600MW超臨界汽輪機受損轉子熱力耦合有限元分析

唐遠富，陳紅冬，彭碧草，劉純，龍毅

(國網湖南省電力公司電力科學研究院，長沙市 410007)

600MW超臨界汽輪機受損轉子熱力耦合有限元分析

唐遠富，陳紅冬，彭碧草，劉純，龍毅

(國網湖南省電力公司電力科學研究院，長沙市 410007)

600 MW超臨界機組汽輪機高、中壓轉子蒸汽參數高，轉速高，工作環境惡劣，在運行過程中產生很大的應力變化，某600 MW超臨界機組由于某些原因導致轉子斷油燒瓦，嚴重影響到機組的安全運行。為了掌握轉子的應力狀態，保障轉子安全運行，采用有限元軟件ANSYS APDL對轉子在冷態啟動工況下進行有限元計算。基于工程熱力學計算，求解轉子各級的對流放熱系數，將其作為邊界條件加載到有限元模型上，進行溫度場的計算和分析，然后通過采用熱結構間接耦合法對轉子的應力場進行計算分析，得到轉子冷態啟動過程的應力分布和應力集中的部位。計算結果表明，受損轉子切削處理后等效應力小于屈服應力，但在調節級根部凹槽、擋油環與軸頸附近應力水平較大，此結論可為受損轉子的安全性評估及壽命管理提供技術支撐。

超臨界汽輪機；受損轉子；冷態啟動；有限元分析

0 引 言

汽輪機轉子在高轉速、高溫、高壓、蒸汽環境等惡劣條件下工作，由于頻繁的啟停、變負荷，機組要經常承受大幅度的溫度變化，從而使汽輪機轉子產生交變機械應力和熱應力，導致內部產生低周疲勞損耗，萌生裂紋，縮短整個機組的使用壽命[1-2]。在穩態運行工況下，轉子關鍵部位也承受較大的離心力，轉子各級之間溫度差引起的熱應力也較大。如今小型火電機組逐漸被淘汰，高參數、大容量的超(超)臨界機組得到普遍應用，其運行參數更高，運行環境更加惡劣，安全性要求更高[3]。近年來，國內發生了多次斷油燒瓦、軸承潤滑油系統缺陷等事故[4-5]，引起軸瓦損壞、汽封片磨損、軸頸磨損等損傷，更嚴重的可導致汽輪機大軸因永久彎曲和產生裂紋而報廢。為了保障汽輪機的安全穩定運行，有必要掌握超臨界機組在運行過程中的溫度分布和應力變化規律，為轉子的安全性評估及壽命管理提供技術支撐[6]。由于汽缸內高溫、高壓的惡劣環境及轉子結構的復雜性，依據現有的技術條件，轉子溫度場和應力場很難直接測量，一般是通過建立模型計算分析得到。對于轉子溫度場及熱應力求解的數學模型通常分為：(1)解析模型，由導熱微分方程式出發，采用積分變換的方法導出溫度的迭代計算公式進而求得熱應力；(2)數值模型，將轉子的連續結構體離散化，采用一系列代數方程來代替微分方程，進而導出其溫度及熱應力的計算公式[7-8]。

本文以某600 MW超臨界機組高、中壓受損轉子為研究對象，采用有限元軟件ANSYS APDL建立有限元模型，對受損轉子在冷態啟動過程中的溫度場和應力場進行計算分析，以期為運行人員提供參考。

1 轉子有限元模型

在汽輪機冷態啟動過程中，隨著轉子表面溫度和蒸汽參數的變化，轉子溫度分布嚴重不均，產生軸向和徑向溫差，從而產生熱應力。

1.1 受損轉子描述

某600 MW超臨界機組發生斷油燒瓦事故后，對機組轉子進行了返廠處理，對大軸軸頸、擋油環、汽封等部位進行了加工，其中對高、中壓轉子調端和電端擋油環，低壓轉子軸頸進行了加熱車削。

