接管结构补强计算在高中压缸设计中的应用

徐国林等

摘 要：汽轮机高中压缸是汽轮机承受高温、高压蒸汽的关键部件，由于机组功能及结构设计需要，高、中压进汽管、抽汽管、高、中压排汽管成了汽缸设计不可或缺的部分，本文简要介绍了接管结构开口补强计算方法及接管结构开口补强计算方法在汽轮机高中压缸设计中的应用。

关键词：汽轮机；高中压缸；接管结构；开口补强

引言

汽轮机汽缸主要承受压力和温度沿轴向变化的蒸汽的作用力，同时承受本身自重及其内部零部件的作用力，以及承受外部管道等作用在其上的力和力矩；同时因温度分布因素造成的热应力和变形。在汽缸上开口连接高、中压进汽管、抽汽管、高、中压排汽管时，必须采用加厚材料进行补强设计。从而达到降低局部应力水平的效果，满足设计强度的要求。本文通过汽缸设计中几种常用接管结构开口补强形式，简单介绍开口补强计算方法。

图1接管与汽缸结构图

1.径向接管所有平面的加厚量计算方法

1.1仅受压力负荷的接管及参数限制要求

d/D≦0.37和d/D×（D/T）0.5≦1.2a

1.1.1接管全加厚

An=0.75d×Tr

1.1.2汽缸全加厚

Ac=d×Tr

1.1.3汽缸和接管都加厚

1.33 An+ Ac= d×Tr

1.2承受压力负荷和外力负荷的接管以及不满足第一节中1参数限制的接管

An+ Ac= d×Tr

式中：

d—接管内径；

D—汽缸内径；

T—汽缸壁厚；

An—接管上的加厚面积 ；

Tr—要求的最小汽缸厚度；

Ac—汽缸上的加厚面积；

t—接管壁厚；

2.倾斜接管的加厚量

2.1 30°角以下的旁侧接管（图2）。需要的加厚量和径向接管相同。

2.2 30°角以上的旁侧接管和各种侧向倾斜的接管

An+ Ac= da×Tr

图2

式中：

An—接管上的加厚面积 ；

Ac—汽缸上的加厚面积；

da—倾斜接管在汽缸任一平面内横跨开口的距离

Tr—要求的最小汽缸厚度；

3.圆角半径以及加厚部分和压力容器之间的过渡区

3.1接管和汽缸之间外表面圆角半径

ro=（d×t）0.5或T?/2之较大者

3.2内表面圆角半径

T?/8≦ri≦T?/2

半径ri不能超出上述范围，因为它会使开口扩大，从而使最大应力增加。如果ri﹥T?/2，汽缸或接管要在外侧面额外加厚。

3.3从加厚部分到正常接管或者到汽缸的过渡区厚度变化不要大于 1：3斜度。

3.4除上述之外，除小于30°角的旁侧接管外，要去掉倾斜接管上的尖锐的内壁角，在接管外壁上，必须额外加厚以补偿较大的开口，尖角可以倒圆或垂直于汽缸去除。

式中：ro—接管和汽缸之间外表面圆角半径

ri—和汽缸之间内表面圆角半径

d—接管内径；

t—接管壁厚；

T?—加厚区域处的汽缸厚度

4.加厚尺寸的允许极限（见图3）

4.1从汽缸外表面测量的接管加厚极限

Ln=0.5[ro+（rm×t?）0.5]

4.2从接管内壁测量的汽缸加厚极限

Lc 最小值T?

Lc 最大值为d/2或1.25（Rm×T?）0.5的较小值。

图3

式中：Ln—接管加厚极限

d—接管内径；

D—汽缸内径；

t?—加厚区域处的接管厚度

T?—加厚区域处的汽缸厚度

rm—r+t/2

Rm—R+T/2

r—d/2

R—D/2

5.由内压引起的管组内的最大应力集中

最大应力产生于图4中的B点处，这是由于在原始周向负荷之外，还要附加一个作用于面积F上的负荷，而该负荷必须分配在与拐角相邻的区域内。如果长度Lb和Lm等厚度，可采用下示公式。对于锥形截面，可取R和T的平均值。两种截面（例如，一为等厚度，另一为变厚度）可按下式合成：

Lb，m=a1（R1×T1）0.5+ a2（R2×T2）0.5

a1+a2=0.4

Lb=0.4（r×t）0.5

Lm取2/3×r和0.4（R×T）0.5二者的较小值

K=1.32G×T/（G1×R），但不小于2.1

图4

该应力集中系数K是按汽缸中的额定的周向负荷来给定的，只要内外拐角半径处于本文所设定的范围内，那么它们对K就没有明显的影响。

6.热应力的考虑

在启动和负荷变化期间，在接管周围会产生温度梯度。为了减小热应力，接管处应当有一定的为减少接管与汽缸间厚度的变化的补强。在接管和汽缸上的这一补强应当取壁厚均匀增加的形式。并且避免在接管处产生尖锐拐角或凸起。

7.结束语

高、中压进汽管、抽汽管、高、中压排汽管是汽缸设计不可避免的部分，在汽缸上开口连接高、中压进汽管、抽汽管、高、中压排汽管时，必须采用加厚材料进行补强设计。由于采用大型有限元软件设计较为复杂，耗时较多，在汽缸非关键性部位应用接管结构补强的简易算法，将更适用于短周期项目汽轮机高中压缸的设计。

参考文献：

[1]卢沛鎏. 编译，《汽轮机强度》.

[2]吴厚钰.主编《透平零件结构与强度计算》.

[3]ASME 锅炉及压力容器委员会压力容器分委员会.主编《高压容器建造规则》.

[4]邓肖明.《压力容器开孔等面积补强简易判断法》.

作者简介：徐国林（1981-），男，工程硕士在读，工程师，主要从事汽轮机本体结构和系统设计。