箜 鲞箜 塑 ２Ｏｌ１年８月 湖 北 电 力 Ｖｏ１Ａ．３５№８ ｕｇ．２０１１ 管道对汽轮机接口推力和力矩评判方法 鲁 皓 （广东省电力设计研究院，广东广州 ５１００００） ［摘 要］ 介绍了ＮＥＭＡ—ＳＭ２３之外的一种管道对汽轮机接口推力和力矩的评判方法。总结 了该评判方法的基本原则、评判步骤以及优点，并用实例说明，为汽轮机相关管道布置设计时评判管道 对汽轮机接口的推力和力矩提供一种可行的依据。 ［关键词］ 汽轮机；允许力和力矩；管道布置 ［中图分类号］ＴＫ２６３．５ ［文献标识码］Ａ ［文章编号］ｌ００６—３９８６（２０１１）０４—００７４—０３ Ｊｕｄｇｍｅｎｔ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｆｏｒｃｅ ａｎｄ Ｍｏｍｅｎｔｓ ａｔ ｔｈｅ Ｐｉｐｅ Ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｓｔｅａｍ Ｔｕｒｂｉｎｅ Ｉ Ｕ Ｈａｏ （Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ ＥＩｅ（ｇｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｄｅｓｉｇｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ ５１００００ Ｃｈｉｎａ） ［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ａ ｆｌｅｗ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｃｈｅｃｋ ｔｈｅ ｆｏｒｃｅｓ ａｎｄ ｍｏｍｅｎｔｓ ａｌ ｔｈｅ ｐｉｐｅ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｅａｍ ｆｕｒ— ｂｉｎｅ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ａｕｔｈｏｒ ａｎａｌｙｚｅｓ ｉｔｓ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｂａｓｉｃ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ ａｎｄ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ．Ｂｙ ｕｓｉｎｇ ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｉｓ ｃｒｉｔｅｒｉａ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｔｅｓｔｅｄ ｔｏ ｂｅ ａｖａｉｌａｂｌｅ ｆｏｒ ｃｈｅｃｋｉｎｇ ｔｈｅ ｆｏｒｃｅｓ ａｎｄ ｍｏｍｅｎｔｓ ａｔ ｔｈｅ ｐｉｐｅ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｅａｍ ｔｕｒｂｉｎｅ ［Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ］Ｓｔｅａｍ ｔｕｒｂｉｎｅ；ａｌｌｏｗａｂｌｅ ｆｏｒｃｅｓ ａｎｄ ｍｏｍｅｎｔｓ；ｐｉｐｉｎｇ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ 本文结合国外大型汽轮机组本体相关管道设计 要求，总结其管道设计中管道对汽轮机接口推力和 力矩的评判方法。 １２５Ｄｃ，Ｍｙ≤１２５Ｄｃ，Ｆｚ≤１００Ｄｃ，Ｍｚ≤１２５Ｄｃ； （３）对于具有向下排汽口的凝汽式汽轮机，其排 汽口安装无约束膨胀节时，允许存在由压力引起的 附加力（此附加力垂直于排汽口法兰面并作用于中 心）。对于此种汽轮机，在进行（１）（２）两项校核过程 中，计算排汽口上的垂直分力时不包括压力引起的 １评判的通用标准 电厂汽轮机的转速通常为３ ０００ ｒ／ｍｉｎ（国外 ６０Ｈｚ的为３ ６００ ｒ／ｒａｉｎ），当管道作用汽轮机本体荷 载过大时，将造成转动轴的不对中，汽轮机猫爪受力 不平衡，导致汽轮机动静部分间隙发生变化，引起磨 损和振动，所以汽轮机的允许受力非常严格。 附加力。对于具体向下排汽的凝汽式汽轮机，还应 进行如下校核：同时考虑压力引起的附加力和其他 荷载时，如果作用于排汽口的垂直分力不超过排汽 口面积的１５．５倍，则认为压力在排汽口引的起附加 力是满足要求的； （４）上述各条规定允许受力和力矩只适用于汽 对于一些小型汽轮机，在厂家没有给出允许受 力的情况下可以参照美国电气制造协会标准 ＮＥＭＡ ＳＭ２３执行，具体要求如下： 满足３ 十ＭＲ≤５００Ｄｅ； ， 轮机本身结构，不能作为判断管道、法兰或者法兰紧 固件安全性的依据。 （１）作用于任意一个管口上的合力及合力矩应 （２）进汽口、抽汽口和排汽口上的力和力矩合成 ２新的评判方法 由于ＮＥＭＡ—ＳＭ２３标准主要针对小型汽轮机 到排汽口中心处的合力及合力矩应满足： ａ）２Ｆｃ＋Ｍｃ≤２５０Ｄｃ； 组，对于机组容量较大，与汽轮机相连的管道直径和 壁厚较大的情况，一般主机厂不再使用ＮＥＭＡ作 ｂ）Ｆｃ和Ｍｃ在Ｘ、Ｙ、Ｚ三个方向上的分力和分 力矩应满足以下条件：Ｆｘ≤５０Ｄｃ Ｍｘ≤２５０Ｄｃ，Ｆｙ≤ ［收稿日期］２０１１－０６—０５ 为评判标准，而是由管道设计方提供各个接口处的 管道对汽轮机推力和推力矩，厂家根据汽轮机本身 ［作者简介］鲁・ 皓（１９８０一），男，湖北云梦人，工程师。 结构来核算管道对汽轮机汽缸的作用力是否满足要 ７４ ・ ＶｏＬ ３５№４ Ａｕｇ．２０１１ 湖 北 电 力 笙 鲞笙 塑 ２０１１年８月 求。本文介绍一种适用于大型汽轮机组的接口处力 和力矩的评判方法。 ２．１评判基本原则 ２）管道对汽缸作用力示意图如图２所示，Ｕ点 为管道与汽缸连接处，（）点位计算原点，Ａ、Ｂ、ｃ、Ｄ 为４个承担Ｚ向作用力支撑猫爪，Ｎ、Ｐ为２个Ｘ轴 向限位点，Ｒ、ｓ为２个固定点。 １）假定汽轮机缸体的刚度无限大，在热态＿丁况 下所有管嘴对汽轮机缸体作用力转化到本体的各个 承力部件上，各个承力部件的应力在允许范围内。 ２）在冷态开缸下，取掉上半汽缸和隔板时，管道 作用于汽缸的总力和力矩不能使汽缸产生任何方向 的位移。 ３）在所有工况下，管道与汽缸连接处的作用力对 接口处产生的作用不能使得焊缝或者法兰连接失效。 ２．２评判的基本步骤 图２管遭对汽缸作用力爪恿罔 ３）将Ｕ点的作用力Ｆｕ（Ｆｘｕ，Ｆｙｕ，Ｆｚｕ）和Ｍｕ １）定义计算坐标系如图１所示。 （Ｍｘｕ，Ｍｙ，Ｍｚｕ）转换到计算原点（）处，然后再将所 有管道在。点处的力和力矩转换到Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｎ、 Ｐ、Ｒ和Ｓ八个汽缸本体承力件。