亞臨界汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的壽命計(jì)算

王曉東

（哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱150046）

亞臨界汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的壽命計(jì)算

王曉東

（哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱150046）

針對國產(chǎn)亞臨界汽輪機(jī)，對其轉(zhuǎn)子的壽命進(jìn)行了分析研究，討論了對汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子壽命有重要影響的因素，并給出了汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子溫度場和應(yīng)力以及轉(zhuǎn)子使用壽命的計(jì)算方法。研究結(jié)果對實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子壽命的科學(xué)管理和優(yōu)化分配具有一定的指導(dǎo)意義。

汽輪機(jī)；轉(zhuǎn)子；壽命；低周疲勞；應(yīng)力

當(dāng)前我國各大電網(wǎng)一般都以火電為主，為滿足對電力需求不斷增大的晝夜峰谷差值，某些火電機(jī)組需參與調(diào)峰運(yùn)行。調(diào)峰機(jī)組要求啟動和停止快速便捷，因此進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽參數(shù)變化大，在頻繁啟停的負(fù)荷工況下引起汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子尤其是調(diào)節(jié)級部位金屬溫度發(fā)生劇烈變化，機(jī)組部套承受劇烈熱交變應(yīng)力的變化，部件容易產(chǎn)生疲勞損耗，對機(jī)組運(yùn)行造成威脅，限制了機(jī)組調(diào)峰的能力。此外，一些發(fā)電機(jī)組，包括火電及核能發(fā)電機(jī)組都面臨著老化的問題[1]。所以，對發(fā)電機(jī)組壽命的研究和管理，成為從事汽輪機(jī)技術(shù)管理研究工作者關(guān)注和研究的熱點(diǎn)問題。

發(fā)電機(jī)組的壽命通常取決于其最薄弱環(huán)節(jié)的壽命，對于火電和核能發(fā)電機(jī)組，其最薄弱的環(huán)節(jié)為汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子。本文將針對國產(chǎn)亞臨界汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子對其進(jìn)行壽命研究和計(jì)算，以期在汽輪機(jī)的使用過程中對其壽命進(jìn)行科學(xué)的管理，從而實(shí)現(xiàn)最佳的經(jīng)濟(jì)效益。

1 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子壽命計(jì)算

一般而言，汽輪機(jī)壽命的定義包括安全性能的保證以及經(jīng)濟(jì)效益的保證兩方面。對于汽輪機(jī)而言，影響其壽命的因素主要為兩種因素，因?yàn)槠啓C(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)行過程中處在高溫高壓高轉(zhuǎn)速的工作環(huán)境，必然會產(chǎn)生熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力交替作用產(chǎn)生的周期性疲勞。從而造成汽輪機(jī)的壽命與熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力疲勞造成的轉(zhuǎn)子本體的損傷有著直接的關(guān)系。汽輪機(jī)高壓模塊縱剖面圖（轉(zhuǎn)動部件和靜止部件工作示意圖）如圖1所示。

圖1 汽輪機(jī)高壓模塊縱剖面圖（轉(zhuǎn)動部件和靜止部件工作示意圖）

1.1 溫度場計(jì)算

將汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子假定為一個(gè)無自發(fā)熱的、材質(zhì)均勻的標(biāo)的物作為轉(zhuǎn)子溫度場計(jì)算的前提條件。對哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司生產(chǎn)的亞臨界汽輪機(jī)型汽輪機(jī)高壓轉(zhuǎn)子進(jìn)行計(jì)算測試：假設(shè)轉(zhuǎn)子不同截面的溫度差不超過7.5%，因此，在計(jì)算誤差是可以允許的前提下，可使用一維解法來計(jì)算轉(zhuǎn)子溫度場，這樣可以大大減少計(jì)算的工作量。

通過對轉(zhuǎn)子邊界條件的研究（包括局部結(jié)構(gòu)），汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動部件材料的溫度場一階非穩(wěn)定導(dǎo)溫方程和起始約束條件按下式進(jìn)行推導(dǎo)：

推導(dǎo)公式中，T代表轉(zhuǎn)動材料任何隨機(jī)點(diǎn)的熱度，單位℃；Ⅹ表示轉(zhuǎn)動材料徑向任何點(diǎn)半徑尺寸，單位м；τ表示任何運(yùn)行時(shí)間，單位s；T表示轉(zhuǎn)動材料原始熱度，單位℃；Tf表示運(yùn)行汽體熱度，單位℃；R0表示轉(zhuǎn)動材料外表面半徑尺寸，單位м；Rb表示轉(zhuǎn)動材料內(nèi)孔半徑尺寸，單位m；k表示轉(zhuǎn)動材料導(dǎo)溫系數(shù)，單位kсаl/mh℃；H表示蒸汽對轉(zhuǎn)動材料放熱系數(shù)，單位kсаl/mh℃；а表示轉(zhuǎn)動材料金屬熱導(dǎo)溫率，單位m2/h.

