接管结构补强计算在高中压缸设计中的应用
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?Q0.37和d/D×（D/T）0.5?Q1.2a
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?Qri?QT?/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。
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