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燃气轮机周向拉杆转子拉杆应力分析和改进设计刘昕;袁奇;欧文豪【摘要】为优化燃气轮机的拉杆组合式转子中拉杆的结构,提高转子运行安全性,建立了含10根周向均布拉杆的10级轮盘转子模型,设置了8组拉杆凸肩与拉杆孔的静态安装间隙,采用三维接触非线性有限元方法分析了拉杆应力随转速、凸肩静态安装间隙量的变化关系.在此基础上,比较了相同间隙量下凸肩数等跨距加倍和不等跨距加倍对降低拉杆应力的效果,进一步研究了各凸肩等跨距时跨距变化对拉杆应力的影响.结果表明:拉杆凸肩与拉杆孔的静态安装间隙量不影响拉杆在正常工作状态下的应力,但是影响转子升速时拉杆最大应力;随着转速升高,拉杆最大应力在不同的转速区域内存在特定变化规律;增加凸肩数、减小凸肩跨距能够有效减小拉杆最大应力,与不等跨距增加拉杆凸肩数的改进方案相比,等跨距方案降低应力效果更显著.该结论可为燃气轮机的拉杆组合式转子设计提供参考.【期刊名称】《西安交通大学学报》【年(卷),期】2016(050)010【总页数】7页(P104-110)【关键词】燃气轮机转子;周向拉杆;拉杆凸肩;应力;改进设计【作者】刘昕;袁奇;欧文豪【作者单位】西安交通大学能源与动力工程学院,710049,西安;西安交通大学能源与动力工程学院,710049,西安;ABB(中国)有限公司,100015,北京【正文语种】中文【中图分类】TK14燃气轮机是一种高温、高压燃气推动旋转机械,具有高效、洁净、安全等特性。
作为当前重型燃机转子的主要结构形式,组合式拉杆转子具有重量轻、冷却好、易装配以及轮盘材料选择灵活等优点。
周向拉杆转子作为最常用的组合式拉杆转子[1],各轮盘需要通过拉杆预紧组合而成,拉杆结构形式、预紧力选取、凸肩布置方式等会对转子整体动力学特性产生较大影响。
凸肩作为燃气轮机周向拉杆上的重要结构,其主要作用是在燃气轮机旋转时保持与轮盘接触,防止拉杆弯曲变形过大或振动过于剧烈。
目前对于燃气轮机的拉杆组合式转子,国内外发表的论文研究较多的方向是拉杆预紧力的选取原则[2-4]及其对转子动力学特性的影响[5-6],同时还有一部分学者从转子整体设计和应力应变角度进行数值模拟和实验研究:Janssen等介绍了西门子公司重型燃气轮机中心拉杆和Hirth齿连接的转子设计原则和设计中的应力评估、振动分析、转子装配和试验测试[7];上海汽轮机厂通过理论计算和试验研究了609燃机拉杆的应力情况[8];袁奇等通过理论和有限元分析计算了拉杆装配和卸载时的变形量,并分析了影响相对变形量的因素[9];李雪鹏等利用有限元模型对拉杆上含初始裂纹的组合转子进行裂纹扩展分析,得到了组合转子固有频率随裂纹尺寸的变化规律[10];Das对GE7FA转子进行了实际载荷下的三维有限元分析,得到了稳态下转子的应力分布和拉杆不同位置在加载过程中的应力变化情况[11]。
汽轮机焊接转子接头残余应力研究三：125MW及1000MW汽轮机低压焊接转子产品残余应力蔡志鹏;曹彬;潘际銮;刘霞;乔尚飞;沈红卫【摘要】在测试转子模拟件外圆、内圆、剖面处热处理前后的残余应力分布的基础上,在研究弹性槽对根部打底焊缝处残余应力的影响以及盖面焊缝下方4～5层焊道处残余应力的分布的基础上,测试了125 MW及1 000MW实际火电低压焊接转子接头处的残余应力.结果表明,实际产品残余应力的分布与模拟件相似,数值更小;不同结构均承受- 120 MPa左右的轴向压缩应力,切向应力可被忽略.相关结果对掌握焊接转子残余应力分布提供了重要参考.