计算公式如下： ’ ＲｒａｒＥｎｄ ＡＳＩＳ —式中：ＺＡ，ＺＢ，ＺＣ，ＺＤ，ＸＮ，ＸＰ，ＹＲ，ＹＳ分别为 Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ Ｅｎｄ ＨＩＰＥｎｄ ８个支撑件的受力；［Ｍ］为汽缸本体几何特征矩； 图１坐标轴定义 Ｆｘｏ，Ｆｙｏ，Ｆｚｏ，Ｍｘｏ，Ｍｙｏ，Ｍｚｏ分别为原点（）处的 １ ０ Ｏ １ Ｏ Ｏ ０ Ｏ Ｏ ０ ０ ０ ０ Ｆｒ“ Ｆｖ“ Ｆ Ｍ Ｏ １ Ｍ （＇ Ｍｙｏ Ｏ １ ０ Ｏ —Ｍｒ“ Ｍｙ“ Ｘ“ Ｏ １ Ｏ Ｏ Ｏ ＭｚＯ ｙ“ Ｘ“ Ｍｚｕ 作用力和力矩；Ｘｕ，Ｙｕ，Ｚｕ为ｕ点坐标。 ４）通过上述公式可以计算出每一个管道对支撑 件的作用力，然后整体评判或者分类评判这些作用 力是否满足要求。 ５）对于管道与汽缸接口处强度评判按照下面公 式及图３。 如表１所示，以及本体几何特征矩阵Ｍ。与ＨＩＰ模 块相连的管道有主蒸汽管道入口、高压缸排汽管道、 中压缸管道人口、中压管道排汽口、以及ＨＩＰ模块 上的抽汽管道５类管道。 表１支撑件的几何位置 罔３管道对汽缸接１７１作用力评判不意图 轴向合力Ｆ￣，ｏｔｔａｎ 一Ｉ Ｆ…，ｌ＋ 横向合力Ｆ…ｒｅｓｕｌ 一１ Ｆ… １＋ 』一１ 』 ２ 式中：Ｉ １，ｌ ２与管道接口位置相关。 图４汽轮机ＨＩＰ模块示意图 ２．３ 计算实例 现在以某电厂汽轮机机组高中压缸模块作为范 将管道对汽缸接口处的力和力矩带入到计算公 式中，可以得到所有管道对汽缸支撑件的作用力。 例，ＨＩＰ模块示意如图４所示，支撑件的几何位置 为了详尽地讨论管道对汽缸的作用力，除了考察所 ・ ７５ ・ 笙 鲞箜 塑 ２０１１年８月 湖 北 电 力 ３评价方法的优势 Ｖｏ１Ａ．３５№８ ｕｇ．２０１１ 有管道对汽缸支撑件的整体作用之外，还要将管道 分类考察。即对与汽缸相连的五类管道进行分别评 定。不论是整体作用还是分类作用均应满足允许 值。允许值如表２和表３所示。单个管道与汽轮机 相比于ＮＥＭＡ—ＳＭ２３标准，或者通常由汽轮 机厂家给出的允许力和力矩，本评价方法具有如下 优势： 接口处的强度校核允许值见表４。 ｒ—一０ 一０．０１８ —０．５００ ０．Ｏ１８ 一Ｄ．５ＤＯ ０．０５１ ０．０５１ —０．０６７ ０．０６７ ０．０００ ０．０００ ｛０． ． ～｝一Ｏ Ｏ．Ｏ１８ 踞 ∞∞ ０．０００ ０．０００—０．０５１ 一Ｏ．１５４ ——０．０５１ ０．１５４ ０．０００ ０．０００ ｒＭ］一Ｊ Ｉｌ ｌ ０． ０ ０．０１８ ０．０００ ０．０００ ～０．０００ ０．０００ ０．０００ ０．０００ ０．００００．０００ ——０．０７９ ０．０７９ ｌ一０ ０．ｆ Ｉ一０ Ｏ．５００ ０．５００ ０．０００ ０．０００ ０．０００ ０．０００ ０．０００ ０．０００ ０．０６４ —０．０６４ —表２ ＨＩＰ模块管道整体作用力的允许值 １）通过本方法能够详细地分析管道对汽缸的作 用。不仅能整体上评估所有管道对汽缸本体的作用 只要求将汽缸的重力用猫爪垂弧法或测力计测量法 按制造商提供的数值分配到各猫爪上，只进行空缸 力，而且还能分类讨论管道对汽缸本体的作用力。 在管道布置时同时考虑这两方面的因素，将会把管 道对汽轮机运行的影响降至最低。 ２）由于高中缸负荷分配就是要将汽缸的重力 （或加上其上连接管道的作用力）按一定的合理数值 时的负荷分配。通过本方法可以考察管道对高中压 缸四个猫爪的受力情况，可以通过管道设计将管道 产生的荷载均匀地分布到四个猫爪上。 ３）本评价方法提供了管道与汽缸接口处的强度 校核，补充了ＮＥＭＡ—ＳＭ２３中关于此处的校验公 式。 分配到各猫爪上，使各猫爪承受的荷载合理。一般 ・７６・
