应力属于二次应力，零部件结构不连续处(即应力集中部位)的力载荷产生的弯曲应力也属于二次应力。热应力是由于零部件内部温度分布不均匀或材料的热膨胀系数不同引起的自平衡应力;或当温度发生变化，零部件结构的自由热变形被外部约束限制时所引起的应力。
峰值应力是由于包括应力集中效应在内的局部结构不连续或局部热应力影响而引起的附加于一次应力与二次应力之和上的应力增量。应力集中部位的总应力扣除一次应力和二次应力之后的剩余部分为峰值应力。峰值应力的分布区域很小，它不会引起明显的变形。峰值应力的危害性在于可能导致疲劳裂纹萌生或疲劳裂纹扩展。采用有限元分析技术得出的汽轮机零部件的应力场，是在力载荷与热载荷同时作用下的总应力场，在无应力集中部位的总应力是一次应力与二次应力之和，在有应力集中部位的总应力为一次应力、二次应力与峰值应力之和。
3.2强度有限元分析设计的原则
(1)汽轮机零部件强度的有限元分析设计，采用了ASME规范和国内压力容器规范中采用的分析设计方法。该分析设计方法放弃了传统的“弹性失效”准则，采用以极限载荷、安定载荷和低周疲劳寿命为界限的“塑性失效”准则，允许结构出现可控制的局部塑性区，允许对峰值应力部位作有限寿命设计。采用有限元分析设计方法，既可以解决汽轮机零部件强度的传统设计方法中出现的矛盾，又可以严格保证汽轮机零部件结构的安全性。
(2)汽轮机零部件强度的有限元分析设计方法，采用弹性应力分析与塑性设计准则相结合的基本原则，即零部件应力采用弹性应力的有限元计算分析方法，并进行应力分类，借用塑性设计准则进行应力场有限元数值计算结果评价和强度安全性校核，保证汽轮机零部件的强度有足够的安全裕度。
(3)汽轮机零部件的强度设计，是分析汽轮机零部件的应力是否达到材料失效的强度条件。对于单向应力状态，通过试验测定材料力学性能后，就可确定零部件失效的评价判据。实际汽轮机零部件是三维结构，采用有限元分析法计算得出的应力是复杂的多轴(多向)应力状态。复杂的多轴应力状态有无限多种，对于千差万别的复杂多轴应力状态进行材料力学性能试验，既不经济，也不可能。工程上，根据一定的强度理论计算等效应力，使用计算得出的等效应力和单向应力的材料力学性能试验数据来评价汽轮机零部件强度有限元计算结果的安全性。
(4)由于力载荷产生的一次应力属于非自限应力，应力与应变不会因超过屈服极限而自行限制，一次应力超过屈服极限时会引起零部件损坏或总体塑性变形，强度设计判据要求局部等效应力不超过材料屈服极限。由于热载荷产生的热应力属于二次应力，应力集中部位由力载荷产生的弯曲应力也属于二次应力，二次应力是由变形受到某种限制而引起的，二次应力属于自限应力，即局部材料屈服和小量变形就可以使变形连续要求得到满足，从而变形不再增大。峰值应力的基本特征是局部性与自限性。一次应力与二次应力之和的总应力的强度判据是不超过2倍的屈服极限。汽轮机零部件应力集中部位的局部最大应力为一次应力、二次应力与峰值应力之和，其强度设计判据是不超过2倍屈服极限。
4、结论
随着计算机的不断发展，有限元软件不仅计算精度高，还具有强大的前后处理功能，能直观地反映结构的应力、变形和振动，为设计和开发新产品进行强度振动分析提供了强有力的工具，并为公司带来上百万元的直接效益和巨大的间接效益。今后在隔板应力分析、转子瞬态热应力和有限元程序的二次开发及优化设计等方面还要做进一步的研究开发工作。
参考文献
[1]史进渊，杨宇，孙庆，杨光海．亚临界和超临界汽轮机强度振动与寿命设计判据的研究[J].机械工程学报，2005，41(1):187－192．
[2]史进渊，杨宇，邓志成，汪勇，吴茜.超临界与超超临界汽轮机稳态与变工况强度分析设计技术规范[R].上海发电设备成套设计研究院，2009．
作者简介
刘洋（1977-），辽宁沈阳人，工学硕士，哈尔滨汽轮机厂有限责任公司研究院透平技术研究所，研发工程师。
论文作者:刘洋1,杨国栋2
论文发表刊物:《电力设备》2019年第5期
论文发表时间:2019/7/24
标签：应力论文; 汽轮机论文; 载荷论文; 零部件论文; 强度论文; 有限元论文; 转子论文; 《电力设备》2019年第5期论文;