660MW超超臨界汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力探析

龍良青

摘 要：文章以660MW超臨界汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力為研究對(duì)象，首先對(duì)本次熱應(yīng)力探究的意義進(jìn)行了闡述分析，隨后探討了660MW超臨界汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的計(jì)算模型與初始條件與邊界條件，最后對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了討論分析，希望能夠?yàn)橄嚓P(guān)研究提供一定參考。

關(guān)鍵詞：660MW超臨界汽輪機(jī);轉(zhuǎn)子;熱應(yīng)力

一、660MW超臨界汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力探究意義

660MW超臨界汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，本身的有著非常高的主蒸汽壓力，一般能夠達(dá)到25Mpa，而轉(zhuǎn)子的主蒸汽與再熱蒸汽溫度最高則能夠達(dá)到600℃，相較于傳統(tǒng)的亞臨界汽輪機(jī)組，上述這些參數(shù)更大，因此轉(zhuǎn)子本身的運(yùn)營環(huán)境也更差。對(duì)于660MW超臨界汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子而言，在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過程中通常需要參與調(diào)峰運(yùn)行，期間需要進(jìn)行頻繁的啟停，且自身承擔(dān)的負(fù)荷也經(jīng)常發(fā)生變化，在汽輪機(jī)機(jī)組中，轉(zhuǎn)子所處的工作環(huán)境最為惡劣，本身所處的環(huán)境溫度變化也比較大，因此轉(zhuǎn)子需要承受較大的溫差，自身更容易產(chǎn)生非常大的交變熱應(yīng)力，在這種惡劣的環(huán)境下，通常會(huì)進(jìn)一步加重轉(zhuǎn)子的疲勞損耗，嚴(yán)重影響轉(zhuǎn)子的使用壽命與機(jī)組整體運(yùn)行安全，因此有必要對(duì)660MW超臨界汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)行產(chǎn)生的熱應(yīng)力進(jìn)行討論分析，了解轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力變化規(guī)律，降低熱應(yīng)力變化對(duì)轉(zhuǎn)子本身帶來的不利影響，從而更好的保障火力發(fā)電設(shè)備能夠安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

二、計(jì)算模型

首先是溫度場數(shù)學(xué)模型，假設(shè)沿周向的轉(zhuǎn)子的溫度相同，那么溫度場數(shù)學(xué)模型具體如（1）式所示：

然后是轉(zhuǎn)子有限元幾何模型建立。在本次研究中，以某660MW超臨界汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子為研究對(duì)象，該轉(zhuǎn)子的型號(hào)為N660-25.0/600/600 ，在室溫條件下，轉(zhuǎn)子區(qū)分極限為654Mpa。由于轉(zhuǎn)子本身較為復(fù)雜，且實(shí)際進(jìn)行邊界條件設(shè)置的難度比較高，不利于進(jìn)行有限元計(jì)算，因此在不對(duì)轉(zhuǎn)子應(yīng)力場與溫度場的影響下，文章做出了以下假設(shè);

一是文章通過借助熱彈性理論來實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力的計(jì)算，因此會(huì)忽略蠕變對(duì)轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力帶來的影響。

二是在進(jìn)行轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力計(jì)算分析時(shí)，文章按照軸對(duì)稱問題進(jìn)行計(jì)算，從而能夠有效的減輕計(jì)算量。

三是假設(shè)在初始狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子的溫度處于比較均勻的狀態(tài)，并且轉(zhuǎn)子的溫度與水蒸氣溫度相等。

四是轉(zhuǎn)子流場在分布方面，與自身周向基本保持一致，對(duì)于轉(zhuǎn)子表面放熱系數(shù)而言，可視為軸對(duì)稱條件下同樣適用。

五是對(duì)于汽封而言，主要會(huì)對(duì)水蒸氣對(duì)轉(zhuǎn)子表面熱換系數(shù)帶來影響，因此在幾何模型中，可以對(duì)汽封進(jìn)行一定的簡化，因此可以在其表面，做好對(duì)流換熱條件的施加。

六是蒸汽在進(jìn)行熱量傳遞時(shí)，會(huì)通過葉片來實(shí)現(xiàn)，且實(shí)踐表明，這種熱量不會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果帶來太大影響，因此，可對(duì)于其進(jìn)行近似處理，使其成為蒸汽對(duì)轉(zhuǎn)子各級(jí)葉輪外緣放熱，放熱系數(shù)取值為

七是假設(shè)轉(zhuǎn)子是無線長簡圓體，可以采用以下公式，計(jì)算葉片對(duì)轉(zhuǎn)子葉輪的離心力：

在（2）式中，m 表示的是葉片的質(zhì)量，w 表示的是轉(zhuǎn)子的角速度，rp 表示的是葉片的平均半徑。

以轉(zhuǎn)子幾何模型為依據(jù)，做好有限元的網(wǎng)格劃分，在單元類型方面，采用了FLANE 13號(hào)四節(jié)點(diǎn)軸對(duì)稱熱耦合單元。

最后是遞推算法分析。在機(jī)組轉(zhuǎn)子熱態(tài)啟動(dòng)過程中，相較于轉(zhuǎn)子軸向熱流，徑向熱流要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于前者，因此在計(jì)算溫度場時(shí)，可采用遞推方法完成計(jì)算。這種算法通過汽缸內(nèi)壁溫度，來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子表面溫度的模擬，采用物性參數(shù)擬合成溫度的函數(shù)，然后利用熱力? 疊加規(guī)律得出表面光軸熱應(yīng)力，最后完成該部位轉(zhuǎn)子表面處的切向離心力和應(yīng)力集中系數(shù)的計(jì)算。

