汽轮机转子热应力集中的有限元计算

汽轮机转子热应力集中的有限元计算

杨国栋1宋为平2

（1.2.哈尔滨汽轮机厂有限责任公司哈尔滨150046）

摘要：由于转子是汽轮机最重要的部位，在对其的寿命评估过程中，转子的损伤是一个逐步累积的过程，主要由温度和应力随时间的变化而造成的，所以对转子的温度场和应力场以及转子的疲劳损伤和蠕变损伤的研究和分析具有重要的意义。基于此，本文主要对汽轮机转子热应力集中的有限元计算进行分析探讨。

关键词：汽轮机转子；热应力集中；有限元计算

1、前言

随着资源越来越紧张，高参数特别是超超临界汽轮机的发展已经成为我们国家电力行业的发展趋势，但随着汽轮机蒸汽参数的提高，在启停以及变工况时，机组的零部件会受到剧烈的温度变化和交变的热应力的作用，零部件金属因低周疲劳而出现裂纹，影响机组的正常运行，消耗机组的使用寿命。有限元法是近几十年发展起来的一种数值计算方法，它是一种根据变分原理求解物理问题的算法。伴随着电子计算机的普及，出现了有限元分析软件。利用有限元软件可以迅速准确地进行温度场和热应力场的有限元计算。由于转子的寿命往往表征着机组的使用寿命，而在机组启停以及变工况时，转子中压第一级和调节级叶轮根部过渡段、向前轴封过渡区的轴肩以及前汽封的第一个弹性槽是低周疲劳裂纹最先出现的地方。因此，文中选取600MW超超临界汽轮机转子调节级为计算对象，利用有限元软件AYNSYS，对调节级在热态启动过程中的温度场和应力场进行了模拟分析。

2、计算模型

2.1计算模型的选取

某电厂汽轮机采用哈尔滨汽轮机厂生产的超超临界、一次中间再热、单轴、两缸两排汽、单背压、凝汽式汽轮机，汽轮机型号为CLN600－25/600/600。图1所示为超超临界600MW汽轮机高中压转子本体结构图，转子本体总长为7．608m，为整锻转子，无中心孔。转子所用材料为改良型12Cr，材料的物理性能参数如表1所示。

2.2汽轮机转子调节级有限元模型的建立

建立汽轮机转子调节级有限元计算模型，选取的隔离体主要尺寸为：隔离体轴向长度为504mm，转子半径为432．5mm，叶轮高度为122mm。在建立模型时，将叶片、叶轮以及转子视为一整体进行建模。考虑到汽轮机转子结构的对称性，对调节级的有限元分析可转化为求解二维轴对称平面的温度场及应力场问题。隔离体模型建立完成后，需对所建立的模型进行网格划分。在分析时选用自由网格划分方法，选择单元类型为plane55，划分完成后如图2所示，图2为600MW超超临界汽轮机调节级二维模型及计算网格。其中，单元总数为10857个，节点总数为11082个。

图2600MW超超临界汽轮机调节级二维模型及计算网格

2.3初始条件以及边界条件的处理

对汽轮机热态启动过程中调节级的温度场以及应力场进行分析时，需要对其初始条件以及边界条件进行处理。根据热态启动要求，对计算隔离体添加均匀的且初始温度为416℃的温度场。在计算分析隔离体的温度场及应力场时，除确定计算所需要的初始条件外，还应对计算模型合理的添加边界条件。如图2所示，所建立的调节级计算模型两边的截断面，由于热流密度非常小，在计算时可视为绝热边界。对于中心边界，由于转子为轴对称结构，因此也可看作绝热边界来处理。调节级外表面应添加已知介质温度以及放热系数的第三类边界条件。在计算隔离体的应力场时，将计算得到的温度场作为已知的温度载荷施加到计算模型上，并对模型施加位移约束，考虑到转子的结构特性，左右截断面设为自由端，中心边界添加对称约束。

2.4对流换热系数的确定

在对汽轮机转子调节级的温度场进行分析时，需要对调节级表面添加对流边界条件。因此，需要确定蒸汽与调节级表面的对流换热系数。对于对流换热系数的计算往往通过换热系数的公式来确定。文中引用的计算公式为阿尔斯通换热系数计算公式。阿尔斯通放热系数计算公式中放热系数仅仅是温度和压力的函数，计算简洁，没有复杂的数学运算过程。由于汽轮机在启动过程中蒸汽温度、压力、流速、以及转速均是随时间变化的，利用阿尔斯通放热系数计算公式，就可将放热系数转换成时间的函数。

3、有限元计算结果分析

3.1温度场结果分析

汽轮机热态启动调节级温度场分析结果从所求得的转子调节级温度场的结果可以看出，汽轮机冲转10min时，等温线相较启动终了时刻以及额定运行20min时密集得多，这主要是因为转子在启动初期直接受到径向热流的作用而造成的，而图3、图4中转子的温度分布比较均匀。热态启动过程转子表面与中心处温度差随时间变化曲线，冲转时刻温度差变化率较大，启动终了时温差最大。因此，启动终了时刻，转子所受热应力最大。

3.2应力场结果分析

分析计算得到转子调节级的温度场后，将得到的温度场计算结果作为应力计算的温度载荷添加到调节级模型上，进而计算出调节级的应力场。

从应力场计算结果可以看出，由于在热态启动过程中，转子调节级表面受到压力和温度不断提高的蒸汽作用，调节级表面温度也随之不断增加，蒸汽和调节级表面的对流换热强度不断加强，致使调节级体内不均匀的温度分布，造成转子热应力不断增大。转子调节级在热态启动结束时刻受到的热应力最大，最大应力达到296MPa。额定运行20min后，转子仍然受到较大的热应力作用，最大应力为279MPa。从转子调节级应力场的分布规律可以发现，调节级叶轮根部出现了较大的应力集中，是应力最大部位。因此，对汽轮机转子的热应力监测，可以选取调节级叶轮根部为重点监测点，开发汽轮机转子热应力在线监测系统。

4、结论

（1）利用有限元软件ANSYS很好地模拟出了600MW超超临界汽轮机转子调节级的温度场和应力场，从计算结果可以看出调节级叶轮根部出现了较大的应力集中，会影响机组的使用寿命，应当引起重视。

（2）汽轮机转子调节级边界条件的添加方法，对其它机组转子温度场和应力场的分析具有一定的指导意义。

（3）根据调节级应力场的计算结果，找到了转子的危险部位，可选取该部位为监测点，以热应力为监测参数，开发汽轮机转子热应力在线监测系统。

参考文献：

［1］王光定，孟召军．汽轮机高、中压转子振动的有限元法模态分析［J］．热力发电，2015，44（9）：105－108．

［2］刘彦丰，郝润田，高建强，等．转子物性对超临界汽轮机启动热应力的影响［J］．热能动力工程，2008，23（1）：21－23．

［3］蒋志强，陈坚红，盛德仁，等．轴封槽简化对汽轮机转子热应力计算结果的影响［J］．热力发电，2006，（5）：11－15．

［4］孟召军，王光定，孟帅．超超临界600MW汽轮机调节级温度场的分析［J］．沈阳工程学院学报：自然科学版，2014，10（3）：217－220．

作者简介：

杨国栋（1987-），男，工程师，现从事汽轮机轴系研发和振动处理工作