基于有限元分析的超临界汽轮机铸造主汽阀门蠕变强度

发布时间:2011-06-15  点击数:2564

    汽轮机的启动、停机和功率的变化,是通过调节保安系统调节各汽门的开大或关小,从而改变进入汽轮机的蒸汽流量或蒸汽参数来实现的。主汽阀工作的正常与否直接影响到机组的安全经济运行。随着电力行业的快速发展,用户对单机的容量、进汽参数、制造周期和安全性提出了更高的要求。为满足国内电力发展的需求,解决超临界机组锻造主汽阀供货周期过长、制造成本高、资源紧张、影响电站建设的问题,哈尔滨汽轮机厂开展了超临界汽轮机主汽阀以铸代锻研究。超临界机组高温零部件用新材料的开发与应用是超临界机组进一步发展的关键之一,因此,国外对发展超临界机组材料十分重视,在新材料的开发应用、原有钢种的改良及加工工艺等方面作了大量的研究工作,并取得成功,开发出了用于不同蒸汽参数的各种12%Cr系材料以及12%Cr系材料的大型铸锻件。针对超临界调节阀使用ZG1Cr10MoWVNbN材料在工作条件下进行以铸代锻研究。研究的主要内容之一是高温蠕变性能研究,主蒸汽参数:温度566℃,内部压力25.4N/mm2,材料蠕变强度许用应力:薄膜应力为67.4N/mm2,薄膜应力加弯应力为101.1N/mm2

一、力学模型

    本文实体建模所采纳的数据全部由哈汽设计生产图纸所提供。图1为在二维设计图纸基础上经过简化在UG中生成的铸造超临界机组主汽阀实体模型,其中,箭头所指部分为在锻造主汽阀结构上进行的补强处理。

图1 实体模型

    边界约束:垂直面横向约束、右侧端部轴向约束、顶部垂直方向约束。

二、有限元模型的建立

    将三维主汽阀实体模型引入ANSYS中,并完成实体模型的前处理。实体模型用四面体单元8节点划分网格,模型生成的的节点数和单元数分别为:节点数23893、单元数118587,从而生成了利用ANSYS前处理后的主汽阀结构的有限元计算模型,在内表面作用25.4N/mm2的压力载荷,外表面作用0.1N/mm2的压力载荷,模型受对称约束,入口的平衡力为7.66N/mm2,出口的平衡力为8.12N/mm2,计算模型如图2所示。

图2 计算模型

三、有限元分析

    对有限元计算模型进行有限元分析,分析后的应力云图显示于图3,在各路径上的应力曲线分别显示在图4~图8。

图3 应力云图

图4 路径A曲线图

图5 路径B曲线图

图6 路径C曲线图

图7 路径D曲线图

图8 路径E曲线图

    根据上面的路径图可以发现所有路径上的薄膜应力均小于许用值67.4N/mm2,路径B中的薄膜加弯应力值最大为72.42N/mm2,应力值低于许用蠕变应力值101.1N/mm2

四、结论

    通过此次有限元分析,可得到如下结论:

    根据计算分析得出的一次最大薄膜加弯应力值(72.42N/mm2)小于许用应力(101.1N/mm2),可以得出此种材料能够满足超临界阀门蠕变强度要求。