1.2 材料特性

高、中壓轉子材料為30CrMoV，其物理特性如表1所示。機組變工況下，材料的物理特性隨時間變化，材料的應力和應變是非線性的動態關系，在使用ANSYS對轉子進行熱力耦合分析時，將表1的物理特性參數輸入到ANSYS的材料數據文件中，ANSYS會將其作為初始條件，在有限元計算過程中根據溫度自動插值，從而得到轉子有限元模型各單元在相應溫度下的物理特性參數[9]。

表130CrMoV材料的物理特性

Tab.1Physicalpropertiesof30CrMoV

1.3 網格劃分

本文采用APDL參數化建模[10]，溫度場使用二維八節點PLANE77單元，應力場使用二維八節點PLANE183單元，在進行溫度場計算后，采用熱結構間接耦合法計算轉子熱應力。由于應力主要集中在轉子進氣端葉輪根部的過渡區、軸肩以及凹槽等部位，而且這些部位有時可能會有很大熱應力，因此在整體劃分網格的基礎上，對這些部位網格進一步細化，以提高計算精度，整個模型如圖1所示。由于重點考察整段轉子的溫度場和應力場，為了降低建模的復雜性，在建立幾何模型時，葉片產生的離心力采用加載等效質量塊的簡化方法加載到轉子上[11]。

圖1網格劃分

Fig.1Meshing

1.4 邊界條件

轉子左、右端面是整段轉子在汽缸外的截斷面，其與空氣之間的換熱系數很小，作絕熱處理；轉子內表面作絕熱邊界處理；轉子左、右軸頸部位溫度略高于軸承回油溫度，回油溫度在整個計算過程中保持恒定，作為第1類邊界條件；轉子外表面的溫度邊界條件由蒸汽對轉子表面的換熱速度決定，屬于已知表面換熱系數和流體溫度的第3類邊界條件(對流邊界條件)。

機組變工況時，轉子各部位與蒸汽的換熱系數隨時間、蒸汽參數的變化而變化[12-13]。不同部位的換熱系數也存在較大差別，一般采用經驗公式來計算不同部位的換熱系數，本文采用前蘇聯換熱系數計算經驗公式[14]。

在應力場計算中，轉子主要受到溫差引起的熱應力和轉速引起的離心力作用。軸表面為流體表面壓力邊界條件，轉子左、右支持軸承軸頸處徑向約束，轉子左端由于有止推軸承，左端端面軸向約束，其余部分軸向、徑向均可自由膨脹。熱應力分析中采用各向同性熱彈性材料模式。

2 計算結果與分析

圖2為某600 MW超臨界機組冷態啟動曲線，圖3給出了受損轉子在啟動后20 min和啟動結束時刻的溫度分布云圖。由圖2、3可知，調節級區域受主蒸汽流的影響，是啟動過程中溫度變化比較劇烈的區域，在啟動初期調節級溫升率較大，隨著暖機進行，溫升率降低。

圖4為啟動20 min后完好的高、中壓轉子與受損的高、中壓轉子等效應力分布云圖，最大等效應力均為521 MPa，發生在調節級根部凹槽處，其原因為此時為升速、機階段，轉子溫度變化劇烈，產生較大的熱應力。

圖2 600 MW超臨界機組冷態啟動曲線

圖3 受損轉子溫度分布云圖

圖5給出了啟動結束時完好轉子與受損轉子等效應力分布云圖，最大等效應力分別為493、536 MPa，均出現在擋油環與電端軸頸交接附近，此刻溫度分別為210、171 ℃，均小于屈服強度。受損轉子與完好轉子等效應力相差較大，主要是熱應力的變化。由于擋油環僅切削減薄4 mm，對離心力影響不會太大。軸頸段溫度在整個啟動過程保持恒定，在轉子傳熱的影響下，受損轉子的軸頸段與擋油環段的溫差比完好轉子大，熱應力更大。

圖5 啟動結束時轉子等效應力分布云圖

轉子調節級根部凹槽最大等效應力隨時間變化如圖6所示，由圖6可知，在整個啟動過程，完好轉子與受損轉子調節級凹槽的等效應力最大值均為521 MPa，兩者隨時間變化的應力曲線基本一致，都是在啟動初期迅速增大，之后減少再增大，最后減少至一定值后趨于穩定。擋油環處于軸頸附近，車削處理對調節級處的放熱系數、離心力影響不大，所以對調節級凹槽處應力分布影響較少。

