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第24卷第3期 2004年6月动力工程POW ER EN GIN EERIN GVol.24No.3 June 2004 收稿日期:2004-02-18作者简介:沈邱农,男,上海发电设备成套设计研究所副总工程师,教授级高工。
文章编号:1000-6761(2004)03-0305-06超超临界机组参数和热力系统的优化分析沈邱农, 程钧培(上海发电设备成套设计研究所,上海200240)摘 要:概要叙述了国外超超临界技术的现状和发展趋势,研究了各种因素对超超临界机组参数和热力系统选择的影响,指出发展国产化大容量超超临界参数机组十分必要,提出了我国发展超超临界技术的可选方案,并对其经济性作了初步分析。
表3参4关键词:动力机械工程;超超临界参数;热力系统;经济性中图分类号:TK284.1 文献标识码:AOptimizing Analysis of the Parameters and Thermal System forUltra Supercritical U nitS H EN Qiu -nong ,C HEN J un -pei(Shanghai Pow er Equipm ent Resea rch Institute,Shanghai 200240,China)Abstract :It has summ arized up and a nalysed the status quo and dev elo ment trends of foreign ultra super-critical techniques,resea rched the influence of the different facto rs on the pa rameters a nd the thermal system 's choice,indica ted the necessity to dev elop the demestic and la rg e ultra supercritical units,had fo r-w ard the possible choice measures of the domestec m easures o f the domestec dev elo pping ultra suporcritical techniques,and then summary analy sed its eco no my.Tables 3and refs 4.Key words :po w er and m echanical engineering;ultra supircritical pa ram etes;thermal system;eco nom y1 超超临界技术的发展二十世纪五十年代超超临界技术开发初期,由于蒸汽参数选取过高,超越了当时的材料技术水平,很大程度上影响了超超临界机组的可靠性。
2 0 0 9年第6期1汽轮机蒸汽激振随着汽轮机蒸汽参数的提高，高压缸进汽密度大、流速高，级间压差大，蒸汽作用在高压转子上的激振力增加。
这将使得轴系稳定性降低，严重时会诱发高压转子失稳，产生很大的低频振动。
由于蒸汽激振力与机组的出力近似地成正比，因此蒸汽激振引起的不稳定振动就成为限制超临界及超超临界压力机组出力的重要因素。
1.1蒸汽激振机理汽轮机蒸汽激振力通常来自3个方面[1~2]：（1）叶顶间隙激振力当汽轮机叶轮在偏心位置时，由于叶顶间隙沿圆周方向不同，蒸汽在不同间隙位置处的泄漏量不均匀，使得作用在各个位置叶轮的圆周切向力不同，就会产生作用于叶轮中心的横向力，称为间隙激振力。
该横向力垂直于叶轮中心偏移方向，是使转子产生自激振动的重要诱因。
在一个振动周期内，当系统阻尼消耗的能量小于横向力所作的功，这种振动就会被激发起来。
叶顶间隙激振力大小与叶轮的级功率成正比，与动叶的平均节径、高度和工作转速成反比，因而间隙激振容易发生在汽机大功率区段及叶轮直径较小和短叶片的转子上，即大型汽轮机的高压转子上。
