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摘要：超超临界锅炉强制循环泵电机的设计压力、设计温度都很高。其中隔热屏是为电机提供稳定、合理的工作环境的关键部件。隔热屏承受内部、两侧的水压力，虽然有支撑环帮助支撑，但是支撑的效果应该如何并不清楚。如何模拟仿真的更准确成为了计算强制循环泵电机的关键。本文中进行了多种情况的有限元计算，并对计算方法进行对比，得出最准确的计算方法。
关键词：超超临界锅炉；强制循环泵电机；结构分析；计算方法对比
引言：
本项目所设计生产的强制循环泵电机，为我公司的首台达到如此规模的强制循环泵电机。该泵的设计压力超过30MPa，设计温度超过300℃，都比原有产品高出很多。在改进原有结构的过程中，很多部件需要大改动。其中隔热屏的位置与泵相邻，其工作温度最高，需要做精确的结构分析计算，以保证电机在如此高温高压工况下可以稳定安全的运行。为了做到计算的精确，数次改进边界条件及载荷加载，从而得到最终的最为合理的结果。
一、计算模型
（一）结构介绍
隔热屏-支撑环结构，处于强制循环泵与电机定子机座之间。隔热屏与支撑环之间填充有隔热材料，起到隔阻泵端热量传导到电机端的作用。其中隔热屏内部、一次水管、二次水管内充满水，承受水压力。支撑环在隔热屏外侧，两端与隔热屏内侧接触。
（二）计算工况
本文仅以设计条件为例，做分析和对比。可以预料由于水压试验工况的水压力是设计条件的1.5倍，计算得出的应力会大于设计图条件。而水压试验工况时的温度只是室温并不是300+℃的高温，该温度下材料的许用应力比300+℃时高很多。为充分考虑温度的影响，所以本文仅讨论设计条件。
（三）边界条件与载荷
隔热屏一侧与泵相邻，另一侧与电机定子相邻。由于隔热屏轴向两端所受的水压力相等，受压面积不同，泵一侧的面积大于电机定子一侧。所以约束与定子的接触面的轴向位移。在所有受水压处加载设计水压力。在本次分析中并没有温度变化，所以无需考虑设计温度的影响，不用加载温度。
（四）接触及有限元模型
支撑环两端与隔热屏中有一定的安装间隙，并安装在隔热屏内。在支撑环与隔热屏的接触面设置安装间隙，模拟间隙安装配合。有限元模型如下：
二、计算结果
使用ANSYS workbench 17.1计算隔热屏的一次应力。
根据ASME VIII 第二册评定计算结果：一次局部薄膜应力，一次薄膜+弯曲应力。计算结果满足，但是不满足。
二、分析计算方法修正
由于计算结果不满足规范的要求，对结构进行了改进，并且重新计算。
（一）
增加隔热屏的内壁厚度。重新计算的结果：一次薄膜应力、一次薄膜加弯曲应力均减小10MPa左右。改进有一定效果，但是离规范的要求还有很大差距。如果继续增加内壁厚度，应力有可能会满足规范要求。但是隔热材料的放置空间将大大减小，很可能不再满足隔热的需要面积。改进不成功。
（二）
增加隔热屏的轴向壁厚度，即增加高应力一侧的轴向壁厚，减薄另外一侧的厚度。这样既能增加隔热屏受弯位置的截面面积，又可以保证隔热材料的面积不受影响。重新计算的结果：一次薄膜应力减小20MPa左右、一次薄膜加弯曲应力减小40MPa左右。改进效果好于单纯增加内壁厚度，但是一次薄膜加弯曲应力还是不满足规范的要求。
（三）
增加隔热屏受弯位置的截面面积的方法虽然有效果，却都不理想。修改结构的方向可能并不正确。重新检查边界条件、载荷、接触的过程中发现，支撑环与隔热屏直接的间隙导致隔热屏单独承受水压力，支撑环的支撑效果很小。然而实际情况是，在泵的整体装配后，由于主螺栓的拉力支撑环与隔热屏接触紧密，不存在原有的安装间隙。改进取消隔热屏与支撑环之间间隙重新计算的结果：一次薄膜应力、一次薄膜加弯曲应力均满足规范要求。
