論200MW機(jī)組調(diào)峰轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力場(chǎng)和壽命損耗

徐東茂

（華電新能源發(fā)展有限公司黑龍江分公司，黑龍江 牡丹江 157015）

1 計(jì)算原理

計(jì)算汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子不穩(wěn)定溫度場(chǎng)時(shí)，認(rèn)為轉(zhuǎn)子是均質(zhì)，各向同性，且無(wú)內(nèi)熱源的物體，為軸對(duì)稱非穩(wěn)定導(dǎo)熱問(wèn)題。其數(shù)學(xué)模型為：

初始條件和邊界條件：

計(jì)算汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子應(yīng)力場(chǎng)時(shí)，認(rèn)為轉(zhuǎn)子為完全彈性、連續(xù)、均質(zhì)，各向同性的軸對(duì)稱問(wèn)題。

利用虛功原理得：

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理

2.1 初始條件和邊界條件

由于試驗(yàn)負(fù)荷都是從穩(wěn)定工況開(kāi)始變動(dòng)，在計(jì)算時(shí)取相應(yīng)負(fù)荷下的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)作為初始溫度場(chǎng)。

高壓轉(zhuǎn)子左右端面為軸承端，溫度由潤(rùn)滑油冷卻系統(tǒng)決定，為第一類邊界條件，中心孔處于封閉狀態(tài)，可取為絕熱邊界，轉(zhuǎn)子表面取為第三類換熱邊界條件。

中壓轉(zhuǎn)子左端取為第一類邊界條件，右端面取自第22級(jí)和第23級(jí)中分面，可近似地取為絕熱邊界條件，中心孔取為絕熱邊界，轉(zhuǎn)子表面取為第三類換熱邊界條件。

2.2 蒸汽參數(shù)的處理

根據(jù)牡丹江第二發(fā)電廠#7機(jī)組（200 MW）的變負(fù)荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)，參考國(guó)內(nèi)同類型機(jī)組的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，將測(cè)得的主蒸汽溫度、壓力，調(diào)節(jié)級(jí)后溫度、壓力，再熱蒸汽溫度、壓力，以及前6段抽汽的溫度、壓力，進(jìn)行仔細(xì)整理。由于是在確定的變負(fù)荷率下進(jìn)行計(jì)算，故以功率作為自變量進(jìn)行離散數(shù)據(jù)的擬合。利用處理好的已知蒸汽參數(shù)，再進(jìn)行變工況計(jì)算，從而得出轉(zhuǎn)子各個(gè)部位的蒸汽溫度和壓力。

流過(guò)汽輪機(jī)通流部分的蒸汽所加熱的轉(zhuǎn)子表面部分所占比例較小，而從端部汽封、隔板汽封泄漏的汽流對(duì)轉(zhuǎn)子表面影響較大，但這部分汽流的蒸汽不同于通流部分的蒸汽參數(shù)，實(shí)際上是難以估算的。

2.3 蒸汽和金屬物性參數(shù)的確定

參照一些模型的驗(yàn)算表明，金屬物性對(duì)溫度場(chǎng)的影響較小，但對(duì)熱應(yīng)力場(chǎng)影響較大，而蒸汽物性對(duì)溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)都會(huì)產(chǎn)生較大的影響。文章?lián)镄詳M合公式[1]，使金屬物性隨金屬溫度變化，蒸汽物性隨汽溫、壓力變化，計(jì)算表明，公式精度滿足要求。轉(zhuǎn)子材料為30Cr2MoV耐熱高強(qiáng)度鋼。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 變負(fù)荷過(guò)程中主蒸汽、再熱蒸汽溫度的變化對(duì)轉(zhuǎn)子溫度和應(yīng)力的影響

蒸汽溫度的變化對(duì)轉(zhuǎn)子溫度分布及變化有極大的影響。高壓轉(zhuǎn)子表面各處的蒸汽溫度是主蒸汽溫度和負(fù)荷的函數(shù)，而中壓轉(zhuǎn)子表面各處的蒸汽溫度是主蒸汽溫度、再熱蒸汽溫度和負(fù)荷的函數(shù)。因此，轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力的大小和變化，除受負(fù)荷變化率的影響外，更主要是受主蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度變化的影響。雖然在變負(fù)荷調(diào)峰過(guò)程中，主蒸汽溫度變化不大，但應(yīng)盡可能地保持主蒸汽溫度不變或按盡可能小的溫度速度變化，特別是應(yīng)盡可能地避免汽溫的波動(dòng)。汽溫波動(dòng)將造成轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力的交變，使轉(zhuǎn)子疲勞損傷加劇，特別是要避免汽溫瞬間大幅度的變化。

3.2 變負(fù)荷調(diào)峰過(guò)程溫度場(chǎng)的特點(diǎn)

