东方电气集团东方汽轮机有限公司 德阳 618000
摘要：本文以核电某机组的高压主汽调节阀支架为研究对象，研究了圆柱螺旋压缩弹簧设计、槽钢的稳定性计算以及支架的有限元分析。结果表明，该支架满足设计要求，性能优良。
关键词：支架；弹簧设计；稳定性计算；有限元分析
The Design of HP Main Steam Control Valve Bracket
DONG Hui
Dongfang Turbine Co.,Ltd. Deyang 618000
Abstract：This paper takes the high pressure main steam control valve bracket of a nuclear power unit as the research object, this paper mainly researches the design of cylindrical helical spring，the stability calculation of channel steel and the finite element analysis of bracket. The result shows that the bracket can meet the design requirements and its performance is well.
Key words: bracket; the design of spring; the stability calculation; the finite element analysis
1 引言
核能发电作为一种安全清洁的新能源已被世界许多国家所接受，它是继水、火电之后的一种技术最成熟、应用最广泛的新能源。鉴于核电的重要性以及人们对核电意外事故的恐慌，建设更加安全、可靠的核电显得尤为重要[1]。
高压主汽调节阀支架主要作用是支撑阀门。它是与预埋件通过地脚螺栓把和连接，通过顶开螺钉调节高度。支架是由多根槽钢与底板焊接而成，底板上支撑有弹簧支撑组件。本文以核电某机组为研究对象，通过强度设计安全性校核，为结构优化提供依据，以保证核电汽轮机的长期安全运行。
2 圆柱螺旋压缩弹簧设计
高压主汽调节阀支架中的圆柱螺旋压缩弹簧承受着较大的压缩载荷，而且安装空间有一定的限制，故采用两个同心套装弹簧支撑组件。弹簧支撑组件设有球面配合的垫块，允许阀门在水平方向移动。弹簧端部结构采用的是两端并紧并磨平的形式，两个弹簧通过上下两个弹簧支撑板对弹簧进行支撑与定位，内外弹簧在设计时有一定的高差，目的是通过调节载荷使内外两个弹簧所受的应力相近。
2.1 单个弹簧的计算方法
（1）选取合适的中径 ，首先根据弹簧支撑组件装配空间大小估计，再按照参考文献[2]中表11-2-9取标准值；
2.2 组合弹簧的设计理论
为了保证圆柱组合压缩螺旋弹簧的正常工作，充分发挥内、外层弹簧的作用，两层弹簧应选用相同的材料，同时为了保证圆柱组合压缩螺旋弹簧的同轴度，防止内、外层弹簧圈相互卡住，两层弹簧的旋向应相反[3]，并按以下几个基本要求进行设计。本文中外部大弹簧右旋，内部小弹簧左旋。
（1）内、外弹簧所受的剪应力应相等，但不大于弹簧的许用剪应力，即 。
（2）内、外弹簧的变形量应接近相等，实际所产生的变形量之差通过弹簧两端支撑面的结构进行调整。
（3）弹簧端部支撑面的结构应能防止内、外弹簧在工作中发生偏移。
（4）为了防止内、外弹簧在工作时相互接触以及便于装配，内、外弹簧间应留有一定的径向间隙 ，其中 。
综上，根据上述理论计算方法得出内、外弹簧工作特性表1。
表1 内、外弹簧工作特性表
图1 模型和局部网格
对支架的强度进行有限元分析。简化计算模型由三根槽钢、三块水平板和一个球面座组成。槽钢下端固定，球面座上端施加均匀压力，对称面上施加对称边界条件。槽钢与水平板、水平板与球面座间均为Tie连接。用ANSA进行网格划分，用Abaqus进行求解及后处理。边界条件、局部网格和坐标系如图1所示。
由图2可见，支架上最大应力为79MPa，位于槽钢右上角附近。水平板上最大应力为64MPa，球面座上最大应力为66MPa，均位于两者的交界附近。三个部件的最大应力均小于对应材料的屈服极限。
图3 模型的位移云图
由图3可见，支架上最大位移为0.21mm，位于水平板和球面座上。槽钢的右上区域变形相对较大，最大位移为0.12mm。三个部件的变形较小。
5 结论
本文研究了圆柱螺旋压缩弹簧设计，得出了弹簧的主要技术参数。计算了槽钢的稳定性，结果表明槽钢所承受的载荷远远小于其失稳载荷，设计的支架满足稳定性要求。最后对支架进行了有限元分析，支架上三个部件的最大应力均小于对应材料的屈服极限，且支架的变形较小。该高压主汽调节阀支架满足设计要求，性能优良。
参考文献
[1]胡志强,徐嗣华,王威.某核电汽轮机及其弹簧基础的抗震性能分析[J].热力透平,2014.3
[2]成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2008.1
[3]刘泽深.圆柱组合压缩螺旋弹簧的优化设计[J].山东交通学院学报,2002.11.