1000MW超超临界汽轮机转子启动过程的热应力分析

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1、第35卷第2期华电技术V0l_35No．22013年2月HuadianTechnologyFeb．20131000MW超超临界汽轮机转子启动过程的热应力分析韩炜，何青，沈克伟，费立凯(华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京102206)摘要：超超临界汽轮机转子工作在高蒸汽参数的恶劣环境下，特别是在机组参与调峰等变工况运行时，转子材料内部产生极大的热应力，如果运行操作不当将会给转子带来巨大的损伤。以1000MW超超临界汽轮机高压转子为研究对象，运用转子热应力分析理论，依据现场实测数据计算得到高压转子各级的蒸汽参数及其换热系

2、数，建立转子热应力有限元计算的边界条件。运用ANSYS软件分别对机组在冷态和温态启动过程中高压转子的温度场及应力场进行计算，比较了2种工况下高压转子的热应力谱。计算、分析结果可为1000MW超超临界汽轮机组的启动和变工况运行提供参考。关键词：超超临界机组；汽轮机；高压转子；热应力；有限元分析；冷态启动；温态启动中图分类号：TK263．61文献标志码：A文章编号：1674—1951(2013)O2—0027—06超超临界汽轮机组高压转子运行参数高，所处0引言环境恶劣，变工况运行时要经历剧烈的温度变化，是随着国民经济的迅速发展

3、，用电需求逐年增加，汽轮机组寿命最薄弱的部件j。因此，本文以某电在用电量增加的过程中，我国的能源结构也在发生改厂1000MW汽轮机组高压转子为研究对象，根据有变，即工业用电减少，居民用电比重提高，造成电网峰限元计算软件，采用热一结构直接耦合法，计算分析谷差越来越大，极大地影响了电网的稳定性J。根据冷态、温态启动过程中高压转子温度场和应力场，获国家节能减排政策的要求，低效率高耗能的小型火电得了应力集中点的应力谱，为机组的优化运行及寿命管理提供了依据。机组逐渐被淘汰，大容量高参数火电机组得到普遍应用。此外，我国水能资源虽然丰富

4、，但分布极其不均，1热应力分析理论90％的装机容量集中在中南和西南地区，受季节的影零部件在外力的作用下发生变形，从而在内部响，调峰能力有限J。因此，大中型火电机组必须频产生应变和应力，但是，物体的变形不仅仅由外力作繁地参与到电网调峰的任务中来。用引起，温度的变化也能引起变形，即热变形，热胀在调峰过程中，机组需要频繁地启、停和变负荷冷缩就是热变形的例子。当温度变化所引起的膨胀运行，从而使汽轮机转子承受剧烈的温度变化产生或收缩受到约束时，会在物体内产生应力，即热应的交变热应力，最终导致部件产生低周疲劳损伤，缩力，本文研究的转子

5、启动过程中由于受热产生的热短整个机组的使用寿命_3J。虽然现在的超超临界应力就是如此。大型汽轮机组都配有热应力监测系统，但采用的都在转子变工况运行过程中，转子体温度分布严是简化的一维理论模型，不能反映机组真实的运行重不均，从而产生热应力，因此，热应力的计算是以状况，前期都需要通过更为准确的热应力耦合计算确定的温度场为基础的。将转子视为均匀、各向同来校核。目前，对容量在600MW及以下的汽轮性且无内热源的物体，并假定转子温度及载荷沿周发电机组做的离线热应力分析比较多，技术也比较向是相同的，属于求解轴对称非定常温度函数问题，成

6、熟，但对1000MW超超临界汽轮发电机组转子进其温度场的数学模型为o]行热应力耦合方面的计算分析等研究还未见报道。00一==p—c—(I—Oz—z十02+十————)I，．(tl1)J因此，对l000MW超超临界汽轮机组进行热应力耦＼rrr／’、D合有限元分析是十分必要的，对于1000MW超超临初始条件：界汽轮发电机组的优化运行、热应力在线监测与寿0I=Z，r)，(2)命管理具有重要的参考价值。边界条件：一A’r=(—Of)，(3)收稿日期：2012—09—04·28·华电擞刁}=第35卷式中：为转子体的温度，oC；t为时

7、间，s；A为转子表11000MW超超临界机组主要参数材料的导热率，W／(In·K)；C。为转子材料的比热容，J／(·K)；p为转子材料的密度，kg／m；为转子表面水蒸气的温度，℃；为转子表面与水蒸气的换热系数，W／(in·K)；壳为转子表面外法线方向，r代表转子表面。将转子视为轴对称的实心圆柱体，温度分布也是轴对称的，即在同一截面内温度只与半径有关。确定了转子的温度场后，利用热弹性广义虎克定律，经过计算推导得到计算截面内任一点的热应力表达式为(用圆柱坐标表示)一(一rar+叫，(4)《：o-e=(+删⋯)，(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：分别为径向应力、切向应力和轴啊J忸团b_I．I．I—l上LIl¨I向应力，Pa；a为材料的线膨胀系数；E为材料的杨氏弹性模量，Pa；／x为材料的泊松比；r为计算点的转子半径，in；为计算点的温度，