三、计算结果准确性
计算结果是否准确，当然不取决于结果是否满足规范要求，而是取决于计算边界条件、加载、接触以及计算结果是否比较真实的反应出计算工况下的应力、位移状态。从前文可以看到，最初的计算方法以及前二条改进方法虽然边界条件和载荷都没有任何错误。但是接触的参数设置失误，导致有限元计算中考虑了本来实际上并不存在的配合间隙，人为的减弱了支撑环的支撑作用。使得最终的计算结果隔热屏的应力就比真实值高出很多。所以最后一种改进方法应该是最接近真实情况的，准确性也是最高的。
结论
本文以有限元软件作為分析手段，以超超临界锅炉强制循环泵电机隔热屏为分析对象，对比了几种改进方法、分析方法的计算结果，得到以下结论：
（1）通过增加隔热屏内壁厚度、增加隔热屏轴向壁厚，从而增加受弯位置的面积的方法的确可以降低受弯位置的应力水平，从而提高隔热屏的承压能力。但是壁厚不能增加过多，否则产生其他不良影响（如，减小隔热材料的面积），轴向位置也不能过多移动，否则影响其它孔、管路的位置。
（2）对于整个隔热屏-支撑环结构，支撑环的支撑效果与其两端和隔热屏的配合间隙关系较大。不充分考虑支撑环的支撑效果是不正确的。取消隔热屏与支撑环之间间隙是比较真实的模拟支撑环的实际工作状态，使其产生充分的支撑作用。
（3）最终的计算结果也显示隔热屏-支撑环结构的承压效果合理可靠，即使使用在超超临界锅炉中仍然有一定的裕量。
参考文献：
[1]张志莉 高温高压屏蔽电泵隔热屏隔热计算方法及分析[J] 科技创新与生产力 2015
[2]杨文鹄 锅炉受压部件的强度评定[J] 锅炉技术 1978（04）
[3]ASME锅炉及压力容器规范 第八卷 第二册 压力容器建造另一规则 [M] ASME锅炉及压力容器委员会压力容器分委员会 2004：46-86
作者简介：
巩魁鑫 男 2005年毕业于哈尔滨工程大学工程力学专业，现从事第二代、第三代核主泵电机、大中型交、直流电动机结构计算工作。
关键词：超超临界锅炉；强制循环泵电机；结构分析；计算方法对比
引言：
本项目所设计生产的强制循环泵电机，为我公司的首台达到如此规模的强制循环泵电机。该泵的设计压力超过30MPa，设计温度超过300℃，都比原有产品高出很多。在改进原有结构的过程中，很多部件需要大改动。其中隔热屏的位置与泵相邻，其工作温度最高，需要做精确的结构分析计算，以保证电机在如此高温高压工况下可以稳定安全的运行。为了做到计算的精确，数次改进边界条件及载荷加载，从而得到最终的最为合理的结果。
一、计算模型
（一）结构介绍
隔热屏-支撑环结构，处于强制循环泵与电机定子机座之间。隔热屏与支撑环之间填充有隔热材料，起到隔阻泵端热量传导到电机端的作用。其中隔热屏内部、一次水管、二次水管内充满水，承受水压力。支撑环在隔热屏外侧，两端与隔热屏内侧接触。
（二）计算工况
本文仅以设计条件为例，做分析和对比。可以预料由于水压试验工况的水压力是设计条件的1.5倍，计算得出的应力会大于设计图条件。而水压试验工况时的温度只是室温并不是300+℃的高温，该温度下材料的许用应力比300+℃时高很多。为充分考虑温度的影响，所以本文仅讨论设计条件。
（三）边界条件与载荷
隔热屏一侧与泵相邻，另一侧与电机定子相邻。由于隔热屏轴向两端所受的水压力相等，受压面积不同，泵一侧的面积大于电机定子一侧。所以约束与定子的接触面的轴向位移。在所有受水压处加载设计水压力。在本次分析中并没有温度变化，所以无需考虑设计温度的影响，不用加载温度。
（四）接触及有限元模型
