亚临界汽轮机转子的寿命计算

王晓东

（哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨150046）

亚临界汽轮机转子的寿命计算

王晓东

（哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨150046）

针对国产亚临界汽轮机，对其转子的寿命进行了分析研究，讨论了对汽轮机转子寿命有重要影响的因素，并给出了汽轮机转子温度场和应力以及转子使用寿命的计算方法。研究结果对实现汽轮机转子寿命的科学管理和优化分配具有一定的指导意义。

汽轮机；转子；寿命；低周疲劳；应力

当前我国各大电网一般都以火电为主，为满足对电力需求不断增大的昼夜峰谷差值，某些火电机组需参与调峰运行。调峰机组要求启动和停止快速便捷，因此进入汽轮机的蒸汽参数变化大，在频繁启停的负荷工况下引起汽轮机转子尤其是调节级部位金属温度发生剧烈变化，机组部套承受剧烈热交变应力的变化，部件容易产生疲劳损耗，对机组运行造成威胁，限制了机组调峰的能力。此外，一些发电机组，包括火电及核能发电机组都面临着老化的问题[1]。所以，对发电机组寿命的研究和管理，成为从事汽轮机技术管理研究工作者关注和研究的热点问题。

发电机组的寿命通常取决于其最薄弱环节的寿命，对于火电和核能发电机组，其最薄弱的环节为汽轮机转子。本文将针对国产亚临界汽轮机转子对其进行寿命研究和计算，以期在汽轮机的使用过程中对其寿命进行科学的管理，从而实现最佳的经济效益。

1 汽轮机转子寿命计算

一般而言，汽轮机寿命的定义包括安全性能的保证以及经济效益的保证两方面。对于汽轮机而言，影响其寿命的因素主要为两种因素，因为汽轮机转子运行过程中处在高温高压高转速的工作环境，必然会产生热应力和机械应力交替作用产生的周期性疲劳。从而造成汽轮机的寿命与热应力和机械应力疲劳造成的转子本体的损伤有着直接的关系。汽轮机高压模块纵剖面图（转动部件和静止部件工作示意图）如图1所示。

图1 汽轮机高压模块纵剖面图（转动部件和静止部件工作示意图）

1.1 温度场计算

将汽轮机转子假定为一个无自发热的、材质均匀的标的物作为转子温度场计算的前提条件。对哈尔滨汽轮机厂有限责任公司生产的亚临界汽轮机型汽轮机高压转子进行计算测试：假设转子不同截面的温度差不超过7.5%，因此，在计算误差是可以允许的前提下，可使用一维解法来计算转子温度场，这样可以大大减少计算的工作量。

通过对转子边界条件的研究（包括局部结构），汽轮机转动部件材料的温度场一阶非稳定导温方程和起始约束条件按下式进行推导：

推导公式中，T代表转动材料任何随机点的热度，单位℃；Ⅹ表示转动材料径向任何点半径尺寸，单位м；τ表示任何运行时间，单位s；T表示转动材料原始热度，单位℃；Tf表示运行汽体热度，单位℃；R0表示转动材料外表面半径尺寸，单位м；Rb表示转动材料内孔半径尺寸，单位m；k表示转动材料导温系数，单位kсаl/mh℃；H表示蒸汽对转动材料放热系数，单位kсаl/mh℃；а表示转动材料金属热导温率，单位m2/h.

只要选取适当的时间间隔，计算的结果表明计算的精度完全满足设计指标的。

1.2 应力计算

（1）转子材料的热应力计算公式

（2）转动材料（转子）离心应力的计算公式

公式中，σc表示转动材料（转子）工作运行情况下，任意一点转速的离心应力所产生的切向应力MPа；σθ表示转动材料（转子）额定工作运行情况转速下n0的切向应力所产生的离心应力MPа.

（3）转动材料（转子）的材料合成应力

根据材料力学设计手册中的第一强度理论公司可以得到：

σeq＝σc+σth

σeq公式中，表示转动材料（转子）内孔圆面或外圆面处的合成应力MPа.

机组运行过程中，考虑转动材料（转子材料）热应力的集中系数kth，转动材料（转子）的最大理论应力值σmax＝kh+σeqMPа.

转动材料（转子材料）理论应力的裕度k规定为：

公式中，[σ]表示转动材料（转子）的许用应力值MPа；σmax表示转动材料（转子）外圆面处的最大理论应力值MPа.

