轉(zhuǎn)子穩(wěn)定溫度場分析平臺

王雪梅

（哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司 研究院，哈爾濱 150046）

0 引言

轉(zhuǎn)子是汽輪機(jī)組的關(guān)鍵部件之一，工作時承受著高溫高壓，因此對其溫度場進(jìn)行分析是對它進(jìn)行強(qiáng)度校核和研究其熱膨脹的基礎(chǔ)，這對汽輪機(jī)的研發(fā)工作是十分必要的。本課題以機(jī)組為例完成了轉(zhuǎn)子穩(wěn)態(tài)溫度場分析平臺的搭建，包括了程序擴(kuò)充、模型簡化、換熱系數(shù)計算程序編制、邊界溫度選取、程序分析、有限元分析和程序輸出結(jié)果可視化研究。

1 模型簡化

高中壓轉(zhuǎn)子穩(wěn)態(tài)換熱分析首先需進(jìn)行模型簡化，認(rèn)為其溫度場分布是軸對稱的，以機(jī)組為例，簡化模型如圖1 所示。

圖1 簡化模型

邊界點根據(jù)換熱區(qū)域計算的要求選取，共選取144 個點。

2 換熱系數(shù)計算

高中壓轉(zhuǎn)子穩(wěn)態(tài)換熱分析首先需計算換熱系數(shù)，其換熱系數(shù)計算分以下幾種類型，現(xiàn)分述如下：

2.1 無限空間中旋轉(zhuǎn)圓盤

此種類型換熱系數(shù)計算公式一般用于蒸汽進(jìn)汽側(cè)的第一級葉輪和排汽側(cè)的末級葉輪，在本分析算例中區(qū)域25～26，64～65，70～71，74～75，75～76，85～86，123～124，125～126，130～131，132～133，138～139，140～141，142～143，17～18，14～15，23～24，81～82 正是此種類型。

此計算公式已編為程序，程序名為a14.f90 由程序計算區(qū)域的換熱系數(shù)為：

h=123.3099Btu/（hr·ft2·0F）（換熱系數(shù)的英制單位，如變成公制則需乘以5.82，如下以此為準(zhǔn)）

2.2 同軸轉(zhuǎn)動圓盤

此種類型換熱系數(shù)計算公式一般用于由間隙分開的2 個同軸轉(zhuǎn)動圓盤，在本分析算例中區(qū)域87～88，89～90，91～92，93～94，95～96，97～98，99～100，101～102，103～104，105～106，107～108，109～110，111～112，113～114，115～116，117～118，119～120，121～122 正是此種類型。

計算公式為：

2.3 直汽封

此種類型換熱系數(shù)計算公式一般用于直汽封下的轉(zhuǎn)子表面，在本分析算例中區(qū)域63～64，60～61，57～58，54～55，51～52，48～49，45～46，42～43，39～40，36～37，33～34，30～31 正是此種類型。

此種類型換熱系數(shù)計算公式如下：

此計算公式已編為程序，程序名為pha04.f90，由程序計算區(qū)域的換熱系數(shù)為：h=3 426.214Btu/（hr·ft2·0F）。

3 中壓第一級輪槽處換熱系數(shù)計算

在機(jī)組中壓第一級輪槽處，在本分析算例中為86～87區(qū)域，該級動葉葉根和輪槽處存在較大間隙，氣流由此流過冷卻輪槽，該輪槽和動葉葉根的間隙近似為矩形，可用管道中過熱蒸汽的湍流流動的換熱系數(shù)計算公式進(jìn)行計算，由于轉(zhuǎn)子沿周向均布輪槽，且本算例中按軸對稱計算，所以近似將所計算的換熱系數(shù)乘以全部的輪槽周向長度，再除以該處的轉(zhuǎn)子圓周長度，即得該處的平均換熱系數(shù)。