三、初始條件與邊界條件

首先是初始條件，現(xiàn)有某電廠660MW汽輪機(jī)熱態(tài)啟動(dòng)初始溫度場溫度為416℃，機(jī)組的主蒸汽溫度為600℃，主蒸汽汽壓為25Mpa。在80%的負(fù)荷狀態(tài)下，針對(duì)汽輪機(jī)通流部分，在計(jì)算汽溫時(shí)，可以在熱力計(jì)算的幫助下完成。同時(shí)在進(jìn)行熱力計(jì)算時(shí)，采用了定位工況作為基礎(chǔ)，在汽輪轉(zhuǎn)子沖轉(zhuǎn)瞬間，很難借助相應(yīng)理論，完成蒸汽疏量與機(jī)內(nèi)效率的計(jì)算。此時(shí)，可以利用壓比系數(shù)與溫比系數(shù)，完成小流量問題的計(jì)算。

然后是邊界條件設(shè)置方面，選擇隔離體作為計(jì)算對(duì)象，在左右端，一般熱流密度比較小，因此可以進(jìn)行絕熱處理。轉(zhuǎn)子被視為軸對(duì)稱的物體，因此對(duì)于自身的中心線而言，也可以進(jìn)行絕熱處理。在轉(zhuǎn)子的表面。已知第三類的邊界條件時(shí)放熱系數(shù)與蒸汽的溫度，因此在模型左端面，進(jìn)行軸向零位移約束，在模型右端面，進(jìn)行軸向自由端約束。

最后是換熱系數(shù)計(jì)算。轉(zhuǎn)子在啟動(dòng)時(shí)，表面放熱系數(shù)可以采用時(shí)間與空間函數(shù)來進(jìn)行表示。在進(jìn)行溫度場計(jì)算時(shí)，需要明確轉(zhuǎn)子的放熱系數(shù);因此文章在C語言的幫助下，完成了汽輪機(jī)通流部分蒸汽汽溫、壓力和哈汽-南工換熱系數(shù)公式的程序的編制，最終完成了葉輪兩側(cè)緣、光軸、汽封的換熱系數(shù)等關(guān)鍵部分的參數(shù)計(jì)算。

四、結(jié)果分析

首先是有限元計(jì)算。在自編計(jì)算程序的幫助下，順利得到換熱系數(shù)，然后將其作為熱載荷和離心力，直接載入模型之中，在直接耦合法的幫助下，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)熱態(tài)啟動(dòng)過程的轉(zhuǎn)子應(yīng)力場的計(jì)算。由于該主蒸汽溫度為600℃，轉(zhuǎn)子在啟動(dòng)時(shí)，必然會(huì)受到較大的熱膨脹變形影響。同時(shí)從有限元計(jì)算結(jié)果來看，隨著轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子表面蒸汽溫度與壓力提升轉(zhuǎn)子表面與蒸汽的換熱強(qiáng)度也在增大，轉(zhuǎn)子熱量也在隨之增大。最終會(huì)打破轉(zhuǎn)子均勻溫度的狀態(tài)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力增加;轉(zhuǎn)子在完成熱態(tài)啟動(dòng)末尾，會(huì)承受最大的合成熱應(yīng)力，并且轉(zhuǎn)子的很多關(guān)鍵為主，均承受比較大的集中應(yīng)力，比如葉輪根部表面、中壓第一級(jí)葉輪根部表面等，這是由轉(zhuǎn)子自身的結(jié)構(gòu)所引起，在啟動(dòng)時(shí)，葉輪根部表面會(huì)承受最大的集中應(yīng)力，本次計(jì)算結(jié)果為280Mpa。

然后是遞推算法計(jì)算結(jié)果。通過上文分析我們可知葉輪根部表面是轉(zhuǎn)子啟動(dòng)是承受最大應(yīng)力的部位，通過結(jié)合活力電廠實(shí)際數(shù)據(jù)，在熱應(yīng)力遞推算法的幫助下， 語言編程，計(jì)算出應(yīng)力集中系數(shù)為1.8。

最后通過對(duì)比兩種算法結(jié)果可知，二者基本吻合，其中有限元計(jì)算結(jié)果更加正確，遞推算法計(jì)算熱應(yīng)力精度更高，這為熱應(yīng)力在線監(jiān)測提供能夠了良好的幫助。其中對(duì)于遞推算法而言，最終結(jié)果比有限元計(jì)算結(jié)果略大，究其原因在于，前者沒有考慮到軸向熱流。

五、總結(jié)

從上述研究中我們能夠總結(jié)出，660MW超超臨界汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子在熱態(tài)啟動(dòng)過程中，集中熱應(yīng)力比較大的位置都集中在調(diào)節(jié)級(jí)葉輪根部中壓第一級(jí)葉輪根部表面等位置。因此在具體實(shí)踐過程中，針對(duì)汽輪機(jī)啟動(dòng)熱應(yīng)力監(jiān)測，需要重點(diǎn)關(guān)注上述的部位，特別是調(diào)節(jié)級(jí)前葉輪根部。與此同時(shí)，對(duì)于遞推算法而言，本身在計(jì)算結(jié)果精度方面有著良好的優(yōu)勢，能夠有效滿足火力發(fā)電的需要，從而更好的幫助實(shí)現(xiàn)對(duì)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力在線監(jiān)測。

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