600MW超临界汽轮机受损转子热力耦合有限元分析

唐远富，陈红冬，彭碧草，刘纯，龙毅

(国网湖南省电力公司电力科学研究院，长沙市 410007)

600MW超临界汽轮机受损转子热力耦合有限元分析

唐远富，陈红冬，彭碧草，刘纯，龙毅

(国网湖南省电力公司电力科学研究院，长沙市 410007)

600 MW超临界机组汽轮机高、中压转子蒸汽参数高，转速高，工作环境恶劣，在运行过程中产生很大的应力变化，某600 MW超临界机组由于某些原因导致转子断油烧瓦，严重影响到机组的安全运行。为了掌握转子的应力状态，保障转子安全运行，采用有限元软件ANSYS APDL对转子在冷态启动工况下进行有限元计算。基于工程热力学计算，求解转子各级的对流放热系数，将其作为边界条件加载到有限元模型上，进行温度场的计算和分析，然后通过采用热结构间接耦合法对转子的应力场进行计算分析，得到转子冷态启动过程的应力分布和应力集中的部位。计算结果表明，受损转子切削处理后等效应力小于屈服应力，但在调节级根部凹槽、挡油环与轴颈附近应力水平较大，此结论可为受损转子的安全性评估及寿命管理提供技术支撑。

超临界汽轮机；受损转子；冷态启动；有限元分析

0 引 言

汽轮机转子在高转速、高温、高压、蒸汽环境等恶劣条件下工作，由于频繁的启停、变负荷，机组要经常承受大幅度的温度变化，从而使汽轮机转子产生交变机械应力和热应力，导致内部产生低周疲劳损耗，萌生裂纹，缩短整个机组的使用寿命[1-2]。在稳态运行工况下，转子关键部位也承受较大的离心力，转子各级之间温度差引起的热应力也较大。如今小型火电机组逐渐被淘汰，高参数、大容量的超(超)临界机组得到普遍应用，其运行参数更高，运行环境更加恶劣，安全性要求更高[3]。近年来，国内发生了多次断油烧瓦、轴承润滑油系统缺陷等事故[4-5]，引起轴瓦损坏、汽封片磨损、轴颈磨损等损伤，更严重的可导致汽轮机大轴因永久弯曲和产生裂纹而报废。为了保障汽轮机的安全稳定运行，有必要掌握超临界机组在运行过程中的温度分布和应力变化规律，为转子的安全性评估及寿命管理提供技术支撑[6]。由于汽缸内高温、高压的恶劣环境及转子结构的复杂性，依据现有的技术条件，转子温度场和应力场很难直接测量，一般是通过建立模型计算分析得到。对于转子温度场及热应力求解的数学模型通常分为：(1)解析模型，由导热微分方程式出发，采用积分变换的方法导出温度的迭代计算公式进而求得热应力；(2)数值模型，将转子的连续结构体离散化，采用一系列代数方程来代替微分方程，进而导出其温度及热应力的计算公式[7-8]。

本文以某600 MW超临界机组高、中压受损转子为研究对象，采用有限元软件ANSYS APDL建立有限元模型，对受损转子在冷态启动过程中的温度场和应力场进行计算分析，以期为运行人员提供参考。

1 转子有限元模型

在汽轮机冷态启动过程中，随着转子表面温度和蒸汽参数的变化，转子温度分布严重不均，产生轴向和径向温差，从而产生热应力。

1.1 受损转子描述

某600 MW超临界机组发生断油烧瓦事故后，对机组转子进行了返厂处理，对大轴轴颈、挡油环、汽封等部位进行了加工，其中对高、中压转子调端和电端挡油环，低压转子轴颈进行了加热车削。

1.2 材料特性

高、中压转子材料为30CrMoV，其物理特性如表1所示。机组变工况下，材料的物理特性随时间变化，材料的应力和应变是非线性的动态关系，在使用ANSYS对转子进行热力耦合分析时，将表1的物理特性参数输入到ANSYS的材料数据文件中，ANSYS会将其作为初始条件，在有限元计算过程中根据温度自动插值，从而得到转子有限元模型各单元在相应温度下的物理特性参数[9]。

表130CrMoV材料的物理特性

Tab.1Physicalpropertiesof30CrMoV

1.3 网格划分

本文采用APDL参数化建模[10]，温度场使用二维八节点PLANE77单元，应力场使用二维八节点PLANE183单元，在进行温度场计算后，采用热结构间接耦合法计算转子热应力。由于应力主要集中在转子进气端叶轮根部的过渡区、轴肩以及凹槽等部位，而且这些部位有时可能会有很大热应力，因此在整体划分网格的基础上，对这些部位网格进一步细化，以提高计算精度，整个模型如图1所示。由于重点考察整段转子的温度场和应力场，为了降低建模的复杂性，在建立几何模型时，叶片产生的离心力采用加载等效质量块的简化方法加载到转子上[11]。

图1网格划分

Fig.1Meshing

1.4 边界条件

转子左、右端面是整段转子在汽缸外的截断面，其与空气之间的换热系数很小，作绝热处理；转子内表面作绝热边界处理；转子左、右轴颈部位温度略高于轴承回油温度，回油温度在整个计算过程中保持恒定，作为第1类边界条件；转子外表面的温度边界条件由蒸汽对转子表面的换热速度决定，属于已知表面换热系数和流体温度的第3类边界条件(对流边界条件)。

机组变工况时，转子各部位与蒸汽的换热系数随时间、蒸汽参数的变化而变化[12-13]。不同部位的换热系数也存在较大差别，一般采用经验公式来计算不同部位的换热系数，本文采用前苏联换热系数计算经验公式[14]。

