基于ANSYS對300MW汽輪機組轉子溫度場的仿真探究

摘 要：單機汽輪機組功率日趨增大，為了適應電網要求和用電的峰谷差值，要求機組在安全運行的前提下保證經濟參數是運行人員努力的方向。由于大容量機組參與調峰運行，必然在負荷變化或啟動或停運機組時，造成機組蒸汽參數大幅變動，必然使汽機部件溫度場發生強烈變化，并會有很大的熱應力產生。為了確保安全經濟運行的火電廠汽輪機組運行，在軸對稱彈性理論的基礎上，考慮材料隨溫度的變化的物理性能，使用ANSYS有限元結構分析電腦軟件，對300MW機組的調節級根部進行溫度場仿真模擬，從而為進一步研究在實際運行工況下整個高中壓轉子瞬時溫度場分布變化情況及轉子在不同工況下的熱應力分析提供理論基礎。

關鍵詞：汽輪機；轉子；調節級；ANSYS；瞬態溫度場

國家經濟的快速發展，人們用電量逐步增加，致使擴大了電網容量和增大了日常的峰谷差值，同時也增加了建造高參數容量大的火電廠數量，在經濟安全運行方面，對發電廠的要求也提到了一定高度。為滿足用戶用電的需求，發電機組在一些時候需要調峰，使得機組啟停次數大量增加，負荷波動幅度也更加強烈，機組運行狀況的改變造成缸體溫度場分布發生改變并且熱應力也相應的產生。我們找到了處理復雜物理場的方法——有限元電腦分析方法，這個方法效果非常好，它是在計算機軟件和數值計算相結合的條件下孕育產生的，它不僅能生成結構復雜的幾何結構，還能準確地對多種邊界條件進行處理。以前分析復雜的結構和邊界條件都選用解析方法，對于溫度和應力分布很難準確地進行分析。本文選取320MW汽輪機組作為研究對象，使用有限元單元化方法仔細分析轉子的溫度應力場，分析應力場的基礎是對溫度場的分析，且汽輪機組啟停及運行的關鍵分析是調節級），在實際生產中研究調節級溫度的真實分布，對300MW機組實際運行過程進行優化打下理論之基。

1 分析軟件ANSYS的介紹

目前針對有限元分析通用分析數值軟件之一就是ANSYS，強大的計算分析功能使得在前后處理方面，求解和數據庫多場統一分析一體化方面擁有出眾的表現。它的分析非線性功能，可以同時使得求解器計算擁有多種，可以劃分多個用戶網格，總體來說，它十分強大，有點突出。

有限元分析法則是數值分析中的其中一種，它能很好地處理形狀條件復雜的物體，并且可以隨意變換它的單元形狀和密集程度，為了達到很好的相似而采取比較少的節點，所以能很好的分析汽輪機轉子的溫度場和受力應力場。

2 為320MW汽輪機轉子建模型

2.1 汽輪機模型參數

汽輪機參數為： N320-16.7/537/537（合缸），亞臨界中間次再熱二缸兩排汽凝汽式機組， 汽輪機轉子，總長6.98米，0.73米的軸向長度，調節級處半徑為0.55米，半徑為0.1 米的中心孔，半徑為0.34米的光軸，其中高中壓是整鍛鑄造，高溫耐熱，30Cr1MoV的材料。為了減少機組運行時的軸向推力，該320MW 機組對稱合缸布置，在設計制造上軸向推力在一定程度上得到了相應的減少。根據建模的要求，圖示1簡圖所示，高中壓轉子依次標注（從左到右），我們把該轉子抽象簡化成一個軸對稱三維立體圖形，沒有內部熱源，各個方向性質相同，在不穩定的條件下，也是均勻的模型。

建立幾何模型——1/4汽輪機高中壓轉子三維模型，圖2所示。

我們取調節級部分：見圖3。

選取10°的模型并進行網格化分：見圖示4與5。

3 解決模型溫度場問題

3.1 為模型的溫度場分布創建數學構架模型

引用文獻[2] ，由于該汽機轉子模型在實際運行中的溫度場不穩定，我們假設該轉子，無內部熱源，個方向性質相同并且均勻，我們列出偏微分方程式：

屬于解軸對稱溫度函數問題， 在D區域內溫度t （ z ， r ，τ）中是一個溫度函數關系，非定常，并且軸對稱，從而可以獲得求解。

注：ρ—材料的密度

Cp —材料的比熱

λ為材料的導熱率

3.2 計算傳熱系數

傳熱學理論告訴我們，傳導、對流和輻射是熱量傳遞過程三種方式。在本模型中，我們主要是傳導和對流兩種傳熱方式，輻射忽略不計。在現有文獻中，對汽機轉子的軸封位置、光軸位置，利用換熱系數公式計算所得。在機組實際的運行工況中，只有知道了轉子外界流質的換熱系數和流質溫度，才能分析瞬時狀態的溫度場。我們選取不同時刻一系列的點的調節級處汽室溫度，各個抽汽蒸汽段的壓力與溫度，按照這種方式對邊界元的換熱系數進行求解，之所以這樣來確定，是因為它的表面換熱系數是隨時間、不同部位變化的，不是固定的。各個部分的換熱系數的確定，要在分析瞬間狀態溫度場的時候仔細分析各個狀態的邊界條件，不能簡單的應用T，P或t相關的解析式來進行簡單處理，因為它們存在相當復雜的函數關系，對于一段時間負荷的變化是無規律的，隨著負荷的變化蒸汽溫度也是瞬時變化的，所以對于換熱系數要詳盡的進行分析。

