刚培显

摘 要：针对汽轮机转子吊梁经验设计周期长、材料利用率低、安全裕度大、低应力区较多等问题，本研究使用Solidworks建立数字模型，在ANSYA环境下进行静力分析及拓扑优化设计，以质量减少百分比为目标函数，进行ANSYS迭代计算优化，通过对比优化前、后的结构应力、应变及变形，为汽轮机转子吊梁的截面选择和轻量化设计提供有效指导。

关键词：转子;双H截面;拓扑优化;有限元;轻量化

中图分类号：TH213文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）02-0012-03

Abstract：In view of the long experience design period， low material utilization rate， large safety margin and many low stress areas of the turbine rotor lifting beam， Solidworks was used to establish a digital model in this study， static analysis and topology optimization design were carried out under the environment of ANSYA， taking the mass reduction percentage as the objective function， ANSYS iterative calculation optimization was carried out， andthe structural stress， strain， and deformation before and after optimization were compared， which provided guidance for the section selection and lightweight design of turbine rotor lifting beam.

Keywords： rotor;double H-section;topology optimization;finite element;lightweight

汽輪机是现代火力发电厂的主要设备，其稳定高效的运行对国民经济发展和环境改善具有十分重要的意义。汽轮机转子是汽轮机最为精密的核心部件之一，主要由主轴、叶轮和动叶等部分组成[1]，在机组通流内部的高温蒸汽中高速旋转运行，承受高强应力并给发电机转子传递扭矩。转子设计要求具有很高的强度、刚度和动静平衡度，所有表面均由精加工而成，在搬运吊装、运输存放、安装检修等各过程环节中要保证绝对的安全可靠，任何的划伤磕碰、外力撞击或不恰当的吊运都有可能造成不可接受的质量缺陷，造成高昂的返修费用，甚至是转子报废或工期延误，给企业带来严重的经济损失[2-3]。

1 现状调查分析

汽轮机转子件大体重，尺寸精准，配合严密，其轴向跨度大，圆周密集分布高精度叶片，没有专设吊装点，主要靠两端轴颈部位作临时吊点进行保护性起吊。在汽轮机组安装、检修过程中，需要频繁地进行转子吊装，使其转移存置、调整就位，这就对转子吊具的强度、刚度及安全度提出了严格的要求，以保证转子在吊装过程中安全可靠，万无一失。

目前，国内成熟的商品化汽轮机转子吊具较少，大多是用户靠经验公式或类比自主设计，多数也没有进行深入的理论优化研究。受制造成本和自有生产条件的限制，转子吊具多为双H截面一字梁结构，安全裕度较大，存在低应力区较多的问题，有很大的设计优化空间。而在工程施工中，国外的圆环状截面吊梁也较为多见，与国内的等条件吊梁相比，具有体积较小、自重较轻、额定载荷较大的优势。

2 转子吊梁的受力分析

如图1所示，该吊梁可以简化为受集中力载荷、带悬臂的简支梁，主要承受自身及吊索的重力和被吊物转子的重力，其他外力因素在此不考虑。

3 结构尺寸设计

3.1 截面形状选择

根据以上对转子吊梁的受力状态分析及计算公式，在其他同等条件下，吊梁的截面惯性矩决定了其抗弯和抗扭的刚度值，而截面惯性矩的大小由截面形状决定。本文对最常见的圆形和双H形截面进行对比，在截面积相等的限制条件下，分别计算得出其惯性矩，如图2所示。结果发现，双H形截面比圆形截面抗弯抗扭性好，同等条件下，更能节约材料，质量更轻，因此，从优化设计角度考虑，要优先选用双H形截面梁。

3.2 截面尺寸设计

根据经验设计，受弯扭横梁的截面高度一般取跨度的1/12～1/8，截面宽度可取其高度的0.5～1.0，从成本上考虑，梁高/弯矩取4.2～4.6比系数最为经济。以某主机厂300 MW反冲结合汽轮机组低压转子为例，转子设计输入参数及初步确定的截面尺寸如图3所示。

3.3 材质选择

材质为普通碳素钢Q235B，密度[ρ]=7.85×103  kg/m3，屈服强度[σs]=235 MPa，泊松比为0.3，弹性模量[E]=200 GPa，安全系数[n]=5。

4 转子吊梁建模和有限元分析

4.1 三维建模

在Solidworks中建立全尺寸三维模型，取双H形梁截面，其截面尺寸如图4所示，忽略对静力分析结果影响较小的特征因素，以高效化地进行网格分析及有限元计算。

4.2 有限元分析

模型导入ANSYS Workbench进行前处理分析，选取结构钢材料模型，设置材料力学性能参数[4-5]，弹性模量为200 GPa，泊松比为0.3。网格采用六面体单元划分，考虑计算效率和精度网格取100 mm，获得节点13 721个和单元2 380个。按照实际工况载荷及吊装位置，加载集中力载荷850 000 N，考虑自重影响，忽略钢丝绳及绳吊以上的部分，近似简化钢丝绳吊点处为固定约束，如图5所示。

4.3 求解云图

如图6所示，以经验等截面梁设计，吊梁整体安全裕度较大，存在较多的低应力区，材料利用率较低，有较多的材料冗余。

5 拓扑优化

使用Shape Optimization进行轻量化设计，以减轻20%为优化目标，进行迭代求解，红色部分是被允许可以优化的区域。综合考虑设计制造成本及工艺条件，采用SpaceClaim进行几何处理，优化重建几何建模，如图7所示。

6 优化设计验证

在静力分析模块下导入优化后的转子吊梁模型，进行静力强度计算，得出计算云图，如图8所示。

7 结果分析

对转子吊梁拓扑轻量优化前、后的计算数据，进行分析对比，如表1所示。

8 结语

通过对汽轮机转子吊梁的受力分析，由理论力学公式计算得出，在同等截面积下，双H形截面比正圆环截面的惯性矩大，因此转子吊梁的截面取双H形，它优于圆形截面。在双H形等截面梁的基础上，采用ANSYS静力分析并拓扑优化计算，找出可优化区域并量化分析，为设计人员指出轻量化设计的优化方向和可借鉴的设计方法，提高材料的利用率，从设计源头节约材料，减少浪费。

参考文献：

[1]成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2007.

[2]朱耀祥，浦林祥.现代夹具设计手册[M].北京：机械工业出版社，2009.

[3]郭延秋.大型火电机组检修实用技术丛书：汽轮机分册[M].北京：中国电力出版，2003.

[4]郭中泽，张卫红，陈裕泽.结构拓扑优化设计综述[J].机械设计，2007（8）：1-6.

[5]王新.ANSYS工程结构数值分析[M].北京：人民交通出版社，2007.