某型AP1000核電汽輪機高壓轉子強度計算分析與優化改進

楊 宇，汪 勇，史進淵，鄧志成

（上海發電設備成套設計研究院，上海200240）

為了保證某型AP1000核電汽輪機的長周期安全運行，必須對汽輪機高壓轉子的強度進行計算分析和研究。針對原設計方案完成了7項計算分析研究工作：額定負荷穩態工況溫度場和應力場計算；冷態啟動過程瞬態溫度場和應力場計算；溫態啟動過程瞬態溫度場和應力場計算；熱態啟動過程瞬態溫度場和應力場計算；正常停機過程瞬態溫度場和應力場計算；110%超速試驗過程瞬態溫度場和應力場計算；120%超速運行過程瞬態溫度場和應力場計算。經計算分析，某型AP1000核電汽輪機高壓轉子原設計方案在額定負荷穩態工況下的強度設計合格；在冷態啟動過程有8個部位的相對應力（σeq／Rtp0.2）超標。針對這8個部位，進行了轉子結構優化改進，形成了改進方案和最終設計方案。針對改進方案和最終設計方案分別進行了額定負荷穩態工況、瞬態變工況以及超速工況的強度計算分析，結果表明：某型AP1000核電高壓轉子最終設計方案的額定負荷強度、應力腐蝕強度、瞬態變工況強度及超速試驗強度均符合強度設計判據，強度設計合格。

1 額定穩態工況的計算與分析

1.1 力學模型和邊界條件

建立軸對稱有限元計算力學模型。在高壓轉子的輪緣、汽封部位、葉輪、光軸等外表面，施加與蒸汽強制對流換熱的第三類邊界條件；在軸承頸部，施加與潤滑油強制對流換熱的第三類邊界條件；在轉子聯軸器端面，施加絕熱邊界條件，計算高壓轉子的溫度場。

在應力場的計算中，在高壓轉子各級輪緣分別施加各級的動葉片離心力，高壓轉子施加自身旋轉產生的離心力，模型的各節點上輸入溫度場計算結果，得出包括熱應力和離心應力的復合應力計算結果。

某型AP1000核電汽輪機高壓轉子結構強度典型部位（應力計算結果比較大或有代表性的部位）見圖1。

原設計方案、改進設計方案和最終設計方案的結構差異見表1。

表1 三個設計方案的結構區別

1.2 額定穩態工況強度設計判據

1.2.1 額定負荷穩態工況強度設計判據

根據文獻［1-2］，對轉子等效應力比較大的強度薄弱部位進行額定負荷穩態工況強度校核，設計判據為：

式中：σeq為額定負荷穩態工況強度關鍵部位的等效應力；Rtp0.2為工作溫度t下轉子材料的屈服極限。

1.2.2 應力腐蝕強度設計判據

只對轉子與濕蒸汽接觸的外表面進行應力腐蝕強度校核，根據文獻［1-2］，應力腐蝕強度的設計判據為：

式中：σ1為額定負荷穩態工況轉子表面部位的最大主應力。

1.3 額定穩態工況強度計算結果

在額定負荷穩態工況下，某型AP1000核電汽輪機高壓轉子原設計方案、改進設計方案和最終設計方案的等效應力各典型部位σeq／計算結果見圖2，各典型部位σ1計算結果見圖3。由圖2和圖3可知：額定負荷穩態工況的強度和應力腐蝕危險部位均為部位1和部位38，σeq／和σ1均不到0.2，遠小于強度判據允許值。故三個方案各部位的額定負荷穩態工況強度和應力腐蝕強度均設計合格，說明某型AP1000高壓轉子的穩態額定負荷工況強度和應力腐蝕強度的設計是合格的。

圖2 穩態等效應力相對應力條形圖

圖3 穩態最大主應力相對應力條形圖

2 超速工況的應力計算與強度分析

2.1 超速工況強度設計判據

根據文獻［1-2］，轉子超速工況強度設計判據為：

2.2 超速工況應力場的計算結果

原設計方案、最終設計方案的超速110%和超速120%工況的各部位σeq／Rtp0.2的最大值分別為0.186 8、0.221 7、0.186 9、0.221 8，均小于1.0，即等效應力均小于材料的屈服極限，滿足超速工況的強度設計判據。

3 原方案瞬態變工況的計算分析

3.1 瞬態變工況強度設計判據

根據文獻［1-2］，轉子瞬態變工況強度設計判據為：

3.2 瞬態變工況強度有限元結果

3.2.1 原方案冷態啟動計算結果

計算結果表明：無論是盤車12h還是盤車48h，高壓轉子冷態啟動過程σeq／Rtp0.2最大值均發生在2 400s時刻；等效應力最大值出現在部位7，σeq＝790.761MPa，σeq／Rtp0.2＝1.296。

冷態啟動過程最危險時刻2 400s有7、8、10、23、24、29、31、32共計8個部位σeq／Rtp0.2超過了1.2，為了延長高壓轉子設計壽命，對這8個部位的結構進行優化。