只要選取適當(dāng)?shù)臅r(shí)間間隔，計(jì)算的結(jié)果表明計(jì)算的精度完全滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的。

1.2 應(yīng)力計(jì)算

（1）轉(zhuǎn)子材料的熱應(yīng)力計(jì)算公式

（2）轉(zhuǎn)動材料（轉(zhuǎn)子）離心應(yīng)力的計(jì)算公式

公式中，σc表示轉(zhuǎn)動材料（轉(zhuǎn)子）工作運(yùn)行情況下，任意一點(diǎn)轉(zhuǎn)速的離心應(yīng)力所產(chǎn)生的切向應(yīng)力MPа；σθ表示轉(zhuǎn)動材料（轉(zhuǎn)子）額定工作運(yùn)行情況轉(zhuǎn)速下n0的切向應(yīng)力所產(chǎn)生的離心應(yīng)力MPа.

（3）轉(zhuǎn)動材料（轉(zhuǎn)子）的材料合成應(yīng)力

根據(jù)材料力學(xué)設(shè)計(jì)手冊中的第一強(qiáng)度理論公司可以得到：

σeq＝σc+σth

σeq公式中，表示轉(zhuǎn)動材料（轉(zhuǎn)子）內(nèi)孔圓面或外圓面處的合成應(yīng)力MPа.

機(jī)組運(yùn)行過程中，考慮轉(zhuǎn)動材料（轉(zhuǎn)子材料）熱應(yīng)力的集中系數(shù)kth，轉(zhuǎn)動材料（轉(zhuǎn)子）的最大理論應(yīng)力值σmax＝kh+σeqMPа.

轉(zhuǎn)動材料（轉(zhuǎn)子材料）理論應(yīng)力的裕度k規(guī)定為：

公式中，[σ]表示轉(zhuǎn)動材料（轉(zhuǎn)子）的許用應(yīng)力值MPа；σmax表示轉(zhuǎn)動材料（轉(zhuǎn)子）外圓面處的最大理論應(yīng)力值MPа.

1.3 轉(zhuǎn)子壽命計(jì)算

汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)動材料的壽命最重要的是第一條蠕變損傷造成的宏觀裂紋的產(chǎn)生時(shí)間點(diǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)子出現(xiàn)第一條宏觀裂紋在直徑達(dá)到0.2～0.5 mm時(shí)，會對汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生致命性的損傷，就如同人體的疾病從良性到惡性的一個(gè)質(zhì)變，轉(zhuǎn)子的壽命就人體一樣元?dú)獯髠彼僮呦虿豢赡娴臓顟B(tài)，由于技術(shù)的改進(jìn)，汽輪機(jī)汽缸采用雙層汽缸的結(jié)構(gòu)，汽缸的承受的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于轉(zhuǎn)子，汽缸的使用壽命大大延長，所以汽輪機(jī)的使用壽命主要取決于轉(zhuǎn)子材料的壽命。

在汽輪機(jī)組運(yùn)行的過程中直接影響汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動部件（轉(zhuǎn)子材料）壽命的原因種類很多，例如材料低周疲勞蠕變斷裂、持久斷裂、應(yīng)力松弛、材料熱脆性、熱疲勞以及高溫汽體的氧化和化學(xué)腐蝕等。但主要原因是熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力交替作用產(chǎn)生的周期性疲勞造成材料壽命損耗，以及受到熱應(yīng)力的交替更換而產(chǎn)生的蠕變損耗[2]。

通常采用轉(zhuǎn)動材料（轉(zhuǎn)子）總的疲勞壽命損耗率，表示轉(zhuǎn)動材料（轉(zhuǎn)子）低周疲勞特點(diǎn)對轉(zhuǎn)動材料（轉(zhuǎn)子）壽命的損耗趨勢，并將循環(huán)次數(shù)的倒數(shù)作為損耗率，即：

公式中，N為循環(huán)次數(shù)，如果不考慮材料的蠕變，則準(zhǔn)f達(dá)到100%時(shí)，通常確認(rèn)轉(zhuǎn)動材料壽命結(jié)束，即轉(zhuǎn)動材料產(chǎn)生第一段材料縫隙。

隨著轉(zhuǎn)動材料（轉(zhuǎn)子）金屬材料溫度變化量和溫度變化率的遞增，轉(zhuǎn)子材料內(nèi)部的熱應(yīng)力就隨之增大，轉(zhuǎn)子的壽命損耗也越快。

汽輪機(jī)組運(yùn)行過程中，通流部件轉(zhuǎn)動材料（轉(zhuǎn)子）在高溫蒸汽中工作，材料溫度都很高，在高溫蒸汽工作條件下轉(zhuǎn)動部件（轉(zhuǎn)子）及其它零部件都會產(chǎn)生材料蠕變，損耗材料壽命。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動部件（轉(zhuǎn)子）的材料蠕變壽命損耗率準(zhǔn)c可按下列公式計(jì)算：

公式中：t表示機(jī)組運(yùn)行工作中具備某種條件下運(yùn)行時(shí)間總和；ta表示在機(jī)組運(yùn)行的對應(yīng)狀態(tài)下金屬材料臨界點(diǎn)處蠕變斷裂時(shí)間。

