660MW超超臨界汽輪機轉子熱應力探析

龍良青

摘 要：文章以660MW超臨界汽輪機轉子熱應力為研究對象，首先對本次熱應力探究的意義進行了闡述分析，隨后探討了660MW超臨界汽輪機轉子的計算模型與初始條件與邊界條件，最后對計算結果進行了討論分析，希望能夠為相關研究提供一定參考。

關鍵詞：660MW超臨界汽輪機;轉子;熱應力

一、660MW超臨界汽輪機轉子熱應力探究意義

660MW超臨界汽輪機轉子在實際運行時，本身的有著非常高的主蒸汽壓力，一般能夠達到25Mpa，而轉子的主蒸汽與再熱蒸汽溫度最高則能夠達到600℃，相較于傳統的亞臨界汽輪機組，上述這些參數更大，因此轉子本身的運營環境也更差。對于660MW超臨界汽輪機轉子而言，在實際運轉過程中通常需要參與調峰運行，期間需要進行頻繁的啟停，且自身承擔的負荷也經常發生變化，在汽輪機機組中，轉子所處的工作環境最為惡劣，本身所處的環境溫度變化也比較大，因此轉子需要承受較大的溫差，自身更容易產生非常大的交變熱應力，在這種惡劣的環境下，通常會進一步加重轉子的疲勞損耗，嚴重影響轉子的使用壽命與機組整體運行安全，因此有必要對660MW超臨界汽輪機轉子運行產生的熱應力進行討論分析，了解轉子熱應力變化規律，降低熱應力變化對轉子本身帶來的不利影響，從而更好的保障火力發電設備能夠安全、穩定、經濟運行。

二、計算模型

首先是溫度場數學模型，假設沿周向的轉子的溫度相同，那么溫度場數學模型具體如（1）式所示：

然后是轉子有限元幾何模型建立。在本次研究中，以某660MW超臨界汽輪機轉子為研究對象，該轉子的型號為N660-25.0/600/600 ，在室溫條件下，轉子區分極限為654Mpa。由于轉子本身較為復雜，且實際進行邊界條件設置的難度比較高，不利于進行有限元計算，因此在不對轉子應力場與溫度場的影響下，文章做出了以下假設;

一是文章通過借助熱彈性理論來實現對轉子熱應力的計算，因此會忽略蠕變對轉子熱應力帶來的影響。

二是在進行轉子熱應力計算分析時，文章按照軸對稱問題進行計算，從而能夠有效的減輕計算量。

三是假設在初始狀態下，轉子的溫度處于比較均勻的狀態，并且轉子的溫度與水蒸氣溫度相等。

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

五是對于汽封而言，主要會對水蒸氣對轉子表面熱換系數帶來影響，因此在幾何模型中，可以對汽封進行一定的簡化，因此可以在其表面，做好對流換熱條件的施加。

六是蒸汽在進行熱量傳遞時，會通過葉片來實現，且實踐表明，這種熱量不會對計算結果帶來太大影響，因此，可對于其進行近似處理，使其成為蒸汽對轉子各級葉輪外緣放熱，放熱系數取值為

七是假設轉子是無線長簡圓體，可以采用以下公式，計算葉片對轉子葉輪的離心力：

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

以轉子幾何模型為依據，做好有限元的網格劃分，在單元類型方面，采用了FLANE 13號四節點軸對稱熱耦合單元。

最后是遞推算法分析。在機組轉子熱態啟動過程中，相較于轉子軸向熱流，徑向熱流要遠遠高于前者，因此在計算溫度場時，可采用遞推方法完成計算。這種算法通過汽缸內壁溫度，來實現轉子表面溫度的模擬，采用物性參數擬合成溫度的函數，然后利用熱力? 疊加規律得出表面光軸熱應力，最后完成該部位轉子表面處的切向離心力和應力集中系數的計算。

三、初始條件與邊界條件

首先是初始條件，現有某電廠660MW汽輪機熱態啟動初始溫度場溫度為416℃，機組的主蒸汽溫度為600℃，主蒸汽汽壓為25Mpa。在80%的負荷狀態下，針對汽輪機通流部分，在計算汽溫時，可以在熱力計算的幫助下完成。同時在進行熱力計算時，采用了定位工況作為基礎，在汽輪轉子沖轉瞬間，很難借助相應理論，完成蒸汽疏量與機內效率的計算。此時，可以利用壓比系數與溫比系數，完成小流量問題的計算。

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

最后是換熱系數計算。轉子在啟動時，表面放熱系數可以采用時間與空間函數來進行表示。在進行溫度場計算時，需要明確轉子的放熱系數;因此文章在C語言的幫助下，完成了汽輪機通流部分蒸汽汽溫、壓力和哈汽-南工換熱系數公式的程序的編制，最終完成了葉輪兩側緣、光軸、汽封的換熱系數等關鍵部分的參數計算。

四、結果分析

首先是有限元計算。在自編計算程序的幫助下，順利得到換熱系數，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，能夠實現對熱態啟動過程的轉子應力場的計算。由于該主蒸汽溫度為600℃，轉子在啟動時，必然會受到較大的熱膨脹變形影響。同時從有限元計算結果來看，隨著轉速、轉子表面蒸汽溫度與壓力提升轉子表面與蒸汽的換熱強度也在增大，轉子熱量也在隨之增大。最終會打破轉子均勻溫度的狀態，導致轉子熱應力增加;轉子在完成熱態啟動末尾，會承受最大的合成熱應力，并且轉子的很多關鍵為主，均承受比較大的集中應力，比如葉輪根部表面、中壓第一級葉輪根部表面等，這是由轉子自身的結構所引起，在啟動時，葉輪根部表面會承受最大的集中應力，本次計算結果為280Mpa。

然后是遞推算法計算結果。通過上文分析我們可知葉輪根部表面是轉子啟動是承受最大應力的部位，通過結合活力電廠實際數據，在熱應力遞推算法的幫助下， 語言編程，計算出應力集中系數為1.8。

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

五、總結

從上述研究中我們能夠總結出，660MW超超臨界汽輪機轉子在熱態啟動過程中，集中熱應力比較大的位置都集中在調節級葉輪根部中壓第一級葉輪根部表面等位置。因此在具體實踐過程中，針對汽輪機啟動熱應力監測，需要重點關注上述的部位，特別是調節級前葉輪根部。與此同時，對于遞推算法而言，本身在計算結果精度方面有著良好的優勢，能夠有效滿足火力發電的需要，從而更好的幫助實現對汽輪機轉子熱應力在線監測。

參考文獻：

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