【期刊名称】《热力透平》【年(卷),期】2012(041)001【总页数】6页(P54-59)【关键词】焊接转子;残余应力;125 MW;1000 MW;低压转子;模拟件【作者】蔡志鹏;曹彬;潘际銮;刘霞;乔尚飞;沈红卫【作者单位】清华大学机械工程系,北京100084;清华大学机械工程系,北京100084;清华大学机械工程系,北京100084;上海电气电站设备有限公司上海汽轮机厂,上海200240;上海电气电站设备有限公司上海汽轮机厂,上海200240;上海电气电站设备有限公司上海汽轮机厂,上海200240【正文语种】中文【中图分类】TK263.61在第一、第二部分中已经对按照实际生产过程加工的模拟件热处理前后的残余应力进行了比较系统的测量和统计，应该说模拟件的残余应力水平和分布能够在相当程度上近似产品接头处的残余应力状态，但毕竟环形模拟件与实际产品焊接接头处的拘束度存在明显差异。
模拟件与实际产品残余应力的水平到底有多大差异，需要通过在实际产品中的测量研究获得［1－7］。
1 000 MW超超临界火电汽轮机低压焊接转子是具有相当制造难度且影响重大的产品，是代表上海汽轮机厂相关产品制造水平和能力的标志性产品之一，可作为核电低压焊接转子制造的有益参考。
本部分以小孔法测量了125 MW常规火电低压焊接转子和1 000 MW超超临界火电低压焊接转子焊接区的残余应力，并与模拟件的残余应力进行了比较，相关结果可作为核电低压焊接转子焊接区的残余应力状态和水平的预估，并为超超临界火电焊接低压转子的制造及服役安全性评价提供参考。
西门子汽轮机应力控制应用论文摘要：采用西门子应力控制技术可以确定出汽轮机冷态启动最佳的主蒸汽和再热蒸汽参数以及自动选择合理的升速率，以确保运行中主要部件的应力不超限，延长机组的寿命。
同时大量节约机组冷态启动所需的时间，提高机组启动的安全性，减轻了操作人员的负担，所以西门子应力控制技术值得借鉴和推广。
0.前言对于国产的大型汽轮机组，启动一般由运行人员根据机组胀差、汽缸绝对膨胀和振动等情况人为判断，这样不可避免的延长了机组冷态启动时间，而且达不到采用机组的最佳应力水平启动，直接影响机组的寿命。
1. 采用西门子应力控制在机组启动过程中的优势布连电厂一期2×660MW工程一号机组汽轮机为上海汽轮机厂有限公司设计和制造NZK660-27.0/600/600型超超临界、一次中间再热、三缸两排汽、单轴、凝汽式、直接空冷汽轮机，设计额定功率为660MW。
由于其采用Siemens的应力计算与控制技术，在机组冷态启动时，从盘车状态到3000转定速，最短时间仅为12分钟，这在国内大型机组中实属少见。
2. 西门子应力评估器为了使启动过程中汽轮机部件的热应力在允许的范围内，需要对汽轮机的状态进行监视，控制其温度的变化。
为此，Siemens机组设有应力评估器TSE（Turbine Stress Evaluator），计算在汽轮机运行期间阀门、汽缸和转子的最大应力，并与材料的允许限值进行比较，计算出汽轮机启动、停机时的允许的温升率，以确定最佳的主蒸汽、再热蒸汽参数及汽轮机的转速和负荷变化率，以确保运行中主要部件的应力不超限，延长机组的寿命。
需要监视的主要部件有：高压主汽门阀壳，高压调门阀壳，高压汽缸，高压转子，中压转子。
测量与蒸汽接触的表面的温度和汽缸及阀体的中间温度（50%深度），通过各部件的测量和计算温度得到的温差，和材料的允许值相比较，得到各部件的温度裕度，将其中的最小温度裕度作为运行时的参考变量，输入到汽轮机控制器的设定值形成模块，控制转速和负荷的变化率，从而控制热应力。
第23卷 第2期 2003年4月动 力 工 程POW ER EN G I N EER I N GV o l .23N o.2 A p r .2003 文章编号:100026761(2003)022*******调峰运行的燃气轮机联合循环汽轮机转子热应力和寿命损耗分析孙 伟(深圳美视电厂,深圳518040)摘 要:介绍了调峰运行的汽轮机转子热应力的计算方法。
