600MW超臨界汽輪機受損轉(zhuǎn)子熱力耦合有限元分析

唐遠富，陳紅冬，彭碧草，劉純，龍毅

(國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學研究院，長沙市 410007)

600MW超臨界汽輪機受損轉(zhuǎn)子熱力耦合有限元分析

唐遠富，陳紅冬，彭碧草，劉純，龍毅

(國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學研究院，長沙市 410007)

600 MW超臨界機組汽輪機高、中壓轉(zhuǎn)子蒸汽參數(shù)高，轉(zhuǎn)速高，工作環(huán)境惡劣，在運行過程中產(chǎn)生很大的應力變化，某600 MW超臨界機組由于某些原因?qū)е罗D(zhuǎn)子斷油燒瓦，嚴重影響到機組的安全運行。為了掌握轉(zhuǎn)子的應力狀態(tài)，保障轉(zhuǎn)子安全運行，采用有限元軟件ANSYS APDL對轉(zhuǎn)子在冷態(tài)啟動工況下進行有限元計算?；诠こ虩崃W計算，求解轉(zhuǎn)子各級的對流放熱系數(shù)，將其作為邊界條件加載到有限元模型上，進行溫度場的計算和分析，然后通過采用熱結(jié)構(gòu)間接耦合法對轉(zhuǎn)子的應力場進行計算分析，得到轉(zhuǎn)子冷態(tài)啟動過程的應力分布和應力集中的部位。計算結(jié)果表明，受損轉(zhuǎn)子切削處理后等效應力小于屈服應力，但在調(diào)節(jié)級根部凹槽、擋油環(huán)與軸頸附近應力水平較大，此結(jié)論可為受損轉(zhuǎn)子的安全性評估及壽命管理提供技術(shù)支撐。

超臨界汽輪機；受損轉(zhuǎn)子；冷態(tài)啟動；有限元分析

0 引 言

汽輪機轉(zhuǎn)子在高轉(zhuǎn)速、高溫、高壓、蒸汽環(huán)境等惡劣條件下工作，由于頻繁的啟停、變負荷，機組要經(jīng)常承受大幅度的溫度變化，從而使汽輪機轉(zhuǎn)子產(chǎn)生交變機械應力和熱應力，導致內(nèi)部產(chǎn)生低周疲勞損耗，萌生裂紋，縮短整個機組的使用壽命[1-2]。在穩(wěn)態(tài)運行工況下，轉(zhuǎn)子關鍵部位也承受較大的離心力，轉(zhuǎn)子各級之間溫度差引起的熱應力也較大。如今小型火電機組逐漸被淘汰，高參數(shù)、大容量的超(超)臨界機組得到普遍應用，其運行參數(shù)更高，運行環(huán)境更加惡劣，安全性要求更高[3]。近年來，國內(nèi)發(fā)生了多次斷油燒瓦、軸承潤滑油系統(tǒng)缺陷等事故[4-5]，引起軸瓦損壞、汽封片磨損、軸頸磨損等損傷，更嚴重的可導致汽輪機大軸因永久彎曲和產(chǎn)生裂紋而報廢。為了保障汽輪機的安全穩(wěn)定運行，有必要掌握超臨界機組在運行過程中的溫度分布和應力變化規(guī)律，為轉(zhuǎn)子的安全性評估及壽命管理提供技術(shù)支撐[6]。由于汽缸內(nèi)高溫、高壓的惡劣環(huán)境及轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的復雜性，依據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)條件，轉(zhuǎn)子溫度場和應力場很難直接測量，一般是通過建立模型計算分析得到。對于轉(zhuǎn)子溫度場及熱應力求解的數(shù)學模型通常分為：(1)解析模型，由導熱微分方程式出發(fā)，采用積分變換的方法導出溫度的迭代計算公式進而求得熱應力；(2)數(shù)值模型，將轉(zhuǎn)子的連續(xù)結(jié)構(gòu)體離散化，采用一系列代數(shù)方程來代替微分方程，進而導出其溫度及熱應力的計算公式[7-8]。

本文以某600 MW超臨界機組高、中壓受損轉(zhuǎn)子為研究對象，采用有限元軟件ANSYS APDL建立有限元模型，對受損轉(zhuǎn)子在冷態(tài)啟動過程中的溫度場和應力場進行計算分析，以期為運行人員提供參考。

1 轉(zhuǎn)子有限元模型

在汽輪機冷態(tài)啟動過程中，隨著轉(zhuǎn)子表面溫度和蒸汽參數(shù)的變化，轉(zhuǎn)子溫度分布嚴重不均，產(chǎn)生軸向和徑向溫差，從而產(chǎn)生熱應力。

1.1 受損轉(zhuǎn)子描述

某600 MW超臨界機組發(fā)生斷油燒瓦事故后，對機組轉(zhuǎn)子進行了返廠處理，對大軸軸頸、擋油環(huán)、汽封等部位進行了加工，其中對高、中壓轉(zhuǎn)子調(diào)端和電端擋油環(huán)，低壓轉(zhuǎn)子軸頸進行了加熱車削。