管道中過熱蒸汽的湍流流動的換熱系數(shù)計算公式如下：

管道中過熱蒸汽的湍流流動的計算公式已編為程序，程序名為pha1.f90，由程序計算區(qū)域86～87 的換熱系數(shù)為：h=1 751.255Btu/（hr·ft2·0F）。

4 無軸向流動的旋轉(zhuǎn)同心圓柱

此種類型換熱系數(shù)計算公式一般用于由間隙分開的2 個旋轉(zhuǎn)同軸圓柱，間隙中無軸向流動，在本分析算例中區(qū)域71～72 正是此種類型。

此種類型換熱系數(shù)計算公式如下：

此計算公式已編為程序，程序名為ea19.f90，由程序計算區(qū)域的換熱系數(shù)為：h=245.373 100Btu/（hr·ft2·0F）。

T 形葉根和調(diào)節(jié)級葉根的換熱系數(shù)

在本分析算例中區(qū)域73～74 為調(diào)節(jié)級的輪槽簡化區(qū)域，61～63，58～60，55～57，52～54，49～51，46～48，43～45，40～42，37～39，34～36，31～33，28～30 為高壓1～12 級的輪槽簡化區(qū)域，此處動葉葉根為T 形葉根，此種類型換熱系數(shù)計算公式如下：

此計算公式已編為程序，程序名為em1772.f90，由程序計算區(qū)域的換熱系數(shù)為：h=234.409 3Btu/（hr·ft2·0F）。

5 溫度場分析

用大型有限元分析軟件ANSYS10.0 和程序PH8147分析了機(jī)組高中壓轉(zhuǎn)子穩(wěn)態(tài)溫度場，結(jié)果如下：

5.1 程序分析

用程序分析了機(jī)組高中壓轉(zhuǎn)子的溫度場，求得的高中壓轉(zhuǎn)子中心孔表面和外表面溫度沿軸向長度分布如圖2 所示。

5.2 ANSYS10.0 分析

用ANSYS10.0 分析的溫度場云圖如圖3 所示。

由圖3 可看出轉(zhuǎn)子中壓第一級輪槽處的冷卻效果。

6 程序輸出結(jié)果可視化研究

程序的輸出結(jié)果為數(shù)據(jù)，可輸出二維坐標(biāo)點及對應(yīng)該坐標(biāo)點的溫度值。為了便于對結(jié)果進(jìn)行分析處理，本課題還進(jìn)行了輸出數(shù)據(jù)的可視化研究，主要是采用Tecplot 9.0 軟件由程序的輸出結(jié)果繪制溫度場云圖。

圖2 轉(zhuǎn)子中心孔表面和外表面溫度沿軸向長度分布

圖3 溫度場云圖

Tecplot 9.0 軟件具有強(qiáng)大的結(jié)果分析能力，可以顯示二維/三維變量云圖、等溫線等。使用過程如下：

1）建立*.txt 文本文件，輸入格式靈活多樣。例如，輸入可采用下面格式：

2）將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Tecplot中，選擇2D 進(jìn)行畫圖，在Field 菜單中選擇Contour，在Contour Plot Type 中選擇Line，就可以顯示等值線分布情況。采用Tecplot 9.0 軟件繪制的機(jī)組高中壓轉(zhuǎn)子穩(wěn)態(tài)溫度場的云圖如圖4 所示。

圖4 采用Tecplot 9.0 軟件繪制的溫度場云圖

7 結(jié)語

本課題以機(jī)組為例完成了轉(zhuǎn)子穩(wěn)態(tài)溫度場分析平臺的搭建，為轉(zhuǎn)子穩(wěn)態(tài)溫度場的分析提供了系統(tǒng)深入的方法，填補(bǔ)了我公司設(shè)計分析手段的空白，下一步將研究轉(zhuǎn)子瞬態(tài)溫度場分析，從而為轉(zhuǎn)子的低周疲勞分析奠定堅實的基礎(chǔ)。