为了减少启动时间和提高汽轮机的安全性,拟定了热应力控制曲线及保护曲线,设定应力保护。
对转子的寿命损耗进行了分析。
图3参4关键词:燃机联合循环;汽轮机;调峰;转子;热应力;寿命损耗中图分类号:T K 474.7 文献标识码:A收稿日期:2002204208 修订日期:2002212203作者简介:孙 伟(1967.8-),男,深圳美视电厂副总工程师。
0 前言目前,由于电网峰谷差的存在,所以有很多联合循环机组用于调峰,采取的方式是早启晚停。
这种运行方式对联合循环电厂的设备,尤其是汽轮机的寿命造成了很大的影响。
因此,研究调峰用的汽轮机的寿命是一个很重要的问题。
在一般情况下,决定汽轮机寿命的关键因素是其汽缸和转子的寿命,而转子的工作条件比汽缸差,价格也比较昂贵。
所以,控制好转子的寿命也就控制了整个汽轮机的寿命[1]。
而影响转子寿命的关键因素是转子热应力高低。
本文就对控制转子热应力的方法做探讨,同时讨论转子寿命的管理方法。
1 热应力计算方法在汽轮机启停过程中,从安全性来考虑,要求启停时间尽可能长,转子所受到的加热和冷却速度尽可能慢。
这样,转子的热应力就比较小,转子的寿命也就比较长。
但从经济性来考虑,要求启停时间尽可能短。
为更好地解决这一矛盾,需要对转子热应力进行合理的控制。
通过计算机实时计算出应力值与设定的应力限制曲线进行比较,超过设定点就会触发保护动作,如低于设定点,则可以按正常速率升速加负荷等,这样就做到了两全其美。
1.1 热应力计算方法[2] 将转子近似看作圆柱体,则对热膨胀的微分方程如下:5v 5t =1r 55rr -vr(1)由此产生温差:∃v 1=v 1-v m =∑∞k =1Bk[v 1-Z k (t )](2)式中 r ——转子半径t ——时间v m ——转子平均温度v 1——转子表面温度B k ——转子几何相关系数Z ——温度不均系数由于形成温差而产生应力,所以结合公式(1)和公式(2),在计算机计算程序中所设定的系数B k 和Z k 同时充分地考虑了由于温度的突变而产生的误差。
浅析汽轮机的热应力汽轮机是火电厂的重要设备，它的运行情况如何会直接影响到整个企业的效益。
在汽轮机的运行过程中，不可避免会产生热应力，而这些热应力若得不到有效的控制，则可能导致气缸裂纹、转子变形等不良后果，影响汽轮机组的正常工作。
鉴于此，文章主要对汽轮机的受热特征、热应力产生原因及控制方法等问题进行了探讨。
标签：汽轮机；热应力；气缸；转子在汽轮机的运行中，热应力是极易导致设备损坏的一个因素。
当物体温度发生改变时，热变形在其他物体或者物体内部各部分的相互约束作用下而产生的一种应力，则称为热应力[1]。
比如，转子变形、气缸裂纹或者螺栓裂纹等，都是在热应力作用下产生的。
因此，掌握汽轮机热应力的产生原因与影响因素，并采取相应的控制措施，才能最大限度地减少热应力造成的不良后果的发生。
1 汽轮机的受热特征分析1.1 气缸启动时，蒸汽热量利用对流的方式传递给气缸内壁，然后通过导热方式传递至外壁。
再经过保温层直接散向大气。
此时，气缸内外壁之间会出现温差，且外壁温度高出内壁温度，停机时的温差情况则相反。
内外壁温差的影响因素主要有这几个：（1）气缸壁的厚度，汽缸壁厚度和温差成正比关系。
（2）蒸汽对内壁加热的强弱程度。
加热较快时，温度呈双曲线型分布，温差主要集中于内壁一侧；加热较稳定时，温度呈直线型分布，温差的分布相对均匀；加热较缓慢时，温度呈抛物线型分布，内壁温差则较大[2]。
（3）材料的导热性能。
材料导热性好，温度易升高。
1.2 转子蒸汽热量通过对流方式传递给转子外表面后，再利用导热方式将热量传至中心孔，最后经过中心孔散至周围环境。
此时，转子外表面与中心孔之间的温度相差较大，则产生了温差。
