1000MW超超臨界汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子啟動(dòng)過(guò)程的熱應(yīng)力分析

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1、第35卷第2期華電技術(shù)V0l_35No．22013年2月HuadianTechnologyFeb．20131000MW超超臨界汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子啟動(dòng)過(guò)程的熱應(yīng)力分析韓煒，何青，沈克偉，費(fèi)立凱(華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京102206)摘要：超超臨界汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子工作在高蒸汽參數(shù)的惡劣環(huán)境下，特別是在機(jī)組參與調(diào)峰等變工況運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子材料內(nèi)部產(chǎn)生極大的熱應(yīng)力，如果運(yùn)行操作不當(dāng)將會(huì)給轉(zhuǎn)子帶來(lái)巨大的損傷。以1000MW超超臨界汽輪機(jī)高壓轉(zhuǎn)子為研究對(duì)象，運(yùn)用轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力分析理論，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算得到高壓轉(zhuǎn)子各級(jí)的蒸汽參數(shù)及其換熱系

2、數(shù)，建立轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力有限元計(jì)算的邊界條件。運(yùn)用ANSYS軟件分別對(duì)機(jī)組在冷態(tài)和溫態(tài)啟動(dòng)過(guò)程中高壓轉(zhuǎn)子的溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，比較了2種工況下高壓轉(zhuǎn)子的熱應(yīng)力譜。計(jì)算、分析結(jié)果可為1000MW超超臨界汽輪機(jī)組的啟動(dòng)和變工況運(yùn)行提供參考。關(guān)鍵詞：超超臨界機(jī)組；汽輪機(jī)；高壓轉(zhuǎn)子；熱應(yīng)力；有限元分析；冷態(tài)啟動(dòng)；溫態(tài)啟動(dòng)中圖分類號(hào)：TK263．61文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1674—1951(2013)O2—0027—06超超臨界汽輪機(jī)組高壓轉(zhuǎn)子運(yùn)行參數(shù)高，所處0引言環(huán)境惡劣，變工況運(yùn)行時(shí)要經(jīng)歷劇烈的溫度變化，是隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展

3、，用電需求逐年增加，汽輪機(jī)組壽命最薄弱的部件j。因此，本文以某電在用電量增加的過(guò)程中，我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)也在發(fā)生改廠1000MW汽輪機(jī)組高壓轉(zhuǎn)子為研究對(duì)象，根據(jù)有變，即工業(yè)用電減少，居民用電比重提高，造成電網(wǎng)峰限元計(jì)算軟件，采用熱一結(jié)構(gòu)直接耦合法，計(jì)算分析谷差越來(lái)越大，極大地影響了電網(wǎng)的穩(wěn)定性J。根據(jù)冷態(tài)、溫態(tài)啟動(dòng)過(guò)程中高壓轉(zhuǎn)子溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，獲國(guó)家節(jié)能減排政策的要求，低效率高耗能的小型火電得了應(yīng)力集中點(diǎn)的應(yīng)力譜，為機(jī)組的優(yōu)化運(yùn)行及壽命管理提供了依據(jù)。機(jī)組逐漸被淘汰，大容量高參數(shù)火電機(jī)組得到普遍應(yīng)用。此外，我國(guó)水能資源雖然豐富

4、，但分布極其不均，1熱應(yīng)力分析理論90％的裝機(jī)容量集中在中南和西南地區(qū)，受季節(jié)的影零部件在外力的作用下發(fā)生變形，從而在內(nèi)部響，調(diào)峰能力有限J。因此，大中型火電機(jī)組必須頻產(chǎn)生應(yīng)變和應(yīng)力，但是，物體的變形不僅僅由外力作繁地參與到電網(wǎng)調(diào)峰的任務(wù)中來(lái)。用引起，溫度的變化也能引起變形，即熱變形，熱脹在調(diào)峰過(guò)程中，機(jī)組需要頻繁地啟、停和變負(fù)荷冷縮就是熱變形的例子。當(dāng)溫度變化所引起的膨脹運(yùn)行，從而使汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子承受劇烈的溫度變化產(chǎn)生或收縮受到約束時(shí)，會(huì)在物體內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力，即熱應(yīng)的交變熱應(yīng)力，最終導(dǎo)致部件產(chǎn)生低周疲勞損傷，縮力，本文研究的轉(zhuǎn)子