对于带有围带汽封的动叶，通过围带汽封蒸汽的不均匀流动会形成不对称的压力分布，产生附加的蒸汽激振力，此时总的蒸汽激振力要大于上述的间隙激振力；特别是对于反动度较小的汽轮机，二者的差异更大。
该附加力的大小与围带汽封的径向间隙成反比，与叶轮前后压差、围带宽度、围带半径成正比，而叶轮轴向间隙的减小在一定程度上可降超临界及超超临界汽轮机蒸汽激振和轴系稳定性分析王骏，高远（江苏方天电力技术有限公司，南京211102）摘要：分析了汽流激振的机理和振动特征，提出了对汽流激振应采取的对策，阐述了防止激振的设计准则和措施，介绍了国际各大制造厂对汽轮发电机组轴系稳定性的基本判定依据,并结合泰州1000MW机组工程设计阐述了防汽流激振及轴系失稳的措施。
关键词：汽轮发电机组；汽流激振；低频振动；振动稳定性；轴系稳定性Abstract：The mechanism and features of steam-excited vibration are analyzed in this paper.From adjusting the operation modes and improving the system damping etc．aspects，the inhibitionmeasures of steam-excited vibration are given out.The design criterions as well as preventing mea－sures of steam flow excited vibration are expounded.And the basic stability criterions of turbineshafting used by main manufacturers abroad are recommended.Solution of Taizhou Generation Co,Ltd1000MW generating set in design is described briefly．Key words：steam turbine unit；steam-excited vibration；low-frequency vibration；vibration sta－bility；stability of shafting中图分类号：TK26文献标志码：A文章编号：1001-5523（2009）06-0018-06研究与探讨18··2009年第6期低蒸汽激振的影响。
600MW超临界汽轮机热力性能诊断及供热分析目前，我国火电机组平均供电煤耗与发达国家相比仍有较大差距。
在煤炭资源日益消耗、电煤供应日益紧张、环境压力日益增大的严峻形势下，加强研究解决燃煤发电机组节能、减排问题已成为保障我国经济可持续发展的一个关键问题。
汽轮机是热力发电厂的主要设备之一，对整个电厂的经济安全运行有着不可忽视的作用。
本文以某电厂600MW超临界机组为研究对象，利用机组在典型工况下的热力性能试验数据，对汽轮机的主要性能指标进行计算分析，对汽轮机系统进行了耗差计算，并对机组实施改造供热进行了方案分析和经济效益对比。
论文利用MATLAB编制了机组的热力性能计算程序，实现对汽轮机热耗率、汽轮机缸效率、机组煤耗率等主要性能指标的计算，并设计了MATLAB与EXCEL之间的接口程序，实现了原始数据读入和计算结果输出的灵活性，具有很好的推广价值。
根据性能指标计算结果，对机组的性能现状进行了合理的评价。
采用等效焓降分析方法，对机组回热系统参数及凝汽器参数进行了耗差分析。
计算表明，1号高加端差及凝汽器过冷度偏离设计值对煤耗升高影响较大，是影响汽轮机系统耗差的主要因素，是电厂节能整改的一个重要方面。
针对该凝汽式机组改供热的问题，利用变工况计算方法对机组供热改造进行了热经济性计算分析，分析了供热抽汽流量与电功率和煤耗率的关系。
结果显示，对于600MW机组，供热蒸汽量每增加20t/h，发电功率会降低约7MW，机组发电标准煤耗率下降约1-2g/(kWh)。
通过对热再热蒸汽供热和冷再热蒸汽供热两种不同供热方案的对比分析，明确了热再热蒸汽抽汽供热是该机组最佳供热改造方案。
并对机组的实际供热经济性进行了计算分析。
论文的工作对同型机组的性能分析诊断和供热改造分析均有一定的参考价值。
