高参数机组调节级喷嘴叶栅热应力分析

张瑞青

（沈阳工程学院能源与动力工程系 辽宁 沈阳 110136）

高参数机组调节级喷嘴叶栅热应力分析

张瑞青

（沈阳工程学院能源与动力工程系 辽宁 沈阳 110136）

随着超临界机组甚至是超超临界机组应用越来越广泛，在变工况条件下，调节级部分的工作环境变得更加恶劣。本文以某600MW超超临界汽轮机为例，应用ANSYS建立了调节级喷嘴室的有限元分析模型，得到了变工况下应力分布规律，模拟出整个调节级喷嘴室、喷嘴的应力分布图，了解喷嘴室、喷嘴叶栅应力最高的部分，为研究机组变工况下热应力的分析提供了理论基础，并为机组的启动优化提供了参考。

调节级；喷嘴组；热应力；温度场

0 引言

超超临界汽轮机具有大容量、高参数的特性，进汽蒸汽的温度超过600℃，压力达27MPa。机组配汽方式为喷嘴配汽，其调节级分为几个喷嘴组，每一组各由一个调节汽门控制，蒸汽要经过几个依次开启或关闭的调节汽门，以改变调节级的通流面积控制进入汽轮机的蒸汽量。但汽轮机在启停以及变负荷运行等非稳定工况时，喷嘴调节方式会导致主要部件温度梯度较大，引起高压缸各级相当大的热应力和热变形，致使机组寿命损耗[1-2]。本文采用有限元分析方法，通过对汽轮机调节级热应力场进行分析，模拟出整个调节级喷嘴室的应力分布图，以便了解喷嘴热应力最高的部分，并为机组的变工况运行提供参考。

1 调节级喷嘴的应力场模型

1.1 温度场模型

在计算稳定工况下调节级喷嘴的温度场时，可认为进汽室和喷嘴组壁面是一个均匀、各向同性并且内无热源的模型，属于解轴对称定常温度函数问题，温度满足下列偏微分方程[3]：

式中，τ 为时间间隔，s；r、z分别为径向、轴向坐标轴，m；λ为材料的导热率，W/（m.℃）；ρ为材料的密度，kg/m3；Cp为材料的比热，J/（kg.℃）。

求解该微分方程的初始条件为物体边界上的温度函数已知的第一类边界条件，即：

其中，Γ 为物体边界；为已知温度；f（r，z，t）为已知温度函数

喷嘴组其外表面可作为已知放热系数及介质温度的第三类边界条件，即：

其中，tf为流体介质的温度，℃；h为蒸汽与喷嘴组放热系数，W/（m2.℃）。

1.2 应力场模型

将进汽室及喷嘴组截面简化为圆柱模型，然后采用解析方法计算出热应力。在汽轮机的启动、停机和变负荷过程中，圆柱任意半径r处的径向热应力σr、切向热应力σθ和轴向热应力σz的计算公式分别为[4]：

式中：α为工作温度下材料的线膨胀系数；E为工作温度下材料的弹性模量；μ为工作温度下材料的泊松比；θm为圆柱体积平均温度；t为圆柱半径r处的工作温度。

1.3 几何模型

建模时将600MW超超临界汽轮机进汽室及喷嘴组截面作为研究对象。按结构图纸取进汽室内半径0.075m，外半径0.13，喷嘴截面长 0.08m，进口高 0.043m，出口高 0.032m，划分网格后的几何模型如图1所示。

图1 有限元模型网格划分

2 计算实例

2.1 材料物性参数的确定

采用有限元模拟调节级进汽室及喷嘴的温度场和应力场时，材料的物理性能参数的选取直接影响到温度场和应力场计算结果的准确性。材料的物性参数如导热系数及热膨胀系数等均是依赖于温度的，其值随着温度而改变，但由于材料在高温下的导热实验数据不易获得，因此本文分析过程中将其作为常量处理，即不考虑材料对温度的非线性效应。

根据该汽轮机相关资料，得到调节级喷嘴室及喷嘴材料为CrMoVNbN合金钢，其主要物性参数中密度为7750kg/m3，弹性模量为2.06×1011Pa，泊松比为0.3。

2.2 初始条件的确定

根据机组运行数据得到不同负荷时调节级金属对应的温度作为初始条件，如表1所示。

表1 调节级温度与机组负荷值记录

2.3 应力场分布

图2 机组负荷为600MW时的等效应力场分布图

调节级喷嘴室和喷嘴受到热冲击时会发生体积和形状的改变，故应根据第四强度理论判断其应力水平。ANSYS中的等效应力(Von Mises stress)是程序根据第四强度理论计算获得的[5]。因为在实际中很难找到真正的单轴拉压的情况，一般结构的受力都没有这么简单，所以在分析的时候需要用等效应力来将各主应力进行转化，因此应该用等效应力来描述应力集中的现象，来绘制各工况下的等效应力图。图2为600MW负荷时的等效应力场分布图。

同理计算各工况下调节级喷嘴室和喷嘴的最大、最小应力和平均应力水平，统计数据如表2所示，应力单位为Pa。

表2 各工况下应力水平统计(×106Pa)

从表2看出，随着负荷的增加，调节级喷嘴室和喷嘴本体整体的热应力也会随之增加。整个喷嘴本体的热应力比较大，并且随着蒸汽流动方向上逐渐变大，呈不均匀分布，最大热应力出现在了喷嘴出口处，最小热应力出现在喷嘴蒸汽节流后和喷嘴外壁上下两端；喷嘴汽室热应力分布沿厚度方向从内到外逐渐降低，呈不规则分布。

3 结论

3.1 本文模拟了调节级进汽室和喷嘴叶栅在不同工况下的稳态热应力场，分析结论与传热学理论推论一致，说明模型的简化和边界的处理基本合理。

3.2 通过有限元分析的结果可以用于调节级喷嘴叶栅热应力场分布分析，为汽轮机热应力在线系统的监测提供了有力的依据，为缩短停启机时间和提高调峰的灵活性提供了一种手段。

［1］李勇,聂玉火.不同配汽方式下汽轮机调节级后转子的热应力分析[J].汽轮机技术,2009,51（4）：272-275,244.

［2］支小牧,寇可新,曹向秋.汽轮机转子热应力在线监测、寿命管理及优化启停的研究[J].动力工程,2001,20(1):543-547.

［3］杨世铭,陶文铨.传热学[M].北京：高等教育出版社,2006.

［4］史进渊,杨宇,邓志成,等.基于人工神经网络的汽轮机转子等效应力的在线计算方法[J].动力工程，2009,29（4）：316-319,325.

［5］王泽鹏,张秀辉,胡仁喜.ANSYS12.0热力学有限元分析从入门到精通[M].北京：机械工业出版社,2010.

本文的研究成果受到沈阳工程学院科技基金项目（LGQN-1013）资助。

张瑞青（1975—），女，汉族，山西大同人，研究生，讲师，从事电厂汽轮机经济性诊断研究。

王静］