5、啟動(dòng)過(guò)程中由于受熱產(chǎn)生的熱短整個(gè)機(jī)組的使用壽命_3J。雖然現(xiàn)在的超超臨界應(yīng)力就是如此。大型汽輪機(jī)組都配有熱應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，但采用的都在轉(zhuǎn)子變工況運(yùn)行過(guò)程中，轉(zhuǎn)子體溫度分布嚴(yán)是簡(jiǎn)化的一維理論模型，不能反映機(jī)組真實(shí)的運(yùn)行重不均，從而產(chǎn)生熱應(yīng)力，因此，熱應(yīng)力的計(jì)算是以狀況，前期都需要通過(guò)更為準(zhǔn)確的熱應(yīng)力耦合計(jì)算確定的溫度場(chǎng)為基礎(chǔ)的。將轉(zhuǎn)子視為均勻、各向同來(lái)校核。目前，對(duì)容量在600MW及以下的汽輪性且無(wú)內(nèi)熱源的物體，并假定轉(zhuǎn)子溫度及載荷沿周發(fā)電機(jī)組做的離線熱應(yīng)力分析比較多，技術(shù)也比較向是相同的，屬于求解軸對(duì)稱非定常溫度函數(shù)問(wèn)題，成

6、熟，但對(duì)1000MW超超臨界汽輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子進(jìn)其溫度場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型為o]行熱應(yīng)力耦合方面的計(jì)算分析等研究還未見(jiàn)報(bào)道。00一==p—c—(I—Oz—z十02+十————)I，．(tl1)J因此，對(duì)l000MW超超臨界汽輪機(jī)組進(jìn)行熱應(yīng)力耦＼rrr／’、D合有限元分析是十分必要的，對(duì)于1000MW超超臨初始條件：界汽輪發(fā)電機(jī)組的優(yōu)化運(yùn)行、熱應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)與壽0I=Z，r)，(2)命管理具有重要的參考價(jià)值。邊界條件：一A’r=(—Of)，(3)收稿日期：2012—09—04·28·華電擻刁}=第35卷式中：為轉(zhuǎn)子體的溫度，oC；t為時(shí)

7、間，s；A為轉(zhuǎn)子表11000MW超超臨界機(jī)組主要參數(shù)材料的導(dǎo)熱率，W／(In·K)；C。為轉(zhuǎn)子材料的比熱容，J／(·K)；p為轉(zhuǎn)子材料的密度，kg／m；為轉(zhuǎn)子表面水蒸氣的溫度，℃；為轉(zhuǎn)子表面與水蒸氣的換熱系數(shù)，W／(in·K)；殼為轉(zhuǎn)子表面外法線方向，r代表轉(zhuǎn)子表面。將轉(zhuǎn)子視為軸對(duì)稱的實(shí)心圓柱體，溫度分布也是軸對(duì)稱的，即在同一截面內(nèi)溫度只與半徑有關(guān)。確定了轉(zhuǎn)子的溫度場(chǎng)后，利用熱彈性廣義虎克定律，經(jīng)過(guò)計(jì)算推導(dǎo)得到計(jì)算截面內(nèi)任一點(diǎn)的熱應(yīng)力表達(dá)式為(用圓柱坐標(biāo)表示)一(一rar+叫，(4)《：o-e=(+刪?)，(5)O"z=(

8、I-J。打一)J，(6)l皿1．HJ·0r—I—I—l—1]]一IlI—l一一l’：_LJ、式中：，和or：分別為徑向應(yīng)力、切向應(yīng)力和軸啊J忸團(tuán)b_I．I．I—l上LIl¨I向應(yīng)力，Pa；a為材料的線膨脹系數(shù)；E為材料的楊氏彈性模量，Pa；／x為材料的泊松比；r為計(jì)算點(diǎn)的轉(zhuǎn)子半徑，in；為計(jì)算點(diǎn)的溫度，