3.3 定解條件的確定

（1）模型的熱邊界條件確定。轉子模型如上圖示2，在計算過程中，轉子模型左端和右端（軸承中心面和聯軸器橫截面）我們認為絕熱，以此來處理簡化，即

注： α -蒸汽與轉子表面的換熱系數

tf -為與轉子表面接觸的汽溫

（2）轉子內表面（中心圓孔處） 作絕熱邊界處理。50℃作為恒定溫度。轉子軸頸處溫度取70℃（比軸承回油溫度高） ，這個模型假設是第一類邊界條件，它已知邊界溫度的。而轉子外表面的溫度邊界條件則是第三類邊界條件（即對流邊界條件） 。

初始條件的運用，求解式（1）的初始條件我們寫為：

這兩種情況下，本文所涉及的初始條件，每個條件的第一時刻和相應的邊界條件，根據穩態分析計算轉子溫度場在很短的時間內為初始狀態。本文僅選擇一個力矩和載荷步加載模擬汽輪機轉子調節級。

（3）對模型加載邊界條件。我們運行計算機軟件ANSYS對模型進行加載時進行簡化處理，但不是簡單的擬合，我們要運用關于其他參數邊界條件化的瞬時分析。具體方法是：首先，通過對溫度場的計算在很短的時間內為初始條件，邊界條件的穩態分析對應邊界條件。然后，轉子第一次加載邊界條件對應的模型，對于這段時間設定載荷步結束的時間，為了計算第一個瞬態溫度場。在第二周期計算，與轉子模型重新加載相應的邊界條件，此時，載荷步的結束時間前兩小時間段，依次同理，這樣反過來進行重復加載，直到最后一個采樣周期結束時計算在整個工作條件下的瞬態溫度場計算結果。由于邊界是更復雜的，所以這個繁瑣過程使用加載讀取程序指令進行。

4 在調節級處根據實際加載負荷（圖示6）并且得到仿真結果（圖示7）

5 模型軟件仿真的總結

在汽輪機實際生產啟動過程中，暖機前一段時間，汽機轉子內溫度場在參數的變化下也不固定變化，中心孔的溫度和外表溫度之間的差值也是呈增大趨勢變化，在暖機過程中轉子溫度場變化則趨于平穩，在形狀不規則的邊界地帶上分布折復雜的等溫線，這兩者之間的溫度差慢慢減小。在機組冷啟動階段中，很明顯，轉子是一個被蒸汽加熱的過程， 溫差的存在造成熱應力的產生，在控制溫差率的前提下，就相應控制了應力變化。我們通過控制部件間的溫差，我們可以在暖機過程中著手，從圖示7可以明顯看出， 在啟動的前期轉子上出現溫度差最大的時刻，即調節級根部是最危險的部位。為了確保在最短的時間安全啟動，我們可以通過對冷啟動過程的仿真并計算和實踐，合理安排各個階段的啟動時間來達到母的。

汽輪機在運行生產中，各級是在不同的參數的蒸汽下轉動，而調節級是最重要的。在對調節級溫度模擬仿真完成的基礎上，其他部位同樣可以運用相同原理進行構建模型仿真分析，對該汽機轉子整體的溫度場分布和應力場分布的情況進行研究，運行電腦運行分析，從而進行對實際運行狀況的理論指導。

6 對此次實踐論證的結論

（1）溫度場的有限元法計算汽輪機轉子可以很好地模擬復雜的邊界形狀，計算的結果更準確。協助于ANSYS有限元分析軟件建立轉子幾何模型，將有限元網格劃分程序，可以方便，快速完成有限元網格生成與轉子加密解決方案區域，有限元網格模型的滿足各種求解器的選擇，同時保證有限元結果的精度。

（2）本文選擇從電廠工況的實際運行條件的計算，使計算結果更接近實際的操作，而且在理論上為汽機轉子溫度場分布和應力的計算、汽機壽命損耗管理提供了有力的參考。

參考文獻：

[1]劉濤，楊鳳鵬.精通ANSYS[M].北京：清華大學出版社，2002.

[2]剪天聰.汽輪機原理[M].北京：水利電力出版社，1986.

[3]王建梅.國產200MW機組調峰運行的應力和壽命損耗在線監測[D].碩士學位論文，1998.

作者簡介：司群（1985—），男，河北東光人，本科，助理工程師，電廠集控運行。