转子的材料特性、结构和蒸汽对转子的加热快慢等因素，直接决定了温度差的大小。
2 汽轮机的热应力2.1 气缸启动气缸时，气缸内壁会和蒸汽产生直接接触，故内壁温度会快速上升，而外壁温度的上升相对较慢，气缸内外壁会出现较大的温度差。
这时候，内壁的金属会膨胀，而外壁金属却未膨胀，内壁需要承受热压应力，外壁则承受热拉应力。
汽轮机转子应力分析
摘要：转子中心孔的裂纹多为径向裂纹，促使其发展的主应力为切向应力，因此在启动过程中，汽轮机转子中心孔处是转子受力的最大部位，要防止该初出现脆断和裂纹。
关键词：汽轮机转子应力分析
汽轮机转子是主轴和叶轮的组合部件，转子是汽轮机设备的心脏。
随着高温高压大容量锅炉汽轮机机组的发展，汽轮机转子的重量和尺寸也愈来愈大。
高压蒸汽喷射到工作叶片后，转动力矩由叶轮传到主轴。
主轴不但承受扭矩和由自重引起的弯矩作用，而且因为主轴较长，过热蒸汽自第一级至最末级叶轮其温度是逐渐在降低的，由于这种不均匀的温度分布，主轴还要承受温度梯度所造成的热应力。
此外，主轴还要受到因振动所产生的附加应力和发电机短路时产生的巨大扭转应力及冲击载荷的复杂作用。
叶轮是装配在主轴上的，在高速旋转时，圆周线速度很大，出于离心力的作用产生巨大的切向和径向应力，其中轮毂部分受力最大。
叶轮也要受到振动应力和毂孔与轴之间的压缩应力。
高参数大功率机组的转子因在高温蒸汽区工作，还要考虑到材料的蠕变、腐蚀、热疲劳、持久强度、断裂韧性等问题。
1 汽轮机转子的材料要求
(1)严格控制钢的化学成分。
钢中含硫量不大于0．035％(酸性平炉钢)或0．030％(碱性电炉钢)；铜的含量应低于0．25％；含锡的钢材，钼的含量不允许低于下限，钢中的气体(如氢等)应尽量
低。
(2)综合机械性能要好。
既要强度高，又要塑性、韧性好。
沿轴向和径向的机械性能应均匀一致，要求轮毂与轮缘之间的硬度偏差不超过hb40，轮毂或轮缘本身各点的硬度差不得超过hb30，而且主抽两端面硬度值的偏差不超过hb40。
此外，还要求材料的缺口敏感性小。
(3)有一定的抗氧化、抗蒸汽腐蚀的能力；对于在高温下运行的主铀和叶轮，还要求高的蠕变极限和持久强度，以及足够的组织稳定性。
(4)不允许存在白点、内裂、缩孔、大块非金属夹杂物或密集性细小夹杂物等缺陷。
(5)有良好的淬透性，良好的焊接性能等工艺性能。
2 汽轮机转子用钢介绍
汽轮机转子的材料是按不同的强度级别选用的。
转于用钢一般都属于中碳钢和中碳合金钢，只有制作焊接转子时，为了保证焊接性能才适当降低含碳量(例如选用17crmo1v钢)。
功率较大的汽轮机其转子用钢都含有一定量的铬、镍、钼、锰等合金元素，加入这些元素可以提高钢的淬透性，增加钢的强度，其中钼可以减小钢的回火脆性，铬、钼、钨、钒则可提高钢的热强性。
汽轮机组功率不同，转子的制造方法也不同，小功率机组主轴与叶轮分开制造，而后用热套法整装成转子；中等功率机组，转子
采用一部分叶轮与主轴锻成一个整体（一般是高压段），另一部分叶轮采用热套法整装；大功率机组，高压转子为整体锻造，而低压转子是焊接而成的。
34crmo钢用作480℃以下的汽轮机的主轴有较好的工艺性能和较高的热强性，长时期使用组织也比较稳定。
若工作温度超过480℃时热强性就有明显降低。
17crmo1v钢用于工作温度520℃以下的汽轮机、燃气轮机和压气机的焊接转子。
对17crmo1v钢焊接时，必须严格控制预热温度，焊后应立即进行高温回火。
27cr2mo1v钢中铬和铂钼的含量均较多，有较好的制造工艺性能和热强性，可用来制造工作温度540℃以下的汽轮机整锻转子和叶轮。
若用来制造转子和叶轮，均需要经过两次正火加回火处理。
第一次正火970～990℃空冷，第二次正火930～950℃空冷，回火680～700℃炉冷。
