□許雄國 □申如國 □葛春新

上海電氣電站設(shè)備有限公司上海汽輪機廠上海200240

高溫氣冷堆汽輪機低壓缸裝配變形的分析*

□許雄國 □申如國 □葛春新

上海電氣電站設(shè)備有限公司上海汽輪機廠上海200240

高溫氣冷堆汽輪機低壓缸為薄壁零件，尺寸大，裝配中在重力、接觸變形等綜合作用下易產(chǎn)生變形，裝配誤差控制難度大。針對這一情況，基于有限元分析與仿真技術(shù)，通過UG建模軟件對低壓缸進行實體造型，通過Hypermesh軟件對低壓缸缸體進行網(wǎng)格劃分，導入ANSYS有限元分析軟件進行裝配變形分析。分析了低壓缸半缸和全缸兩個不同裝配狀態(tài)下的裝配變形，得出低壓缸體在半缸和全缸狀態(tài)下轉(zhuǎn)子的中間區(qū)域變形較大，且低壓內(nèi)缸下半中間向上凸，兩側(cè)向下凹。通過分析，可以指導低壓缸裝配工作，降低制造成本，縮短制造周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

上海汽輪機廠研發(fā)的高溫氣冷堆汽輪機低壓缸[1]為薄壁零件（尺寸大，剛性差）[2]，裝配中在重力、接觸變形等綜合作用下易產(chǎn)生變形[3-4]，采用常規(guī)的裝配測量工藝方法難以對裝配誤差進行控制[5]，且制造成本大、周期長。針對這一情況，筆者基于有限元分析與仿真技術(shù)[6-10]，應用UG軟件對低壓缸進行實體造型，應用Hypermesh軟件對低壓缸缸體進行網(wǎng)格劃分，最后導入ANSYS有限元分析軟件，對半缸和全缸兩個不同裝配狀態(tài)下的裝配變形進行分析，得出高溫氣冷堆汽輪機低壓缸在半缸和全缸狀態(tài)下的裝配變形的情況。

1 缸體裝配變形簡述

在缸體裝配變形分析中，主要有兩類問題：一類是裝配中由重力引起的自重變形，另一類是裝配中存在的接觸變形。自重變形為靜態(tài)線性，接觸變形為非線性，自重變形會對接觸變形造成影響。

在缸體裝配中，主要存在兩種接觸變形：一類是平面與平面之間的接觸變形，即低壓缸臺板與低壓外缸裙座之間的接觸變形，如圖1所示；另一類是圓柱面與圓柱面之間的接觸變形，即軸承與低壓缸之間的接觸變形，如圖2所示。

圖1 平面與平面接觸變形云圖

圖2 圓柱面與圓柱面接觸變形云圖

2 半缸狀態(tài)下裝配變形有限元分析

在半缸狀態(tài)下，裝配好的UG模型如圖3所示。由于模型關(guān)于XOZ平面完全對稱，因此只需要取一半進行分析。

由于裝配體圖形非常復雜，相對的微小幾何特征比較多，因此在進行有限元分析時，在前處理過程中使用Hypermesh軟件劃分網(wǎng)格，如圖4所示。

圖3 半缸裝配UG模型

圖4 半缸有限元網(wǎng)格劃分

前處理完成后，將有限元模型導入ANSYS，在ANSYS中設(shè)定約束條件和接觸對，約束低壓缸臺板底部的全部自由度，以XOZ平面為對稱面，對整個模型施加Z方向的重力加速度。在模型中建立低壓缸臺板與低壓外缸裙座之間，即平面與平面之間的接觸，以低壓缸臺板為剛性目標面，以低壓外缸裙座為柔性接觸面。軸承和汽缸的接觸為兩個45°方向上的接觸，在實際計算中也可以在這兩個方向上建立單元連接。設(shè)置完畢后對有限元模型進行求解，可得半缸狀態(tài)下的裝配變形云圖，如圖5所示。