支撑环两端与隔热屏中有一定的安装间隙，并安装在隔热屏内。在支撑环与隔热屏的接触面设置安装间隙，模拟间隙安装配合。有限元模型如下：
二、计算结果
使用ANSYS workbench 17.1计算隔热屏的一次应力。
根据ASME VIII 第二册评定计算结果：一次局部薄膜应力，一次薄膜+弯曲应力。计算结果满足，但是不满足。
二、分析计算方法修正
由于计算结果不满足规范的要求，对结构进行了改进，并且重新计算。
（一）
增加隔热屏的内壁厚度。重新计算的结果：一次薄膜应力、一次薄膜加弯曲应力均减小10MPa左右。改进有一定效果，但是离规范的要求还有很大差距。如果继续增加内壁厚度，应力有可能会满足规范要求。但是隔热材料的放置空间将大大减小，很可能不再满足隔热的需要面积。改进不成功。
（二）
增加隔热屏的轴向壁厚度，即增加高应力一侧的轴向壁厚，减薄另外一侧的厚度。这样既能增加隔热屏受弯位置的截面面积，又可以保证隔热材料的面积不受影响。重新计算的结果：一次薄膜应力减小20MPa左右、一次薄膜加弯曲应力减小40MPa左右。改进效果好于单纯增加内壁厚度，但是一次薄膜加弯曲应力还是不满足规范的要求。
（三）
增加隔热屏受弯位置的截面面积的方法虽然有效果，却都不理想。修改结构的方向可能并不正确。重新检查边界条件、载荷、接触的过程中发现，支撑环与隔热屏直接的间隙导致隔热屏单独承受水压力，支撑环的支撑效果很小。然而实际情况是，在泵的整体装配后，由于主螺栓的拉力支撑环与隔热屏接触紧密，不存在原有的安装间隙。改进取消隔热屏与支撑环之间间隙重新计算的结果：一次薄膜应力、一次薄膜加弯曲应力均满足规范要求。
三、计算结果准确性
计算结果是否准确，当然不取决于结果是否满足规范要求，而是取决于计算边界条件、加载、接触以及计算结果是否比较真实的反应出计算工况下的应力、位移状态。从前文可以看到，最初的计算方法以及前二条改进方法虽然边界条件和载荷都没有任何错误。但是接触的参数设置失误，导致有限元计算中考虑了本来实际上并不存在的配合间隙，人为的减弱了支撑环的支撑作用。使得最终的计算结果隔热屏的应力就比真实值高出很多。所以最后一种改进方法应该是最接近真实情况的，准确性也是最高的。
结论
本文以有限元软件作為分析手段，以超超临界锅炉强制循环泵电机隔热屏为分析对象，对比了几种改进方法、分析方法的计算结果，得到以下结论：
（1）通过增加隔热屏内壁厚度、增加隔热屏轴向壁厚，从而增加受弯位置的面积的方法的确可以降低受弯位置的应力水平，从而提高隔热屏的承压能力。但是壁厚不能增加过多，否则产生其他不良影响（如，减小隔热材料的面积），轴向位置也不能过多移动，否则影响其它孔、管路的位置。
（2）对于整个隔热屏-支撑环结构，支撑环的支撑效果与其两端和隔热屏的配合间隙关系较大。不充分考虑支撑环的支撑效果是不正确的。取消隔热屏与支撑环之间间隙是比较真实的模拟支撑环的实际工作状态，使其产生充分的支撑作用。
（3）最终的计算结果也显示隔热屏-支撑环结构的承压效果合理可靠，即使使用在超超临界锅炉中仍然有一定的裕量。
参考文献：
[1]张志莉 高温高压屏蔽电泵隔热屏隔热计算方法及分析[J] 科技创新与生产力 2015
[2]杨文鹄 锅炉受压部件的强度评定[J] 锅炉技术 1978（04）
[3]ASME锅炉及压力容器规范 第八卷 第二册 压力容器建造另一规则 [M] ASME锅炉及压力容器委员会压力容器分委员会 2004：46-86
作者简介：
巩魁鑫 男 2005年毕业于哈尔滨工程大学工程力学专业，现从事第二代、第三代核主泵电机、大中型交、直流电动机结构计算工作。