在应力场计算中，转子主要受到温差引起的热应力和转速引起的离心力作用。轴表面为流体表面压力边界条件，转子左、右支持轴承轴颈处径向约束，转子左端由于有止推轴承，左端端面轴向约束，其余部分轴向、径向均可自由膨胀。热应力分析中采用各向同性热弹性材料模式。

2 计算结果与分析

图2为某600 MW超临界机组冷态启动曲线，图3给出了受损转子在启动后20 min和启动结束时刻的温度分布云图。由图2、3可知，调节级区域受主蒸汽流的影响，是启动过程中温度变化比较剧烈的区域，在启动初期调节级温升率较大，随着暖机进行，温升率降低。

图4为启动20 min后完好的高、中压转子与受损的高、中压转子等效应力分布云图，最大等效应力均为521 MPa，发生在调节级根部凹槽处，其原因为此时为升速、机阶段，转子温度变化剧烈，产生较大的热应力。

图2 600 MW超临界机组冷态启动曲线

图3 受损转子温度分布云图

图5给出了启动结束时完好转子与受损转子等效应力分布云图，最大等效应力分别为493、536 MPa，均出现在挡油环与电端轴颈交接附近，此刻温度分别为210、171 ℃，均小于屈服强度。受损转子与完好转子等效应力相差较大，主要是热应力的变化。由于挡油环仅切削减薄4 mm，对离心力影响不会太大。轴颈段温度在整个启动过程保持恒定，在转子传热的影响下，受损转子的轴颈段与挡油环段的温差比完好转子大，热应力更大。

图5 启动结束时转子等效应力分布云图

转子调节级根部凹槽最大等效应力随时间变化如图6所示，由图6可知，在整个启动过程，完好转子与受损转子调节级凹槽的等效应力最大值均为521 MPa，两者随时间变化的应力曲线基本一致，都是在启动初期迅速增大，之后减少再增大，最后减少至一定值后趋于稳定。挡油环处于轴颈附近，车削处理对调节级处的放热系数、离心力影响不大，所以对调节级凹槽处应力分布影响较少。

图6 冷态启动过程转子调节级根部凹槽最大等效应力随时间变化

在整个冷态启动过程中，等效应力最大值的位置随着启动过程有所变化，而不是固定于某个特定位置。图7为冷态启动过程转子最大等效应力随时间变化，由图7可知，两者变化趋势一致，在启动起始时刻最大等效应力分别为318、333 MPa，等效应力最大值出现在挡油环与轴颈交接处，在5～45 min这段时间，等效应力最大值出现在调节级根部凹槽处。在172～380 min时段，由于挡油环与轴颈处温差逐渐增大，等效应力逐渐增大。在启动终了时刻挡油环与轴颈处的温差最大，热应力最大。172 min以后，转子转速稳定在3 000 r/min，电端挡油环切削后转子的离心力基本不变，但此处的对流放热系数减少，但此处的对流放热系数减少，在同样的启动工况下，受损转子对流传热比完好转子少，启动172 min以后随着温度的增加，两者之间传热相差越来越大，热应力相差也越来越大。

图7 冷态启动过程转子最大等效应力随时间变化

3 结 论

(1)对600 MW超临界受损转子冷态启动过程的温度场和应力场进行了有限元计算与分析，结果表明，受损转子切削处理后等效应力小于屈服应力，但在调节级根部凹槽、挡油环与轴颈附近应力水平较大，易萌生裂纹。

(2)在转子运行过程中应严格控制蒸汽温度变化率，防止温度大幅波动，导致应力大幅提升，此外对应力集中部位应进行重点监测，避免产生疲劳裂纹。

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(编辑：蒋毅恒)

CoupledThermo-MechanicalFiniteElementAnalysisofDamagedRotorin600MWSupercriticalSteamTurbine

TANG Yuanfu, CHEN Hongdong, PENG Bicao, LIU Chun, LONG Yi

(Electric Power Research Institute, State Grid Hunan Electric Power Corporation, Changsha 410007, China)

Due to high steam parameters, high speed, poor working conditions of high and intermediate pressure rotors in 600 MW supercritical steam turbine, it will cause great stress change in the operation process. Rotor burnout occurred due to oil breakoff in a 600 MW supercritical unit, which seriously affected the safe operation of the unit. In order to grasp the stress state of the rotor, and ensure its safety operation, a finite element analysis mode was established by software ANSYS APDL for rotors under cold starting condition. Based on the engineering thermodynamics calculation, the convection coefficients of rotors were calculated, which was used as boundary conditions of the finite element model for the calculation and analysis of temperature field. Then the analytical method of indirect thermo-structure coupling was adopted to calculate and analyze the stress field of rotor, in which the stress distribution and the stress concentration position during the cold starting process of rotor could be obtained. The results show that the equivalent stress of rotor after cutting processing is less than its yield stress, but the stress is larger at the roots groove of governing stage, oil retainer and journal, which can provide technical support for the safety assessment and life management of damaged rotor.

supercritical steam turbine; damaged rotor; cold starting; finite element analysis

TM 621

： A

： 1000-7229(2014)04-0107-04

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.04.019

2013-10-09

：2013-11-10

唐远富(1984)，男，工学博士，工程师，主要从事电站金属监督与事故分析工作，E-mail：huitangyuan@163.com；

陈红冬(1965)，男，本科，高级工程师，主要从事电网及电站金属监督与事故分析工作；

彭碧草(1981)，男，工学博士，工程师，主要从事金属材料技术和电站事故分析工作；

刘纯(1974)，男，工学硕士，高级工程师，主要从事电网及电站金属监督与事故分析工作；

龙毅(1968)，男，工学硕士，高级工程师，主要从事电网及电站金属监督与事故分析工作。