1.3 转子寿命计算

汽轮机的转动材料的寿命最重要的是第一条蠕变损伤造成的宏观裂纹的产生时间点，当转子出现第一条宏观裂纹在直径达到0.2～0.5 mm时，会对汽轮机转子产生致命性的损伤，就如同人体的疾病从良性到恶性的一个质变，转子的寿命就人体一样元气大伤，急速走向不可逆的状态，由于技术的改进，汽轮机汽缸采用双层汽缸的结构，汽缸的承受的热应力和机械应力远远小于转子，汽缸的使用寿命大大延长，所以汽轮机的使用寿命主要取决于转子材料的寿命。

在汽轮机组运行的过程中直接影响汽轮机转动部件（转子材料）寿命的原因种类很多，例如材料低周疲劳蠕变断裂、持久断裂、应力松弛、材料热脆性、热疲劳以及高温汽体的氧化和化学腐蚀等。但主要原因是热应力和机械应力交替作用产生的周期性疲劳造成材料寿命损耗，以及受到热应力的交替更换而产生的蠕变损耗[2]。

通常采用转动材料（转子）总的疲劳寿命损耗率，表示转动材料（转子）低周疲劳特点对转动材料（转子）寿命的损耗趋势，并将循环次数的倒数作为损耗率，即：

公式中，N为循环次数，如果不考虑材料的蠕变，则准f达到100%时，通常确认转动材料寿命结束，即转动材料产生第一段材料缝隙。

随着转动材料（转子）金属材料温度变化量和温度变化率的递增，转子材料内部的热应力就随之增大，转子的寿命损耗也越快。

汽轮机组运行过程中，通流部件转动材料（转子）在高温蒸汽中工作，材料温度都很高，在高温蒸汽工作条件下转动部件（转子）及其它零部件都会产生材料蠕变，损耗材料寿命。汽轮机转动部件（转子）的材料蠕变寿命损耗率准c可按下列公式计算：

公式中：t表示机组运行工作中具备某种条件下运行时间总和；ta表示在机组运行的对应状态下金属材料临界点处蠕变断裂时间。

针对汽轮机组每次运行循环时，各个部位的零件的工作温度都不尽相同，各部件所承受的综合应力也不同，所以总的蠕变寿命损耗通过叠加累积的形式列出，如下：

汽轮机组运行过程中，假设部件应力没有变化，转动部件（转子）材料蠕变断裂时间随着工作温度的升高而变短；假设部件的温度没有变化，转动部件（转子）材料蠕变断裂时间随着应力的变大而变短。转动材料蠕变损耗累积到一定量时，在转动部件（转子）的最薄弱部位容易产生局部裂纹，从而会导致转动部件（转子）某些部位引起蠕变变形，往往容易引起机组通流的某些部位产生动静摩擦问题，所以一般规定汽轮机组运行10O 000 h后，总的蠕变变形量不得超过0.1%.

汽轮机转动部件（转子）材料寿命的评估方法之一，采用线性累积损伤法，即转子的累积总寿命损耗率M为低周疲劳损伤与高温蠕变损伤之和：

公式中M=100%时，表示转动部件材料寿命完结，转动部件的某些区域可能出现局部微裂。

通过推导公式可以判断，转动部件（转子）材料的使用寿命取决于如何分配。目前国内外汽轮机的设计使用寿命一般为30年，按年运行时间8000h计算，30年要运行24×105h[3].若某转子材料的蠕变断裂时间为80×105h，则30年内转子材料蠕变寿命损耗率为30%，因此转子低周疲劳寿命损耗率就应控制在小于70%之内。目前，各汽轮机制造厂家均会根据材料寿命理论，对自主研发的亚临界、超临界和超超临界等大功率汽轮机组（例如30万千瓦等级以上发电机组），通过各种计算和试验都能详尽的列举出材料寿命分配方案。同时根据各自的汽轮机结构特点，结合机组的不同功能分类规定汽轮机在整个设计过程中，机组的不同启动方式例如冷态启动、热态启动、正常停机、电负荷、变工况等运行方式下，核算出机组循环次数，同时确定机组每次循环相对应的寿命损耗率，电厂根据制造厂提供的具体运行维护操作，能够有效地控制汽轮机转子的使用寿命。

2 结束语

本文对亚临界汽轮机组的高中压转子进行了温度场、热应力场和机械应力场的分析，研究了影响汽轮机转子寿命的主要因素，并对汽轮机转子寿命进行了分析计算，其结果对汽轮机转子和机组工作周期进行有效的评估，由此对汽轮机临近寿命周期的部件进行更换来提高汽轮机机组的是使用寿命，并对运行工况进行优化调整以及对其寿命进行科学的管理，以实现最佳的经济效益具有重要的指导意义。

[1]张保衡.大容量火电机组寿命管理与调峰运行[M].北京：水利电力出版社，1988.

[2]徐鸿，朱方尧，张保衡.计算转子中心孔表面瞬态应力的新方法[J].华北电力大学学报，1988，卷1（1）：15-19.

Life Calculation of Rotor of Subcritical Steam Turbine

WANG Xiao-dong
（Harbin Turbine Company Limited，Harbin Heilongjiang 150046，China）

For domestic subcritical steam turbine，discussing the factors that’s important to the turbine rotor，and show the way of calculation of temperature field and stress for turbine rotor.This research provide significant reference for scientific management and good use of turbine longevity.

turbine；rotor；longevity；low cycle fatigue

TK263.6

A

1672-545X（2017）06-0271-03

2017-03-24

王晓东（1974-），男，黑龙江齐齐哈尔人，本科，工程师，目前从事汽轮机技术方面工作。