論200MW機組調峰轉子熱應力場和壽命損耗

徐東茂

（華電新能源發展有限公司黑龍江分公司，黑龍江 牡丹江 157015）

1 計算原理

計算汽輪機轉子不穩定溫度場時，認為轉子是均質，各向同性，且無內熱源的物體，為軸對稱非穩定導熱問題。其數學模型為：

初始條件和邊界條件：

計算汽輪機轉子應力場時，認為轉子為完全彈性、連續、均質，各向同性的軸對稱問題。

利用虛功原理得：

2 試驗數據的處理

2.1 初始條件和邊界條件

由于試驗負荷都是從穩定工況開始變動，在計算時取相應負荷下的穩態溫度場作為初始溫度場。

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

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

2.2 蒸汽參數的處理

根據牡丹江第二發電廠#7機組（200 MW）的變負荷試驗數據，參考國內同類型機組的現場運行數據，將測得的主蒸汽溫度、壓力，調節級后溫度、壓力，再熱蒸汽溫度、壓力，以及前6段抽汽的溫度、壓力，進行仔細整理。由于是在確定的變負荷率下進行計算，故以功率作為自變量進行離散數據的擬合。利用處理好的已知蒸汽參數，再進行變工況計算，從而得出轉子各個部位的蒸汽溫度和壓力。

流過汽輪機通流部分的蒸汽所加熱的轉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轉子表面影響較大，但這部分汽流的蒸汽不同于通流部分的蒸汽參數，實際上是難以估算的。

2.3 蒸汽和金屬物性參數的確定

參照一些模型的驗算表明，金屬物性對溫度場的影響較小，但對熱應力場影響較大，而蒸汽物性對溫度場和熱應力場都會產生較大的影響。文章據物性擬合公式[1]，使金屬物性隨金屬溫度變化，蒸汽物性隨汽溫、壓力變化，計算表明，公式精度滿足要求。轉子材料為30Cr2MoV耐熱高強度鋼。

3 計算結果分析

3.1 變負荷過程中主蒸汽、再熱蒸汽溫度的變化對轉子溫度和應力的影響

蒸汽溫度的變化對轉子溫度分布及變化有極大的影響。高壓轉子表面各處的蒸汽溫度是主蒸汽溫度和負荷的函數，而中壓轉子表面各處的蒸汽溫度是主蒸汽溫度、再熱蒸汽溫度和負荷的函數。因此，轉子熱應力的大小和變化，除受負荷變化率的影響外，更主要是受主蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度變化的影響。雖然在變負荷調峰過程中，主蒸汽溫度變化不大，但應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，特別是應盡可能地避免汽溫的波動。汽溫波動將造成轉子熱應力的交變，使轉子疲勞損傷加劇，特別是要避免汽溫瞬間大幅度的變化。

3.2 變負荷調峰過程溫度場的特點

在變負荷調峰過程中，由于希望盡可能地保持主蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度不變，且采用兩閥全開的滑壓運行的調峰方式，故在整個調峰過程中，由滿負荷到達50%額定負荷，主、再熱蒸汽溫度變化僅有20℃。由于進汽部分徑向熱流較小，而主要是汽溫沿軸向變化而產生的軸向熱流，所以轉子內的溫度分布與穩定工況的溫度場相近。大多數等溫線傾斜度不大，只有在軸向蒸汽溫度差很大的部位，高溫蒸汽通過轉子向低溫蒸汽放熱，或通過中間段向兩端散熱（如各汽缸進汽室）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，等溫線沿熱流方向傾斜度逐漸減小，并出現一徑向等溫截面。在此截面的另一側，等溫線反向傾斜，且傾斜度沿熱流方向逐漸增大。

影響轉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 變負荷調峰過程應力場的特點

在變負荷調峰過程中，轉子應力的變化主要是由于熱應力變化而引起的，這與機組啟停過程中應力變化規律有很大的不同。由于受初始應力的影響，轉子內應力變化最大，引起疲勞損傷最大的部位，不一定是應力最大的部位。

在升負荷過程中，隨著轉子表面蒸汽溫度升高，其表面金屬溫度隨著升高，響應速度很快，中心孔表面金屬溫度的變化有滯后，使轉子內、外表面溫度差逐漸增大，熱應力隨著增大。雖然在整個升負荷過程中，金屬溫度場在升高，但由于中心孔表面金屬溫度的變化滯后于轉子表面金屬溫度的變化，轉子表面的切向熱應力為壓應力，而中心孔表面的切向熱應力為拉應力，在轉子內、外表面溫度差達最大時，熱應力也達最大值。

在降負荷過程中，隨著轉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子表面金屬溫度的變化，因此轉子表面出現拉應力，中心孔表面出現壓應力。由于徑向溫度梯度是非線性的，在轉子表面側溫度梯度較大，故軸向零應力線偏向轉子表面一側。

3.4 熱應力集中現象

熱彈性槽應力集中現象見表1。

表1 熱彈性槽應力集中現象

3.5 壽命損耗計算

通過計算得到，13級后葉輪根部向軸面過渡處為應變最大區。以上5種工況的壽命損耗均較小，但考慮到調峰的頻繁，其累積效果也不容忽視。

4 結論

（1）在變負荷調峰過程中，由于機組本身特性，使得升、降負荷過程中出現蒸汽參數波動，因此，通常以假定溫升率計算的結果與實際運行狀態有較大差異，以試驗數據為依據進行轉子溫度場、應力場的計算才有比較現實的意義。

（2）變負荷過程由于蒸汽參數的隨機變化，僅以變負荷率作為考察和控制調峰運行的依據是不夠全面的。建議調峰機組加裝應力在線監測裝置，以應力水平或應力變化幅值來控制機組負荷變化。

（3）文章計算的6種變負荷過程，壽命損耗均較小，但因為變負荷調峰頻繁進行，壽命損耗的累積不應忽視。高壓轉子調節級和中壓轉子13級后葉輪根部向軸面過渡處應力變化幅度較大，應以此作為重點考察的對象。此外，對于中壓前2號軸封凸肩處，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，使得凸肩處產生很大的切向壓應力和合成應力，此處也應作為重點考察區。