660MW超超临界汽轮机转子热应力探析

龙良青

摘 要：文章以660MW超临界汽轮机转子热应力为研究对象，首先对本次热应力探究的意义进行了阐述分析，随后探讨了660MW超临界汽轮机转子的计算模型与初始条件与边界条件，最后对计算结果进行了讨论分析，希望能够为相关研究提供一定参考。

关键词：660MW超临界汽轮机;转子;热应力

一、660MW超临界汽轮机转子热应力探究意义

660MW超临界汽轮机转子在实际运行时，本身的有着非常高的主蒸汽压力，一般能够达到25Mpa，而转子的主蒸汽与再热蒸汽温度最高则能够达到600℃，相较于传统的亚临界汽轮机组，上述这些参数更大，因此转子本身的运营环境也更差。对于660MW超临界汽轮机转子而言，在实际运转过程中通常需要参与调峰运行，期间需要进行频繁的启停，且自身承担的负荷也经常发生变化，在汽轮机机组中，转子所处的工作环境最为恶劣，本身所处的环境温度变化也比较大，因此转子需要承受较大的温差，自身更容易产生非常大的交变热应力，在这种恶劣的环境下，通常会进一步加重转子的疲劳损耗，严重影响转子的使用寿命与机组整体运行安全，因此有必要对660MW超临界汽轮机转子运行产生的热应力进行讨论分析，了解转子热应力变化规律，降低热应力变化对转子本身带来的不利影响，从而更好的保障火力发电设备能够安全、稳定、经济运行。

二、计算模型

首先是温度场数学模型，假设沿周向的转子的温度相同，那么温度场数学模型具体如（1）式所示：

然后是转子有限元几何模型建立。在本次研究中，以某660MW超临界汽轮机转子为研究对象，该转子的型号为N660-25.0/600/600 ，在室温条件下，转子区分极限为654Mpa。由于转子本身较为复杂，且实际进行边界条件设置的难度比较高，不利于进行有限元计算，因此在不对转子应力场与温度场的影响下，文章做出了以下假设;

一是文章通过借助热弹性理论来实现对转子热应力的计算，因此会忽略蠕变对转子热应力带来的影响。

二是在进行转子热应力计算分析时，文章按照轴对称问题进行计算，从而能够有效的减轻计算量。

三是假设在初始状态下，转子的温度处于比较均匀的状态，并且转子的温度与水蒸气温度相等。

四是转子流场在分布方面，与自身周向基本保持一致，对于转子表面放热系数而言，可视为轴对称条件下同样适用。

五是对于汽封而言，主要会对水蒸气对转子表面热换系数带来影响，因此在几何模型中，可以对汽封进行一定的简化，因此可以在其表面，做好对流换热条件的施加。

六是蒸汽在进行热量传递时，会通过叶片来实现，且实践表明，这种热量不会对计算结果带来太大影响，因此，可对于其进行近似处理，使其成为蒸汽对转子各级叶轮外缘放热，放热系数取值为

七是假设转子是无线长简圆体，可以采用以下公式，计算叶片对转子叶轮的离心力：

在（2）式中，m 表示的是叶片的质量，w 表示的是转子的角速度，rp 表示的是叶片的平均半径。

以转子几何模型为依据，做好有限元的网格划分，在单元类型方面，采用了FLANE 13号四节点轴对称热耦合单元。

最后是递推算法分析。在机组转子热态启动过程中，相较于转子轴向热流，径向热流要远远高于前者，因此在计算温度场时，可采用递推方法完成计算。这种算法通过汽缸内壁温度，来实现转子表面温度的模拟，采用物性参数拟合成温度的函数，然后利用热力  叠加规律得出表面光轴热应力，最后完成该部位转子表面处的切向离心力和应力集中系数的计算。

三、初始条件与边界条件

首先是初始条件，现有某电厂660MW汽轮机热态启动初始温度场温度为416℃，机组的主蒸汽温度为600℃，主蒸汽汽压为25Mpa。在80%的负荷状态下，针对汽轮机通流部分，在计算汽温时，可以在热力计算的帮助下完成。同时在进行热力计算时，采用了定位工况作为基础，在汽轮转子冲转瞬间，很难借助相应理论，完成蒸汽疏量与机内效率的计算。此时，可以利用压比系数与温比系数，完成小流量问题的计算。

然后是边界条件设置方面，选择隔离体作为计算对象，在左右端，一般热流密度比较小，因此可以进行绝热处理。转子被视为轴对称的物体，因此对于自身的中心线而言，也可以进行绝热处理。在转子的表面。已知第三类的边界条件时放热系数与蒸汽的温度，因此在模型左端面，进行轴向零位移约束，在模型右端面，进行轴向自由端约束。

最后是换热系数计算。转子在启动时，表面放熱系数可以采用时间与空间函数来进行表示。在进行温度场计算时，需要明确转子的放热系数;因此文章在C语言的帮助下，完成了汽轮机通流部分蒸汽汽温、压力和哈汽-南工换热系数公式的程序的编制，最终完成了叶轮两侧缘、光轴、汽封的换热系数等关键部分的参数计算。

四、结果分析

首先是有限元计算。在自编计算程序的帮助下，顺利得到换热系数，然后将其作为热载荷和离心力，直接载入模型之中，在直接耦合法的帮助下，能够实现对热态启动过程的转子应力场的计算。由于该主蒸汽温度为600℃，转子在启动时，必然会受到较大的热膨胀变形影响。同时从有限元计算结果来看，随着转速、转子表面蒸汽温度与压力提升转子表面与蒸汽的换热强度也在增大，转子热量也在随之增大。最终会打破转子均匀温度的状态，导致转子热应力增加;转子在完成热态启动末尾，会承受最大的合成热应力，并且转子的很多关键为主，均承受比较大的集中应力，比如叶轮根部表面、中压第一级叶轮根部表面等，这是由转子自身的结构所引起，在启动时，叶轮根部表面会承受最大的集中应力，本次计算结果为280Mpa。

然后是递推算法计算结果。通过上文分析我们可知叶轮根部表面是转子启动是承受最大应力的部位，通过结合活力电厂实际数据，在热应力递推算法的帮助下， 语言编程，计算出应力集中系数为1.8。

最后通过对比两种算法结果可知，二者基本吻合，其中有限元计算结果更加正确，递推算法计算热应力精度更高，这为热应力在线监测提供能够了良好的帮助。其中对于递推算法而言，最终结果比有限元计算结果略大，究其原因在于，前者没有考虑到轴向热流。

五、总结

从上述研究中我们能够总结出，660MW超超临界汽轮机转子在热态启动过程中，集中热应力比较大的位置都集中在调节级叶轮根部中压第一级叶轮根部表面等位置。因此在具体实践过程中，针对汽轮机启动热应力监测，需要重点关注上述的部位，特别是调节级前叶轮根部。与此同时，对于递推算法而言，本身在计算结果精度方面有着良好的优势，能够有效满足火力发电的需要，从而更好的帮助实现对汽轮机转子热应力在线监测。

参考文献：

[1]马骏骅. 660MW超超临界汽轮机转子热应力分析[J]. 文摘版：工程技术， 2016， 000（001）：235-235.

[2]程东科， 檀炜， 刘永友.超超临界机组汽轮机转子应力保护分析与逻辑配置[J]. 浙江电力， 2016， 035（010）：43-48.