涡轮管道:定义，工作原理，布局考虑，应力分析，NEMA SM 23(附PDF)

涡轮管道应力分析是管道设计中最关键的分析之一。这是由于以下原因

• 涡轮是应变敏感的，有较少的允许喷嘴负荷。
• 涡轮喷嘴附近支架的摩擦在很大程度上增加了载荷。
• 涡轮连接系统具有较高的流体温度。
• 需要在NEMA SM 23之后进行联合喷嘴研究，并且很难确定联合喷嘴负荷。
• 使用各种弹簧支架来限定喷嘴。

在本文中，我们将解释应力分析步骤后，简要讨论涡轮管道布局的注意事项。管道应力分析软件凯撒II用于涡轮管道的分析。

涡轮的定义

涡轮是一种旋转设备，通过旋转带叶片的转子，将运动流体的动能转化为机械能。在炼油厂、化学或石化工业中，涡轮机被用作其他机器(例如压缩机)的机械驱动器。涡轮机可以有如下所述的各种类型:

• 汽轮机
• 燃气轮机
• 跨音速涡轮
• Contra旋转涡轮
• 无定子涡轮
• 陶瓷涡轮
• 闭式涡轮
• 无叶冠涡轮
• Bladeless涡轮
• 水轮机
• 风力涡轮机

涡轮工作原理

蒸汽和燃气轮机基本上工作在冲动或反应哲学。

脉冲发电机改变高速流体或气体射流的流动方向。产生的脉冲使涡轮旋转，使流体流动的动能减小。涡轮转子叶片中的流体或气体没有压力变化，所有的压降都发生在固定叶片(喷嘴)中。

反应发电机通过对气体或流体的压力或质量做出反应来产生扭矩。当气体或流体通过涡轮转子叶片时，压力会发生变化。需要一个窗框来包含工作流体，因为它作用于涡轮级(s)，或涡轮必须完全浸入流体流动。

涡轮管道布局注意事项

• 在蒸汽轮机管道必须提供足够的灵活性，以弥补热
• 这些管线通过提供长管道、回路和弯管而承受高温时的应力。
• 管路布线应采用弯曲或焊接工艺，而不是法兰连接，以避免蒸汽管路泄漏。
• 所有主要区域的管道都必须由供应商完成。
• 所有蒸汽管道都应设置疏水阀，以避免冷凝水积聚。
• 所有燃气轮机管道通风口都应设置在高的、开放的、安全的区域。
• 膨胀波纹管可用于大直径、短跨度、刚性管道系统。(一般安装在涡轮出口喷嘴和冷凝器之间)
• 所有的支撑都是摩擦最小的，对于这个吊架支撑(不推荐用于非常高的垂直位移)和聚四氟乙烯垫可以使用。
• 对于涡轮管道，最好遵循正常支撑跨度的1 / 2或1 / 3倍。
• 应使用变异性较低的可变弹簧支架。由于凯撒公司没有考虑到负载的可变性，因此分析人员有责任将其保持在尽可能低的水平，以避免由于可变负载导致的反作用力和力矩转移到喷嘴连接上。
• 如果弹簧刚度较低，如固定弹簧的情况，则允许具有较大可变载荷的弹簧。底部安装的F型弹簧一般不应使用，以避免摩擦，如果使用特氟龙垫应提供。

涡轮管道模拟与应力分析程序

有两种类型的程序，可以遵循涡轮建模。

当喷嘴的移动/位移由供应商提供时:

在大多数情况下，涡轮喷嘴运动由供应商在数据表或GA图纸中提供。这样，Caesar建模就变得非常简单了。由供应商提供的喷嘴位移输入在喷嘴连接点(法兰点)到具有C- Node的设备，其余的管道必须按照正常建模
过程。但是，请记住，在输入凯撒II输入电子表格时，要考虑这些位移的正确方向。

当供应商没有提供喷嘴的移动/位移时:

