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近年來，隨著百萬千瓦等級汽輪機組的涌現(xiàn)，作為輔助系統(tǒng)中的重要設(shè)備—冷凝器也因為熱負荷的增加而隨之大型化。水室是冷凝器水側(cè)的重要組成部分，是引導冷卻水進入和離開冷卻管的部件。冷凝器的大型化發(fā)展，對冷凝器的水室設(shè)計也提出了新的要求，為了保證不同的運行參數(shù)、流程布置以及其他功能，大型電站冷凝器水室優(yōu)化設(shè)計與分析工作變得越來越重要，設(shè)計良好的水室結(jié)構(gòu)應(yīng)該保證進入各冷卻管的水量均勻，同時具有足夠的強度，需要進行有限元分析。
目前，大型冷凝器的水室均由碳鋼鋼板焊接而成，水室的外形和結(jié)構(gòu)主要決定于管板管束的外形，冷卻水流程數(shù)、設(shè)計壓力等因素。大型冷凝器水室主要有楔形水室、半圓柱形水室、弧形水室等，其形狀如圖所示。各種類型的水室均有優(yōu)缺點，根據(jù)設(shè)計要求的不同可以進行適當?shù)倪x擇。從加工難度和管束檢修的角度看，楔形水室加工簡單，檢修管束時只需拆卸水室蓋板，適當?shù)剡x擇斜度，能夠使管束內(nèi)的冷卻水分布比較均勻，但是承壓能力不如其他兩種水室。在設(shè)計壓力高于0.35 MPa時宜選用后兩種水室結(jié)構(gòu)圓柱形水室強度較好，形狀簡單，加工容易，節(jié)省材料。單流程的圓柱形水室上部采用圓弧頂板，可以減小冷卻水在水室內(nèi)的流動阻力，缺點是體積大，檢修管束時需要移動整個水室，需要的較大的檢修空間。圓弧形水室可以由三面圓弧組成，整個水室的體積可以在保證冷卻水流速的基礎(chǔ)上做得盡量小巧，強度好，節(jié)約材料，節(jié)省檢修空間，但圓弧板的加工焊接有一定的難度。因此，較大的設(shè)計壓力是水室形狀選擇需要考慮的首要因素，哈汽生產(chǎn)的機組目前水室設(shè)計壓力最高的達到0.7 MPa。
確定水室基本外形后，根據(jù)采用的管束形式，采用全三維模擬計算，進行流動性能分析。使用Unigraphics NX建立水室計算的三維模型，導入Ansys Ican CFD中繪制計算網(wǎng)格，然后使用CFX進行計算分析，完成水室局部結(jié)構(gòu)和冷卻水進出口的位置的調(diào)整工作，使到達管板孔端上的水流壓力、速度分布盡量均勻，保證冷凝器管束具有良好的換熱效率，提高電站運行的經(jīng)濟性。分析結(jié)果表明，在管板前方的平面上，水流壓力、速度分布均勻，在冷卻水入口處，產(chǎn)生的渦流區(qū)域較小，水室流動特性較好，如圖所示。
大型圓弧水室的殼體結(jié)構(gòu)比較復雜，對于校核一些不規(guī)則結(jié)構(gòu)的強度問題，原有的經(jīng)驗公式計算結(jié)果不夠精確，采用有限元分析則比較準確直觀。由于本水室是典型的板殼式結(jié)構(gòu)，為簡化計算，可以考慮二維殼單元網(wǎng)格代替三維實體網(wǎng)格進行有限元分析。以三面圓弧水室圖分析為例，將圓弧板、側(cè)板以及肋板用三角形殼單元對模型進行劃分，加強管采用一維梁單元進行劃分，并根據(jù)結(jié)構(gòu)的實際情況控制網(wǎng)格尺寸，這種簡化目的是在滿足計算精度要求的基礎(chǔ)上大大提高計算效率。
為邊界條件和初始荷載賦值后，對該水室進行分析，對分析結(jié)果中Von Mises應(yīng)力分布云圖，在整個圓弧板和側(cè)板上大部分的區(qū)域應(yīng)力分布在許用值以下，但是在圓弧板與側(cè)板焊接處卻有很大一部分出現(xiàn)了較高的應(yīng)力值，這些高應(yīng)力的區(qū)域是危險的。其產(chǎn)生的原因是兩個側(cè)板的變形較大。為此，對水室結(jié)構(gòu)進行了改進，在水室內(nèi)部兩個側(cè)板之間增加了加強拉桿，通過約束側(cè)板的變形，來達到減小圓弧板與側(cè)板焊接處應(yīng)力的目的。通過分析結(jié)果的比較看，圓弧板上應(yīng)力以及位移的變化趨勢沒有發(fā)生很大變化，但優(yōu)化后整體的應(yīng)力以及位移值都有一定程度的減小。加強管很好的起到了約束側(cè)板變形的作用，使得側(cè)板的上的位移大小明顯降低。同時很好地改善了焊接處應(yīng)力較大的問題。
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