转子稳定温度场分析平台

王雪梅

（哈尔滨汽轮机厂有限责任公司 研究院，哈尔滨 150046）

0 引言

转子是汽轮机组的关键部件之一，工作时承受着高温高压，因此对其温度场进行分析是对它进行强度校核和研究其热膨胀的基础，这对汽轮机的研发工作是十分必要的。本课题以机组为例完成了转子稳态温度场分析平台的搭建，包括了程序扩充、模型简化、换热系数计算程序编制、边界温度选取、程序分析、有限元分析和程序输出结果可视化研究。

1 模型简化

高中压转子稳态换热分析首先需进行模型简化，认为其温度场分布是轴对称的，以机组为例，简化模型如图1 所示。

图1 简化模型

边界点根据换热区域计算的要求选取，共选取144 个点。

2 换热系数计算

高中压转子稳态换热分析首先需计算换热系数，其换热系数计算分以下几种类型，现分述如下：

2.1 无限空间中旋转圆盘

此种类型换热系数计算公式一般用于蒸汽进汽侧的第一级叶轮和排汽侧的末级叶轮，在本分析算例中区域25～26，64～65，70～71，74～75，75～76，85～86，123～124，125～126，130～131，132～133，138～139，140～141，142～143，17～18，14～15，23～24，81～82 正是此种类型。

此计算公式已编为程序，程序名为a14.f90 由程序计算区域的换热系数为：

h=123.3099Btu/（hr·ft2·0F）（换热系数的英制单位，如变成公制则需乘以5.82，如下以此为准）

2.2 同轴转动圆盘

此种类型换热系数计算公式一般用于由间隙分开的2 个同轴转动圆盘，在本分析算例中区域87～88，89～90，91～92，93～94，95～96，97～98，99～100，101～102，103～104，105～106，107～108，109～110，111～112，113～114，115～116，117～118，119～120，121～122 正是此种类型。

计算公式为：

2.3 直汽封

此种类型换热系数计算公式一般用于直汽封下的转子表面，在本分析算例中区域63～64，60～61，57～58，54～55，51～52，48～49，45～46，42～43，39～40，36～37，33～34，30～31 正是此种类型。

此种类型换热系数计算公式如下：

此计算公式已编为程序，程序名为pha04.f90，由程序计算区域的换热系数为：h=3 426.214Btu/（hr·ft2·0F）。

3 中压第一级轮槽处换热系数计算

在机组中压第一级轮槽处，在本分析算例中为86～87区域，该级动叶叶根和轮槽处存在较大间隙，气流由此流过冷却轮槽，该轮槽和动叶叶根的间隙近似为矩形，可用管道中过热蒸汽的湍流流动的换热系数计算公式进行计算，由于转子沿周向均布轮槽，且本算例中按轴对称计算，所以近似将所计算的换热系数乘以全部的轮槽周向长度，再除以该处的转子圆周长度，即得该处的平均换热系数。

管道中过热蒸汽的湍流流动的换热系数计算公式如下：

管道中过热蒸汽的湍流流动的计算公式已编为程序，程序名为pha1.f90，由程序计算区域86～87 的换热系数为：h=1 751.255Btu/（hr·ft2·0F）。

4 无轴向流动的旋转同心圆柱

此种类型换热系数计算公式一般用于由间隙分开的2 个旋转同轴圆柱，间隙中无轴向流动，在本分析算例中区域71～72 正是此种类型。

此种类型换热系数计算公式如下：

此计算公式已编为程序，程序名为ea19.f90，由程序计算区域的换热系数为：h=245.373 100Btu/（hr·ft2·0F）。

T 形叶根和调节级叶根的换热系数

在本分析算例中区域73～74 为调节级的轮槽简化区域，61～63，58～60，55～57，52～54，49～51，46～48，43～45，40～42，37～39，34～36，31～33，28～30 为高压1～12 级的轮槽简化区域，此处动叶叶根为T 形叶根，此种类型换热系数计算公式如下：

此计算公式已编为程序，程序名为em1772.f90，由程序计算区域的换热系数为：h=234.409 3Btu/（hr·ft2·0F）。

5 温度场分析

用大型有限元分析软件ANSYS10.0 和程序PH8147分析了机组高中压转子稳态温度场，结果如下：

5.1 程序分析

用程序分析了机组高中压转子的温度场，求得的高中压转子中心孔表面和外表面温度沿轴向长度分布如图2 所示。

5.2 ANSYS10.0 分析

用ANSYS10.0 分析的温度场云图如图3 所示。

由图3 可看出转子中压第一级轮槽处的冷却效果。

6 程序输出结果可视化研究

程序的输出结果为数据，可输出二维坐标点及对应该坐标点的温度值。为了便于对结果进行分析处理，本课题还进行了输出数据的可视化研究，主要是采用Tecplot 9.0 软件由程序的输出结果绘制温度场云图。

图2 转子中心孔表面和外表面温度沿轴向长度分布

图3 温度场云图

Tecplot 9.0 软件具有强大的结果分析能力，可以显示二维/三维变量云图、等温线等。使用过程如下：

1）建立*.txt 文本文件，输入格式灵活多样。例如，输入可采用下面格式：

2）将数据导入Tecplot中，选择2D 进行画图，在Field 菜单中选择Contour，在Contour Plot Type 中选择Line，就可以显示等值线分布情况。采用Tecplot 9.0 软件绘制的机组高中压转子稳态温度场的云图如图4 所示。

图4 采用Tecplot 9.0 软件绘制的温度场云图

7 结语

本课题以机组为例完成了转子稳态温度场分析平台的搭建，为转子稳态温度场的分析提供了系统深入的方法，填补了我公司设计分析手段的空白，下一步将研究转子瞬态温度场分析，从而为转子的低周疲劳分析奠定坚实的基础。