1.2 材料特性

高、中壓轉(zhuǎn)子材料為30CrMoV，其物理特性如表1所示。機組變工況下，材料的物理特性隨時間變化，材料的應力和應變是非線性的動態(tài)關系，在使用ANSYS對轉(zhuǎn)子進行熱力耦合分析時，將表1的物理特性參數(shù)輸入到ANSYS的材料數(shù)據(jù)文件中，ANSYS會將其作為初始條件，在有限元計算過程中根據(jù)溫度自動插值，從而得到轉(zhuǎn)子有限元模型各單元在相應溫度下的物理特性參數(shù)[9]。

表130CrMoV材料的物理特性

Tab.1Physicalpropertiesof30CrMoV

1.3 網(wǎng)格劃分

本文采用APDL參數(shù)化建模[10]，溫度場使用二維八節(jié)點PLANE77單元，應力場使用二維八節(jié)點PLANE183單元，在進行溫度場計算后，采用熱結(jié)構(gòu)間接耦合法計算轉(zhuǎn)子熱應力。由于應力主要集中在轉(zhuǎn)子進氣端葉輪根部的過渡區(qū)、軸肩以及凹槽等部位，而且這些部位有時可能會有很大熱應力，因此在整體劃分網(wǎng)格的基礎上，對這些部位網(wǎng)格進一步細化，以提高計算精度，整個模型如圖1所示。由于重點考察整段轉(zhuǎn)子的溫度場和應力場，為了降低建模的復雜性，在建立幾何模型時，葉片產(chǎn)生的離心力采用加載等效質(zhì)量塊的簡化方法加載到轉(zhuǎn)子上[11]。

圖1網(wǎng)格劃分

Fig.1Meshing

1.4 邊界條件

轉(zhuǎn)子左、右端面是整段轉(zhuǎn)子在汽缸外的截斷面，其與空氣之間的換熱系數(shù)很小，作絕熱處理；轉(zhuǎn)子內(nèi)表面作絕熱邊界處理；轉(zhuǎn)子左、右軸頸部位溫度略高于軸承回油溫度，回油溫度在整個計算過程中保持恒定，作為第1類邊界條件；轉(zhuǎn)子外表面的溫度邊界條件由蒸汽對轉(zhuǎn)子表面的換熱速度決定，屬于已知表面換熱系數(shù)和流體溫度的第3類邊界條件(對流邊界條件)。

機組變工況時，轉(zhuǎn)子各部位與蒸汽的換熱系數(shù)隨時間、蒸汽參數(shù)的變化而變化[12-13]。不同部位的換熱系數(shù)也存在較大差別，一般采用經(jīng)驗公式來計算不同部位的換熱系數(shù)，本文采用前蘇聯(lián)換熱系數(shù)計算經(jīng)驗公式[14]。

在應力場計算中，轉(zhuǎn)子主要受到溫差引起的熱應力和轉(zhuǎn)速引起的離心力作用。軸表面為流體表面壓力邊界條件，轉(zhuǎn)子左、右支持軸承軸頸處徑向約束，轉(zhuǎn)子左端由于有止推軸承，左端端面軸向約束，其余部分軸向、徑向均可自由膨脹。熱應力分析中采用各向同性熱彈性材料模式。

2 計算結(jié)果與分析

圖2為某600 MW超臨界機組冷態(tài)啟動曲線，圖3給出了受損轉(zhuǎn)子在啟動后20 min和啟動結(jié)束時刻的溫度分布云圖。由圖2、3可知，調(diào)節(jié)級區(qū)域受主蒸汽流的影響，是啟動過程中溫度變化比較劇烈的區(qū)域，在啟動初期調(diào)節(jié)級溫升率較大，隨著暖機進行，溫升率降低。

圖4為啟動20 min后完好的高、中壓轉(zhuǎn)子與受損的高、中壓轉(zhuǎn)子等效應力分布云圖，最大等效應力均為521 MPa，發(fā)生在調(diào)節(jié)級根部凹槽處，其原因為此時為升速、機階段，轉(zhuǎn)子溫度變化劇烈，產(chǎn)生較大的熱應力。

圖2 600 MW超臨界機組冷態(tài)啟動曲線

圖3 受損轉(zhuǎn)子溫度分布云圖

圖5給出了啟動結(jié)束時完好轉(zhuǎn)子與受損轉(zhuǎn)子等效應力分布云圖，最大等效應力分別為493、536 MPa，均出現(xiàn)在擋油環(huán)與電端軸頸交接附近，此刻溫度分別為210、171 ℃，均小于屈服強度。受損轉(zhuǎn)子與完好轉(zhuǎn)子等效應力相差較大，主要是熱應力的變化。由于擋油環(huán)僅切削減薄4 mm，對離心力影響不會太大。軸頸段溫度在整個啟動過程保持恒定，在轉(zhuǎn)子傳熱的影響下，受損轉(zhuǎn)子的軸頸段與擋油環(huán)段的溫差比完好轉(zhuǎn)子大，熱應力更大。

