高參數機組調節級噴嘴葉柵熱應力分析

張瑞青

（沈陽工程學院能源與動力工程系 遼寧 沈陽 110136）

高參數機組調節級噴嘴葉柵熱應力分析

張瑞青

（沈陽工程學院能源與動力工程系 遼寧 沈陽 110136）

隨著超臨界機組甚至是超超臨界機組應用越來越廣泛，在變工況條件下，調節級部分的工作環境變得更加惡劣。本文以某600MW超超臨界汽輪機為例，應用ANSYS建立了調節級噴嘴室的有限元分析模型，得到了變工況下應力分布規律，模擬出整個調節級噴嘴室、噴嘴的應力分布圖，了解噴嘴室、噴嘴葉柵應力最高的部分，為研究機組變工況下熱應力的分析提供了理論基礎，并為機組的啟動優化提供了參考。

調節級；噴嘴組；熱應力；溫度場

0 引言

超超臨界汽輪機具有大容量、高參數的特性，進汽蒸汽的溫度超過600℃，壓力達27MPa。機組配汽方式為噴嘴配汽，其調節級分為幾個噴嘴組，每一組各由一個調節汽門控制，蒸汽要經過幾個依次開啟或關閉的調節汽門，以改變調節級的通流面積控制進入汽輪機的蒸汽量。但汽輪機在啟停以及變負荷運行等非穩定工況時，噴嘴調節方式會導致主要部件溫度梯度較大，引起高壓缸各級相當大的熱應力和熱變形，致使機組壽命損耗[1-2]。本文采用有限元分析方法，通過對汽輪機調節級熱應力場進行分析，模擬出整個調節級噴嘴室的應力分布圖，以便了解噴嘴熱應力最高的部分，并為機組的變工況運行提供參考。

1 調節級噴嘴的應力場模型

1.1 溫度場模型

在計算穩定工況下調節級噴嘴的溫度場時，可認為進汽室和噴嘴組壁面是一個均勻、各向同性并且內無熱源的模型，屬于解軸對稱定常溫度函數問題，溫度滿足下列偏微分方程[3]：

式中，τ 為時間間隔，s；r、z分別為徑向、軸向坐標軸，m；λ為材料的導熱率，W/（m.℃）；ρ為材料的密度，kg/m3；Cp為材料的比熱，J/（kg.℃）。

求解該微分方程的初始條件為物體邊界上的溫度函數已知的第一類邊界條件，即：

其中，Γ 為物體邊界；為已知溫度；f（r，z，t）為已知溫度函數

噴嘴組其外表面可作為已知放熱系數及介質溫度的第三類邊界條件，即：

其中，tf為流體介質的溫度，℃；h為蒸汽與噴嘴組放熱系數，W/（m2.℃）。

1.2 應力場模型

將進汽室及噴嘴組截面簡化為圓柱模型，然后采用解析方法計算出熱應力。在汽輪機的啟動、停機和變負荷過程中，圓柱任意半徑r處的徑向熱應力σr、切向熱應力σθ和軸向熱應力σz的計算公式分別為[4]：

式中：α為工作溫度下材料的線膨脹系數；E為工作溫度下材料的彈性模量；μ為工作溫度下材料的泊松比；θm為圓柱體積平均溫度；t為圓柱半徑r處的工作溫度。

1.3 幾何模型

建模時將600MW超超臨界汽輪機進汽室及噴嘴組截面作為研究對象。按結構圖紙取進汽室內半徑0.075m，外半徑0.13，噴嘴截面長 0.08m，進口高 0.043m，出口高 0.032m，劃分網格后的幾何模型如圖1所示。

圖1 有限元模型網格劃分

2 計算實例

2.1 材料物性參數的確定

采用有限元模擬調節級進汽室及噴嘴的溫度場和應力場時，材料的物理性能參數的選取直接影響到溫度場和應力場計算結果的準確性。材料的物性參數如導熱系數及熱膨脹系數等均是依賴于溫度的，其值隨著溫度而改變，但由于材料在高溫下的導熱實驗數據不易獲得，因此本文分析過程中將其作為常量處理，即不考慮材料對溫度的非線性效應。

根據該汽輪機相關資料，得到調節級噴嘴室及噴嘴材料為CrMoVNbN合金鋼，其主要物性參數中密度為7750kg/m3，彈性模量為2.06×1011Pa，泊松比為0.3。

2.2 初始條件的確定

根據機組運行數據得到不同負荷時調節級金屬對應的溫度作為初始條件，如表1所示。

表1 調節級溫度與機組負荷值記錄

2.3 應力場分布

圖2 機組負荷為600MW時的等效應力場分布圖

調節級噴嘴室和噴嘴受到熱沖擊時會發生體積和形狀的改變，故應根據第四強度理論判斷其應力水平。ANSYS中的等效應力(Von Mises stress)是程序根據第四強度理論計算獲得的[5]。因為在實際中很難找到真正的單軸拉壓的情況，一般結構的受力都沒有這么簡單，所以在分析的時候需要用等效應力來將各主應力進行轉化，因此應該用等效應力來描述應力集中的現象，來繪制各工況下的等效應力圖。圖2為600MW負荷時的等效應力場分布圖。

同理計算各工況下調節級噴嘴室和噴嘴的最大、最小應力和平均應力水平，統計數據如表2所示，應力單位為Pa。

表2 各工況下應力水平統計(×106Pa)

從表2看出，隨著負荷的增加，調節級噴嘴室和噴嘴本體整體的熱應力也會隨之增加。整個噴嘴本體的熱應力比較大，并且隨著蒸汽流動方向上逐漸變大，呈不均勻分布，最大熱應力出現在了噴嘴出口處，最小熱應力出現在噴嘴蒸汽節流后和噴嘴外壁上下兩端；噴嘴汽室熱應力分布沿厚度方向從內到外逐漸降低，呈不規則分布。

3 結論

3.1 本文模擬了調節級進汽室和噴嘴葉柵在不同工況下的穩態熱應力場，分析結論與傳熱學理論推論一致，說明模型的簡化和邊界的處理基本合理。

3.2 通過有限元分析的結果可以用于調節級噴嘴葉柵熱應力場分布分析，為汽輪機熱應力在線系統的監測提供了有力的依據，為縮短停啟機時間和提高調峰的靈活性提供了一種手段。

［1］李勇,聶玉火.不同配汽方式下汽輪機調節級后轉子的熱應力分析[J].汽輪機技術,2009,51（4）：272-275,244.

［2］支小牧,寇可新,曹向秋.汽輪機轉子熱應力在線監測、壽命管理及優化啟停的研究[J].動力工程,2001,20(1):543-547.

［3］楊世銘,陶文銓.傳熱學[M].北京：高等教育出版社,2006.

［4］史進淵,楊宇,鄧志成,等.基于人工神經網絡的汽輪機轉子等效應力的在線計算方法[J].動力工程，2009,29（4）：316-319,325.

［5］王澤鵬,張秀輝,胡仁喜.ANSYS12.0熱力學有限元分析從入門到精通[M].北京：機械工業出版社,2010.

本文的研究成果受到沈陽工程學院科技基金項目（LGQN-1013）資助。

張瑞青（1975—），女，漢族，山西大同人，研究生，講師，從事電廠汽輪機經濟性診斷研究。

王靜］