圖5 半缸狀態(tài)下裝配變形云圖

由圖5可見，低壓缸臺板以上部分低壓外缸裙座四周有不同程度的上翹，低壓缸臺板以下部分外缸下爿一些區(qū)域向外鼓起，低壓內(nèi)缸下爿中間向上凸、兩側(cè)向下凹，轉(zhuǎn)子中間區(qū)域變形較大。

3 全缸狀態(tài)下裝配變形有限元分析

在全缸狀態(tài)下，裝配好的UG模型如圖6所示。由于模型關(guān)于XOZ平面完全對稱，因此只需取一半進行分析。

圖6 全缸裝配UG模型

在前處理過程中使用Hypermesh軟件劃分網(wǎng)格，如圖7所示。

圖7 全缸有限元網(wǎng)格劃分

在全缸網(wǎng)格劃分中，主要分為四大塊：低壓缸臺板、低壓轉(zhuǎn)子（與動葉合為一體）、低壓內(nèi)缸、低壓外缸。低壓缸臺板形狀比較規(guī)則，可以劃為質(zhì)量很高的六面體單元。低壓轉(zhuǎn)子可以利用Hypermesh的三維自動網(wǎng)格劃分技術(shù)Tetramesh快速地劃分為四面體單元。低壓內(nèi)缸和低壓外缸形狀復雜，各種細小特征及間隙比較多，因此還采用了一些其它技巧和方法。

對低壓外缸采用分塊劃分技術(shù)，將低壓外缸模型切為幾塊，再對每一塊利用Tetramesh技術(shù)劃分為四面體單元，最后將各個分塊之間的公共節(jié)點融合在一起，保證整個低壓外缸合為一體，如圖8所示。

圖8 低壓外缸網(wǎng)格劃分

由于低壓內(nèi)缸是對稱體，因此取低壓內(nèi)缸模型的一半進行劃分，再把一半切為三塊，與低壓外缸連接區(qū)域切作一塊，剩余部分切為上下兩塊。對切分的三塊分別劃分網(wǎng)格，注意對應連接區(qū)域的一塊劃分時網(wǎng)格大小與低壓外缸網(wǎng)格大小一致。三塊網(wǎng)格劃分后將公共面節(jié)點融合在一起，進行反射操作，完成鏡像，并對公共面上的節(jié)點進行等值操作，以使整個低壓內(nèi)缸融合在一起，如圖9所示。

圖9 低壓內(nèi)缸網(wǎng)格劃分

低壓外缸和低壓內(nèi)缸網(wǎng)格劃分好后，將連接處的節(jié)點融合在一起，使低壓外缸和低壓內(nèi)缸連接為一體。如果節(jié)點太多，也可以在低壓內(nèi)缸與低壓外缸連接處建立一條焊縫，進而使兩者連接在一起。

前處理完成后，將有限元模型導入ANSYS，在ANSYS中設(shè)定約束條件和接觸對，約束低壓缸臺板底部的全部自由度，以XOZ平面為對稱面，再對整個模型施加Z方向重力加速度。在模型中建立低壓缸臺板與低壓外缸裙座之間，即平面與平面之間的接觸，以低壓缸臺板為剛性目標面，以低壓外缸裙座為柔性接觸面。軸承和汽缸的接觸為兩個45°方向上的接觸，在實際計算中也可以在這兩個方向上建立單元連接。設(shè)置完畢后對有限元模型進行求解，可得全缸體狀態(tài)下的裝配變形云圖，如圖10所示。

圖10 全缸狀態(tài)下裝配變形云圖

由圖10可見，全缸裝配狀態(tài)下，低壓外缸下爿四周某些區(qū)域有不同程度的外凸，低壓外缸上爿有凸有凹，低壓缸裙座有不同程度的翹起，低壓缸轉(zhuǎn)子兩端相對向上翹，中間則向下凹。最大變形發(fā)生在低壓轉(zhuǎn)子的中間區(qū)域，如圖11所示。