在變負(fù)荷調(diào)峰過(guò)程中，由于希望盡可能地保持主蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度不變，且采用兩閥全開(kāi)的滑壓運(yùn)行的調(diào)峰方式，故在整個(gè)調(diào)峰過(guò)程中，由滿負(fù)荷到達(dá)50%額定負(fù)荷，主、再熱蒸汽溫度變化僅有20℃。由于進(jìn)汽部分徑向熱流較小，而主要是汽溫沿軸向變化而產(chǎn)生的軸向熱流，所以轉(zhuǎn)子內(nèi)的溫度分布與穩(wěn)定工況的溫度場(chǎng)相近。大多數(shù)等溫線傾斜度不大，只有在軸向蒸汽溫度差很大的部位，高溫蒸汽通過(guò)轉(zhuǎn)子向低溫蒸汽放熱，或通過(guò)中間段向兩端散熱（如各汽缸進(jìn)汽室）而形成較大的徑向熱流，使徑向溫差增大。在此熱流的影響下，等溫線沿?zé)崃鞣较騼A斜度逐漸減小，并出現(xiàn)一徑向等溫截面。在此截面的另一側(cè)，等溫線反向傾斜，且傾斜度沿?zé)崃鞣较蛑饾u增大。

影響轉(zhuǎn)子溫度分布和變化的主要因素是蒸汽溫度沿軸向分布和變化的速度。

3.3 變負(fù)荷調(diào)峰過(guò)程應(yīng)力場(chǎng)的特點(diǎn)

在變負(fù)荷調(diào)峰過(guò)程中，轉(zhuǎn)子應(yīng)力的變化主要是由于熱應(yīng)力變化而引起的，這與機(jī)組啟停過(guò)程中應(yīng)力變化規(guī)律有很大的不同。由于受初始應(yīng)力的影響，轉(zhuǎn)子內(nèi)應(yīng)力變化最大，引起疲勞損傷最大的部位，不一定是應(yīng)力最大的部位。

在升負(fù)荷過(guò)程中，隨著轉(zhuǎn)子表面蒸汽溫度升高，其表面金屬溫度隨著升高，響應(yīng)速度很快，中心孔表面金屬溫度的變化有滯后，使轉(zhuǎn)子內(nèi)、外表面溫度差逐漸增大，熱應(yīng)力隨著增大。雖然在整個(gè)升負(fù)荷過(guò)程中，金屬溫度場(chǎng)在升高，但由于中心孔表面金屬溫度的變化滯后于轉(zhuǎn)子表面金屬溫度的變化，轉(zhuǎn)子表面的切向熱應(yīng)力為壓應(yīng)力，而中心孔表面的切向熱應(yīng)力為拉應(yīng)力，在轉(zhuǎn)子內(nèi)、外表面溫度差達(dá)最大時(shí)，熱應(yīng)力也達(dá)最大值。

在降負(fù)荷過(guò)程中，隨著轉(zhuǎn)子表面蒸汽溫度降低，其表面金屬溫度也隨著降低，而中心孔表面金屬溫度的變化滯后于轉(zhuǎn)子表面金屬溫度的變化，因此轉(zhuǎn)子表面出現(xiàn)拉應(yīng)力，中心孔表面出現(xiàn)壓應(yīng)力。由于徑向溫度梯度是非線性的，在轉(zhuǎn)子表面?zhèn)葴囟忍荻容^大，故軸向零應(yīng)力線偏向轉(zhuǎn)子表面一側(cè)。

3.4 熱應(yīng)力集中現(xiàn)象

熱彈性槽應(yīng)力集中現(xiàn)象見(jiàn)表1。

表1 熱彈性槽應(yīng)力集中現(xiàn)象

3.5 壽命損耗計(jì)算

通過(guò)計(jì)算得到，13級(jí)后葉輪根部向軸面過(guò)渡處為應(yīng)變最大區(qū)。以上5種工況的壽命損耗均較小，但考慮到調(diào)峰的頻繁，其累積效果也不容忽視。

4 結(jié)論

（1）在變負(fù)荷調(diào)峰過(guò)程中，由于機(jī)組本身特性，使得升、降負(fù)荷過(guò)程中出現(xiàn)蒸汽參數(shù)波動(dòng)，因此，通常以假定溫升率計(jì)算的結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)有較大差異，以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)子溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的計(jì)算才有比較現(xiàn)實(shí)的意義。

（2）變負(fù)荷過(guò)程由于蒸汽參數(shù)的隨機(jī)變化，僅以變負(fù)荷率作為考察和控制調(diào)峰運(yùn)行的依據(jù)是不夠全面的。建議調(diào)峰機(jī)組加裝應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)裝置，以應(yīng)力水平或應(yīng)力變化幅值來(lái)控制機(jī)組負(fù)荷變化。

（3）文章計(jì)算的6種變負(fù)荷過(guò)程，壽命損耗均較小，但因?yàn)樽冐?fù)荷調(diào)峰頻繁進(jìn)行，壽命損耗的累積不應(yīng)忽視。高壓轉(zhuǎn)子調(diào)節(jié)級(jí)和中壓轉(zhuǎn)子13級(jí)后葉輪根部向軸面過(guò)渡處應(yīng)力變化幅度較大，應(yīng)以此作為重點(diǎn)考察的對(duì)象。此外，對(duì)于中壓前2號(hào)軸封凸肩處，由于軸封供汽溫度偏低，造成此截面很大的徑向溫差和軸向熱流，使得凸肩處產(chǎn)生很大的切向壓應(yīng)力和合成應(yīng)力，此處也應(yīng)作為重點(diǎn)考察區(qū)。