圖5 啟動結(jié)束時轉(zhuǎn)子等效應力分布云圖

轉(zhuǎn)子調(diào)節(jié)級根部凹槽最大等效應力隨時間變化如圖6所示，由圖6可知，在整個啟動過程，完好轉(zhuǎn)子與受損轉(zhuǎn)子調(diào)節(jié)級凹槽的等效應力最大值均為521 MPa，兩者隨時間變化的應力曲線基本一致，都是在啟動初期迅速增大，之后減少再增大，最后減少至一定值后趨于穩(wěn)定。擋油環(huán)處于軸頸附近，車削處理對調(diào)節(jié)級處的放熱系數(shù)、離心力影響不大，所以對調(diào)節(jié)級凹槽處應力分布影響較少。

圖6 冷態(tài)啟動過程轉(zhuǎn)子調(diào)節(jié)級根部凹槽最大等效應力隨時間變化

在整個冷態(tài)啟動過程中，等效應力最大值的位置隨著啟動過程有所變化，而不是固定于某個特定位置。圖7為冷態(tài)啟動過程轉(zhuǎn)子最大等效應力隨時間變化，由圖7可知，兩者變化趨勢一致，在啟動起始時刻最大等效應力分別為318、333 MPa，等效應力最大值出現(xiàn)在擋油環(huán)與軸頸交接處，在5～45 min這段時間，等效應力最大值出現(xiàn)在調(diào)節(jié)級根部凹槽處。在172～380 min時段，由于擋油環(huán)與軸頸處溫差逐漸增大，等效應力逐漸增大。在啟動終了時刻擋油環(huán)與軸頸處的溫差最大，熱應力最大。172 min以后，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在3 000 r/min，電端擋油環(huán)切削后轉(zhuǎn)子的離心力基本不變，但此處的對流放熱系數(shù)減少，但此處的對流放熱系數(shù)減少，在同樣的啟動工況下，受損轉(zhuǎn)子對流傳熱比完好轉(zhuǎn)子少，啟動172 min以后隨著溫度的增加，兩者之間傳熱相差越來越大，熱應力相差也越來越大。

圖7 冷態(tài)啟動過程轉(zhuǎn)子最大等效應力隨時間變化

3 結(jié) 論

(1)對600 MW超臨界受損轉(zhuǎn)子冷態(tài)啟動過程的溫度場和應力場進行了有限元計算與分析，結(jié)果表明，受損轉(zhuǎn)子切削處理后等效應力小于屈服應力，但在調(diào)節(jié)級根部凹槽、擋油環(huán)與軸頸附近應力水平較大，易萌生裂紋。

(2)在轉(zhuǎn)子運行過程中應嚴格控制蒸汽溫度變化率，防止溫度大幅波動，導致應力大幅提升，此外對應力集中部位應進行重點監(jiān)測，避免產(chǎn)生疲勞裂紋。

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(編輯：蔣毅恒)

CoupledThermo-MechanicalFiniteElementAnalysisofDamagedRotorin600MWSupercriticalSteamTurbine

TANG Yuanfu, CHEN Hongdong, PENG Bicao, LIU Chun, LONG Yi

(Electric Power Research Institute, State Grid Hunan Electric Power Corporation, Changsha 410007, China)

Due to high steam parameters, high speed, poor working conditions of high and intermediate pressure rotors in 600 MW supercritical steam turbine, it will cause great stress change in the operation process. Rotor burnout occurred due to oil breakoff in a 600 MW supercritical unit, which seriously affected the safe operation of the unit. In order to grasp the stress state of the rotor, and ensure its safety operation, a finite element analysis mode was established by software ANSYS APDL for rotors under cold starting condition. Based on the engineering thermodynamics calculation, the convection coefficients of rotors were calculated, which was used as boundary conditions of the finite element model for the calculation and analysis of temperature field. Then the analytical method of indirect thermo-structure coupling was adopted to calculate and analyze the stress field of rotor, in which the stress distribution and the stress concentration position during the cold starting process of rotor could be obtained. The results show that the equivalent stress of rotor after cutting processing is less than its yield stress, but the stress is larger at the roots groove of governing stage, oil retainer and journal, which can provide technical support for the safety assessment and life management of damaged rotor.

supercritical steam turbine; damaged rotor; cold starting; finite element analysis

TM 621

： A

： 1000-7229(2014)04-0107-04

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.04.019

2013-10-09

：2013-11-10

唐遠富(1984)，男，工學博士，工程師，主要從事電站金屬監(jiān)督與事故分析工作，E-mail：huitangyuan@163.com；

陳紅冬(1965)，男，本科，高級工程師，主要從事電網(wǎng)及電站金屬監(jiān)督與事故分析工作；

彭碧草(1981)，男，工學博士，工程師，主要從事金屬材料技術(shù)和電站事故分析工作；

劉純(1974)，男，工學碩士，高級工程師，主要從事電網(wǎng)及電站金屬監(jiān)督與事故分析工作；

龍毅(1968)，男，工學碩士，高級工程師，主要從事電網(wǎng)及電站金屬監(jiān)督與事故分析工作。