圖11 全缸狀態(tài)下裝配變形剖面云圖

4 結(jié)論

在半缸和全缸裝配狀態(tài)下，對高溫氣冷堆汽輪機低壓缸進行了有限元仿真、分析、研究和比較。在半缸裝配狀態(tài)下，低壓轉(zhuǎn)子中間區(qū)域變形較大，且低壓內(nèi)缸下爿中間向上凸，兩側(cè)向下凹。在全缸裝配狀態(tài)下，最大變形也發(fā)生在低壓轉(zhuǎn)子的中間區(qū)域，且低壓缸裙座有不同程度的翹起，低壓缸轉(zhuǎn)子兩端相對往上翹，中間向下凹。全缸裝配狀態(tài)下汽缸的變形比半缸裝配狀態(tài)下小，但轉(zhuǎn)子變形在全缸裝配和半缸裝配狀態(tài)下并沒有差別。獲得的數(shù)據(jù)和結(jié)論可以更好地指導高溫氣冷堆汽輪機低壓缸車間總裝工作，減小了反復調(diào)整裝配面和委托加工的工作量，使低壓缸通流部分軸向和徑向動靜間隙滿足設(shè)計要求。

目前，筆者的研究結(jié)果已經(jīng)在上海汽輪機廠高溫氣冷堆汽輪機低壓缸總裝中得到了應用，縮短了制造周期，降低了制造成本，提高了產(chǎn)品的裝配質(zhì)量。

[1]何阿平，沈國平，黃慶華，等.中國核電汽輪機發(fā)展與展望[J].熱力透平，2015，44（4）：225-232.

[2]石廣豐，王景梅，宋林森，等.薄壁零件的制造工藝研究現(xiàn)狀[J].長春理工大學學報（自然科學版），2012，35（1）: 68-72.

[3]趙家黎,郭偉,于鴻彬.制造過程中誤差傳播問題研究的進展分析[J].中國機械工程，2006（S2）：445-449.

[4]管志俊，張青雷，郭井寬.一種QD250/50/10t-25.5型橋式起重機有限元分析[J].上海電氣技術(shù)，2011，4（2）：1-5.

[5]周志革，黃文振.薄壁件的裝配誤差診斷與控制綜述[J].汽車工程，2000，22（1）：62-65.

[6]梁清香，張根全.有限元與MARC實現(xiàn)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003.

[7]劉天祥.二維彈塑性接觸問題的無網(wǎng)格伽遼金—有限元耦合方法研究[D].西安：西北工業(yè)大學,2002.

[8]董玉文，任青文，蘇琴.接觸摩擦問題的擴展有限元數(shù)值模擬方法[J].長江科學院院報，2009，26（5）：45-49.

[9]CAMPOS L T,ODEN J T,KIKUCHI N.A Numerical Analysis of a Class of Contact Problems with Friction in Elastostatics [J].Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering1982，34（1-3）：821-845.

[10]彭紅梅.薄壁件裝配公差的計算與分析[D].天津:河北工業(yè)大學，2004.

（編輯：啟德）

Low-pressure cylinder ofsteamturbine in high pressure gas-cooled reactor is made ofthin-walled parts.Due to their large sizes,under the combined effects caused by gravity and contact deformation during assembly they may be distorted with poor control of assembly error.Aim at this problem,based on the finite element analysis and simulation technology,the lowpressure cylinder was modeled by UG modeling software.The low pressure cylinder block was meshed by the Hypermesh meshing software and the ANSYS finite element analysis software was introduced for the analysis of assembly deformation.Based on the analyses of the assembly deformation for the low-pressure cylinder assembled in different modes i.e.half cylinder assembly and the whole cylinder assembly,it was found that in both cases the deformation of the middle region of the rotor was larger than other part,and the middle region of the lower half of the inner cylinder of the lowpressure cylinder was in convex shape while both sides were in concave shape.This analysis will help to guide the assembly job of low-pressure cylinder,cut manufacturing costs,reduce the manufacturing cycle and improve the product quality.

汽輪機；低壓缸；裝配；變形

Steam Turbine；Low-pressure Cylinder；Assembly；Deformation

TH123；TK266

A

1672-0555（2017）01-035-04

*上海市科學技術(shù)委員會資助項目（編號：14DZ1118100）

2016年8月

許雄國（1961—），男，本科，高級工程師，主要從事汽輪機裝配工藝研究工作