針對汽輪機(jī)組每次運(yùn)行循環(huán)時(shí)，各個(gè)部位的零件的工作溫度都不盡相同，各部件所承受的綜合應(yīng)力也不同，所以總的蠕變壽命損耗通過疊加累積的形式列出，如下：

汽輪機(jī)組運(yùn)行過程中，假設(shè)部件應(yīng)力沒有變化，轉(zhuǎn)動部件（轉(zhuǎn)子）材料蠕變斷裂時(shí)間隨著工作溫度的升高而變短；假設(shè)部件的溫度沒有變化，轉(zhuǎn)動部件（轉(zhuǎn)子）材料蠕變斷裂時(shí)間隨著應(yīng)力的變大而變短。轉(zhuǎn)動材料蠕變損耗累積到一定量時(shí)，在轉(zhuǎn)動部件（轉(zhuǎn)子）的最薄弱部位容易產(chǎn)生局部裂紋，從而會導(dǎo)致轉(zhuǎn)動部件（轉(zhuǎn)子）某些部位引起蠕變變形，往往容易引起機(jī)組通流的某些部位產(chǎn)生動靜摩擦問題，所以一般規(guī)定汽輪機(jī)組運(yùn)行10O 000 h后，總的蠕變變形量不得超過0.1%.

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動部件（轉(zhuǎn)子）材料壽命的評估方法之一，采用線性累積損傷法，即轉(zhuǎn)子的累積總壽命損耗率M為低周疲勞損傷與高溫蠕變損傷之和：

公式中M=100%時(shí)，表示轉(zhuǎn)動部件材料壽命完結(jié)，轉(zhuǎn)動部件的某些區(qū)域可能出現(xiàn)局部微裂。

通過推導(dǎo)公式可以判斷，轉(zhuǎn)動部件（轉(zhuǎn)子）材料的使用壽命取決于如何分配。目前國內(nèi)外汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)使用壽命一般為30年，按年運(yùn)行時(shí)間8000h計(jì)算，30年要運(yùn)行24×105h[3].若某轉(zhuǎn)子材料的蠕變斷裂時(shí)間為80×105h，則30年內(nèi)轉(zhuǎn)子材料蠕變壽命損耗率為30%，因此轉(zhuǎn)子低周疲勞壽命損耗率就應(yīng)控制在小于70%之內(nèi)。目前，各汽輪機(jī)制造廠家均會根據(jù)材料壽命理論，對自主研發(fā)的亞臨界、超臨界和超超臨界等大功率汽輪機(jī)組（例如30萬千瓦等級以上發(fā)電機(jī)組），通過各種計(jì)算和試驗(yàn)都能詳盡的列舉出材料壽命分配方案。同時(shí)根據(jù)各自的汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合機(jī)組的不同功能分類規(guī)定汽輪機(jī)在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，機(jī)組的不同啟動方式例如冷態(tài)啟動、熱態(tài)啟動、正常停機(jī)、電負(fù)荷、變工況等運(yùn)行方式下，核算出機(jī)組循環(huán)次數(shù)，同時(shí)確定機(jī)組每次循環(huán)相對應(yīng)的壽命損耗率，電廠根據(jù)制造廠提供的具體運(yùn)行維護(hù)操作，能夠有效地控制汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的使用壽命。

2 結(jié)束語

本文對亞臨界汽輪機(jī)組的高中壓轉(zhuǎn)子進(jìn)行了溫度場、熱應(yīng)力場和機(jī)械應(yīng)力場的分析，研究了影響汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子壽命的主要因素，并對汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子壽命進(jìn)行了分析計(jì)算，其結(jié)果對汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子和機(jī)組工作周期進(jìn)行有效的評估，由此對汽輪機(jī)臨近壽命周期的部件進(jìn)行更換來提高汽輪機(jī)機(jī)組的是使用壽命，并對運(yùn)行工況進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整以及對其壽命進(jìn)行科學(xué)的管理，以實(shí)現(xiàn)最佳的經(jīng)濟(jì)效益具有重要的指導(dǎo)意義。

[1]張保衡.大容量火電機(jī)組壽命管理與調(diào)峰運(yùn)行[M].北京：水利電力出版社，1988.

[2]徐鴻，朱方堯，張保衡.計(jì)算轉(zhuǎn)子中心孔表面瞬態(tài)應(yīng)力的新方法[J].華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，1988，卷1（1）：15-19.

Life Calculation of Rotor of Subcritical Steam Turbine

WANG Xiao-dong
（Harbin Turbine Company Limited，Harbin Heilongjiang 150046，China）

For domestic subcritical steam turbine，discussing the factors that’s important to the turbine rotor，and show the way of calculation of temperature field and stress for turbine rotor.This research provide significant reference for scientific management and good use of turbine longevity.

turbine；rotor；longevity；low cycle fatigue

TK263.6

A

1672-545X（2017）06-0271-03

2017-03-24

王曉東（1974-），男，黑龍江齊齊哈爾人，本科，工程師，目前從事汽輪機(jī)技術(shù)方面工作。