圖6 冷態啟動過程轉子調節級根部凹槽最大等效應力隨時間變化

在整個冷態啟動過程中，等效應力最大值的位置隨著啟動過程有所變化，而不是固定于某個特定位置。圖7為冷態啟動過程轉子最大等效應力隨時間變化，由圖7可知，兩者變化趨勢一致，在啟動起始時刻最大等效應力分別為318、333 MPa，等效應力最大值出現在擋油環與軸頸交接處，在5～45 min這段時間，等效應力最大值出現在調節級根部凹槽處。在172～380 min時段，由于擋油環與軸頸處溫差逐漸增大，等效應力逐漸增大。在啟動終了時刻擋油環與軸頸處的溫差最大，熱應力最大。172 min以后，轉子轉速穩定在3 000 r/min，電端擋油環切削后轉子的離心力基本不變，但此處的對流放熱系數減少，但此處的對流放熱系數減少，在同樣的啟動工況下，受損轉子對流傳熱比完好轉子少，啟動172 min以后隨著溫度的增加，兩者之間傳熱相差越來越大，熱應力相差也越來越大。

圖7 冷態啟動過程轉子最大等效應力隨時間變化

3 結 論

(1)對600 MW超臨界受損轉子冷態啟動過程的溫度場和應力場進行了有限元計算與分析，結果表明，受損轉子切削處理后等效應力小于屈服應力，但在調節級根部凹槽、擋油環與軸頸附近應力水平較大，易萌生裂紋。

(2)在轉子運行過程中應嚴格控制蒸汽溫度變化率，防止溫度大幅波動，導致應力大幅提升，此外對應力集中部位應進行重點監測，避免產生疲勞裂紋。

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(編輯：蔣毅恒)

CoupledThermo-MechanicalFiniteElementAnalysisofDamagedRotorin600MWSupercriticalSteamTurbine

TANG Yuanfu, CHEN Hongdong, PENG Bicao, LIU Chun, LONG Yi

(Electric Power Research Institute, State Grid Hunan Electric Power Corporation, Changsha 410007, China)

Due to high steam parameters, high speed, poor working conditions of high and intermediate pressure rotors in 600 MW supercritical steam turbine, it will cause great stress change in the operation process. Rotor burnout occurred due to oil breakoff in a 600 MW supercritical unit, which seriously affected the safe operation of the unit. In order to grasp the stress state of the rotor, and ensure its safety operation, a finite element analysis mode was established by software ANSYS APDL for rotors under cold starting condition. Based on the engineering thermodynamics calculation, the convection coefficients of rotors were calculated, which was used as boundary conditions of the finite element model for the calculation and analysis of temperature field. Then the analytical method of indirect thermo-structure coupling was adopted to calculate and analyze the stress field of rotor, in which the stress distribution and the stress concentration position during the cold starting process of rotor could be obtained. The results show that the equivalent stress of rotor after cutting processing is less than its yield stress, but the stress is larger at the roots groove of governing stage, oil retainer and journal, which can provide technical support for the safety assessment and life management of damaged rotor.

supercritical steam turbine; damaged rotor; cold starting; finite element analysis

TM 621

： A

： 1000-7229(2014)04-0107-04

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.04.019

2013-10-09

：2013-11-10

唐遠富(1984)，男，工學博士，工程師，主要從事電站金屬監督與事故分析工作，E-mail：huitangyuan@163.com；

陳紅冬(1965)，男，本科，高級工程師，主要從事電網及電站金屬監督與事故分析工作；

彭碧草(1981)，男，工學博士，工程師，主要從事金屬材料技術和電站事故分析工作；

劉純(1974)，男，工學碩士，高級工程師，主要從事電網及電站金屬監督與事故分析工作；

龍毅(1968)，男，工學碩士，高級工程師，主要從事電網及電站金屬監督與事故分析工作。