当没有提供喷嘴位移时，必须根据供应商提供的设备GA图进行建模。所有详细的图纸和支持细节的尺寸应清楚地看到，以避免任何建模错误。

设备组件的主锚块是机器被刚性支撑的点。

本节通过一个说明性示例解释建模过程，以便正确理解。

凯撒倾倒(图1)附在下面显示了如何建模的涡轮与进口和排气喷管附加。在这里，我们将关联Caesar转储和Equipment GA绘图来模拟配置。

建模涡轮的步骤

• 模型元素10至20作为管道法兰，按照等距(南方向)，具有管道设计和操作参数。
• 在节点10上放置一个锚，C节点为1。
• 根据涡轮的温度和压力参数，模拟喷嘴法兰从1到3000。
• 从3000到3010，模型刚性元件(图2,3,4长度= 305mm)取涡轮的温度和压力参数。

• 从3010到3020，将排气喷嘴与进口喷嘴垂直向上的高差模拟为20mm(见图2和图3)。
• 模型元素从3020到3050向西(尺寸见图4 (538.2 mm))。
• 型号3050至3060的进口喷嘴向南(尺寸(478毫米)见图2)。
• 从3020模型一个刚性元件，长度= 148.5毫米，向东到3100(图3)。
• 从3100到3040建模一个垂直向下的单元长度=177.8 mm(见图3)。在3040放置一个锚点。(这一点是位置从涡轮总成是刚性支持)。

所有涡轮都可以按照GA图纸以这种方式建模。有一些困难的图纸安排，需要很多数据来清楚地了解设备如何放置。对于这个
目的:所有详细的图纸都应准备好，以避免任何建模
错误。

分析输出阶段

在对喷嘴进行位移建模时(当供应商提供位移时)，需要在工作工况(W+P1+T1+D1)和持续工况(W+P1+D2)中分别加入运动D1(工作工况下的位移)和运动D2(持续工况下的位移)。

其余与偶发荷载(如风荷载和地震荷载)相对应的荷载情况必须照常准备。

分析阶段的主要和最重要的部分是喷嘴负荷校核。NEMA SM23(用于涡轮)提供了指导方针和方程，有助于交叉验证喷嘴上的外部力矩和负载。涡轮的喷嘴要检查个别负荷以及
加载相结合。

在热分析和喷嘴负荷评估中，管道x轴(As
每凯撒)应与压气机(涡轮)轴轴线方向一致。

除此之外，Caesar II还在数据库中提供了NEMA SM23模块
通过这种方法，可以在软件的帮助下，简单地直接检查喷嘴负载。

根据NEMA SM-23检查喷嘴负载

对所有旋转设备进行以下三种类型的喷嘴负荷检查

A.单个涡轮喷嘴检查

在任何喷嘴连接处施加在涡轮上的总合力和总合力力矩不应超过下列值−

B.联合涡轮喷嘴负荷检查

进气、抽气和抽气的负荷和力矩的综合结果
排气连接解决在中心线的最大连接(主要是排气喷嘴)不应超过以下−

C.个别组件负载检查

每个喷嘴的独立分力不应超过以下值

凯撒II NEMA SM 23模块

凯撒II提供了一个内置的NEMA SM-23模块，以数字检查涡轮喷嘴负荷和提取报告。该模块的使用步骤如图8所示。

汽轮机管道应力分析的几个要点

• 确保阀门、法兰和任何在线项目的重量正确，并在应力图中标出重量。
• 分支管道(如滴管等)大于2英寸应包括在分析中。
• 仔细检查绝缘密度。
• 在使用弹簧支架的地方，定义弹簧速率和冷负荷。
• 对于涡轮(压缩机)管道系统，弹簧在锁定和解锁状态下的校准或WNC检查是强制性的。
• 很少有公司要求对涡轮机进行冷热检查。在这种情况下，从蒸汽集箱到第一个阻塞阀，考虑为线路温度，从阻塞阀到涡轮喷嘴，考虑为环境温度(不工作)，并按规范允许检查喷嘴负荷。

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