3.2.2 原方案溫態啟動計算結果

某型AP1000核電汽輪機的高壓轉子原設計方案的溫態啟動過程最危險時刻為900s。溫態啟動過程部位24的等效應力最大，σeq＝217.612 MPa，Rtp0.2＝596.888MPa，σeq／Rtp0.2＝0.365＜2，遠小于瞬態變工況強度設計判據，表明溫態啟動過程中原設計方案的某型AP1000核電汽輪機轉子的瞬態強度合格。

3.2.3 原方案熱態啟動計算結果

某型AP1000核電汽輪機的高壓轉子原設計方案的熱態啟動過程最危險時刻為600s。熱態啟動過程600s時刻部位1等效應力最大，σeq＝125.2MPa，Rtp0.2＝607.286MPa，σeq＜Rtp0.2，表明原設計方案熱態啟動過程的瞬態變工況強度是合格的。

3.2.4 原方案正常停機計算結果

某型AP1000核電汽輪機的高壓轉子原設計方案的正常停機過程最危險時刻為5 698s，正常停機過程5 698s時刻部位7等效應力最大，σeq＝94.422MPa，Rtp0.2＝600.767MPa表明原設計方案正常停機過程的瞬態變工況強度是合格的。

3.2.5 原方案瞬態工況強度計算小結

根據對原設計方案某型AP1000高壓轉子盤車12h冷態啟動、盤車48h冷態啟動、溫態啟動、熱態啟動和正常停機過程的瞬態結構有限元計算結果表明：原設計方案最危險時刻發生在盤車12h冷態啟動過程的2 400s時刻，等效應力最大值出現在部位7，σeq＝790.761MPa，σeq／Rtp0.2＝1.296。冷態啟動過程最危險時刻2 400s有7、8、10、23、24、29、31、32共計8個部位σeq／Rtp0.2超過了1.2，為了延長轉子的設計壽命，應對這8個部位進行結構優化改進。

3.3 改進和最終方案變工況計算

根據原設計方案的額定負荷穩態和瞬態變工況強度計算結果，針對原設計方案冷態啟動過程2 400s相對應力超過1.2的8個部位進行了結構改進，并形成了改進設計方案和最終設計方案。

原設計方案、改進設計方案和最終設計方案在冷態啟動2 400s時刻各典型部位σeq／Rtp0.2見圖4。

圖4 盤車12h冷態啟動2 400s相對應力

由圖4可歸納得到表2，原設計方案有8個部位σeq／Rtp0.2超過1.2，改進設計方案有6個，最終設計方案各部位σeq／Rtp0.2均小于1.2，表明某型AP1000核電高壓轉子的結構優化改進達到了降低應力的效果。

表2 三個方案冷態啟動2 400s危險部位相對應力

4 結語

（1）經穩態工況溫度場與應力場的有限元數值計算及強度分析，某型AP1000汽輪機高壓轉子原設計方案、最終設計方案在額定負荷穩態工況強度和應力腐蝕強度均符合強度設計判據，該轉子額定負荷穩態工況強度和應力腐蝕強度的設計是合格的。

（2）經某型AP1000汽輪機高壓轉子原設計方案的盤車12h冷態啟動、盤車48h冷態啟動、溫態啟動、熱態啟動和正常停機5個過程的瞬態變工況溫度場與應力場的有限元數值計算及強度分析，其中盤車12h冷態啟動過程中在2 400s時刻有8個部位σeq／Rtp0.2＞1.2。根據冷態啟動的計算結果對原設計方案進行了結構改進，形成了改進設計方案和最終設計方案。

（3）改進設計方案和最終設計方案分別提出8個部位的改進措施，針對這兩個方案分別進行了盤車12h冷態啟動、盤車48h冷態啟動、溫態啟動、熱態啟動和正常停機5個過程的瞬態變工況溫度場與應力場的有限元數值計算及強度分析。最終設計方案中各工況、各部位、各時刻的相對應力均小于1.2，達到了增大強度設計安全裕量的作用。由此表明某型AP 1000核電汽輪機高壓轉子的最終設計方案瞬態變工況強度設計是合格的，結構優化改進有利于延長設計壽命。

（4）針對原設計方案和最終設計方案分別進行了超速110%和超速120%工況的強度計算，分析表明，原設計方案和最終設計方案超速工況下各部位相對應力均小于1，符合強度設計判據，超速工況的強度設計均合格。

綜上所述，某型AP1000核電高壓轉子最終設計方案的額定負荷強度、應力腐蝕強度、瞬態變工況強度及超速試驗強度均符合強度設計判據，其強度設計合格，將有利于汽輪機長周期安全運行。

［1］史進淵，楊宇，鄧志成，等 .汽輪機零部件強度有限元分析的設計判據［J］.熱力透平，2011，40（1）：22-27.

［2］史進淵，楊宇，鄧志成，等 .大功率電站汽輪機壽命預測與可靠性設計［M］.北京：中國電力出版社，2011.