高温、高压大功率汽轮机的启动和带负荷，特别是冷态启动过程要求十分严格，对转子和汽缸的热应力要进行严密监视。
因为在机组启动和带负荷过程中，汽轮机转子及汽缸温度变化将产生很大的热应力。
如果启动过程控制不好，将影响汽轮机的使用寿命，甚至损坏设备。
除了汽轮机冷态启动和带负荷，产生热应力外，其热态启动和主蒸汽温度变化同样对汽轮机热应力产生不良影响。
因此加强机炉的配合，提高锅炉的运行可靠性是一个非常重要的问题。
汽缸和转子在启动和负荷变化过程中，本身的温度分布是不均匀的，受蒸汽冲刷的表面温度高，金属内部温度低，高、中压转子进汽部分表面温度较高，中心孔温度较低，沿着转子半径存在着一个由里向外温度逐步增高的温度梯度。
这个温度梯度使金属各部分膨胀不同，因而产生机械应力，这种由热产生的机械应力定义为热应力。
众所周知，由转子附近蒸汽参数变化所引起的热应力，可由下式描述：
（1）
式中：为转子表面热应力，e为弹性模量，为热胀系数，为泊桑比，ts为转子表面金属温度，t为转子容积平均温度。
当传热条件、温度分布及金属材料性能已知时，转子在温度变化时的热应力可以通过式(1)计算，并简化为：
=0.362*（ts—t) （2）
式（2）表明，在汽轮机启动及变负荷时，对温度的限制也就是对汽轮机热应力的限制，使其不超过允许值。
汽缸与转子表面之间的传热系数取决于相对速度和工质特性，如导热性、粘度和密度等。
通过运行试验表明，从蒸汽到转子表面的传热系数的近似计算公式完全可以满足运行控制要求。
h=1.4n+55p (3)
式中，h为从蒸汽到转子表面的传热系数；n为汽轮机转子的转速；p为汽轮机第一级蒸汽压力。
汽轮机转子是—个高速旋转的部件。
由于转子自身的离心力作用，使得中心孔产生很大的切向应力。
所有制造厂在进行转子设计时，都要进行此项应力的计算，并以此作为转子强度校核的主要依据。
转轴的外表面由于承受着各个叶轮离心力而产生的径向负荷，转轴上受到各个叶轮产生的若干段均布负荷作用。
对于大功率汽轮机组来说，转子半径较汽缸壁厚度大。
因此在汽轮机启停过程中，转子成为热应力相当高的部件。
为了计算转子的热应力，首先要确定转子的温度场。
转子温度场的建立，有赖于数学模型的建立。
由此根据初始条件和边界条件，求解出转子温度场。
汽轮机在起停过程中，转子受燕汽流的冲刷强烈，换热强度大，因而径向温度有相当大的变化。
由于转子的旋转，其外表面受汽流冲刷的机会均等，因而沿周向可以说温度没有变化。
即在汽轮机启停以及正常运行时，蒸汽流沿转子轴向温度是逐渐降低的，因转子轴向温度也是变化的。
但由于转子轴向尺寸比径向大的多，因而总的说来轴向温度梯度远小于径向，因而用分析法求解时，将转子温度场简化为一维模型，其导热微分方程式为：
（4）
在进行应力计算时，要求提供转子表面金属温度ts(该温度可由转子表面的蒸汽温度代替)和转子容积的平均温度t。
该参数可从转子温度分布的解析计算中求得。
一般而言，转子温度分布，可通过
将转子分成若干个环形断面的传热方程得到。
将转子分成8个环形断面，环形断面分的愈多，计算结果精度愈高。
汽轮机启动时，达到一定转速或带到一定负荷后，控制进汽参数不变，稳定运行一段时间称为暖机。
由于运行的温升率等于0，蒸汽温度不再增加，并随着暖机时间的增加，转子的温度场渐趋均匀，转子内外表面的热应力将随时间的延长而逐新降低。
当暖机开始时，不论热应力的初始值如何，都会迅速降低。
但随着时间的延续，热应力降低的趋势减缓，超过 60min对降低热应力来说已无意义。
暖机是汽轮机启动中的一项很有利的措施。
但不是说暖机越长越好，减小热应力在时间上要付出代价，尤其对调峰机组，更须从节约启动时间上着眼。
只要将热应力降到可以忍受的地步，就应结束暖机，继续加热。