超超临界汽轮机调节级动叶栅热应力分析作者：张瑞青来源：《科技资讯》 2012年第28期张瑞青(沈阳工程学院能源与动力工程系辽宁沈阳 110136)摘要:本文以某600MW超超临界汽轮机为例,应用ANSYS建立了调节级动叶栅和所在转子凸台的有限元分析模型,得到了变工况下应力分布规律,了解动叶栅和所在转子凸台应力最高的部分,为研究叶片和转子热应力的分析提供了理论基础,并为机组的启动优化提供了参考。
关键词:超超临界汽轮机调节级动叶栅热应力中图分类号:TK269文献标识码:A文章编号:1672-3791(2012)10(a)-0071-02600MW超超临界汽轮机具有大容量、高参数的特性,进汽蒸汽的温度超过600℃,压力达27MPa。
机组配汽方式为喷嘴配汽,其调节级分为几个喷嘴组,每一组各由一个调节汽门控制,蒸汽要经过几个依次开启或关闭的调节汽门,以改变调节级的通流面积控制进入汽轮机的蒸汽量。
但汽轮机在启停以及变负荷运行等非稳定工况时,喷嘴调节方式会导致主要部件温度梯度较大,引起高压缸各级相当大的热应力和热变形,致使机组寿命损耗[1～2]。
本文采用有限元分析方法,通过对汽轮机调节级热应力场进行分析,模拟出整个动叶栅和所在转子凸台的应力分布图,以便了解该部分热应力最高的部分,并为机组的变工况运行提供参考。
1 调节级动叶栅的应力场模型1.1 数学模型在计算稳定工况下调节级动叶栅的温度场时,可认为动叶栅壁面和转子表面是一个均匀、各向同性并且内无热源的模型,属于解轴对称定常温度函数问题,温度满足下列偏微分方程[3]:式中,τ为时间间隔,s;r、z分别为径向、轴向坐标轴,m;λ为材料的导热率,W/(m.℃);ρ为材料的密度,kg/m3;Cp为材料的比热,J/(kg.℃)。
动叶栅和转子表面可作为已知放热系数及介质温度的第三类边界条件,即:其中,为流体介质的温度,℃;h为蒸汽与动叶栅放热系数,W/(m2.℃)。
1.2 应力场模型将动叶栅和所在转子凸台简化为圆柱模型,然后采用解析方法计算出热应力。
1000MW 超超临界西门子汽轮机真正实现了汽轮机的自动启动(ATC ),其中难点就是对汽轮机热应力的监视和控制,这是确保汽轮机安全运行的根本。
依靠其本身设计的应力监视系统、温度准则系统,蒸汽参数与汽机各部件金属温度配合良好,使汽机快速启动又保证汽轮机的安全使用。
从暖阀、挂闸、冲转、暖机、升速至3000r /min 全过程自动。
机组并网后,控制机组负荷速率依然是以应力计算出的裕度为基准。
1热应力准则介绍及转子温度计算热应力监视系统的主要就是对汽机的高主门、调阀、高、中压转子和高压缸体等部件的温差进行监视,使蒸汽温度与金属温度匹配,减小热应力对金属部件的冲击,以免金属疲劳。
1.1X2准则在冷态冲转阶段,蒸汽凝结放热时的换热量极大,为避免高调门的冲击,X2准则根据主调门阀体温度确定了饱和温度的上限。
确保主汽压对应饱和温度小于高调阀温度。
X2=主汽压饱和温度-(高调50%处壁温+1.3×高调50%处壁温对应的f (x )函数)。
在启机顺控第13步检查蒸汽参数中需要满足确认,主要是准备开主汽门,对高压阀体进行暖阀。
1.2X4、X5、X6准则X4准则要求主汽温度不能过低。
确保主汽压对应饱和温度小于主汽温度。
X4=主汽温-主汽压饱和温度对应的f (x )函数。
在启机顺控第20步需要确认,主要是为了防止开调门后,饱和温度过低,防止湿蒸汽进入汽轮机。
X5准则确保进入避汽轮机高压缸部分温度不低,确保主汽温高于高压缸的壁温和高压转子的温度。
X5=主汽温-(高压转子表面温度和高压缸50%处壁温)取大后的f (x )函数。
在启机顺控第20步需要确认,防止开调门后高压缸冷却。
X6准则要求再热汽温不能过低。
确保再热汽温高于中压转子温度。
X6=再热汽温-中压转子表面温度的f (x )函数。
在启机顺控第20步需要确认,防止开调门后中压缸冷却。
1.3X7A 、X7B 准则X7A 准则保证高压汽轮机转子的暖机度,目的是使高压汽轮机充分暖机,一旦满足表示高压缸暖机完成。
上汽660MW超超临界汽轮机自启动控制策略及其热应力计算摘要：以上汽3号机组为例，介绍上海汽轮机厂引进的德国西门子公司超超临界汽轮机自启动控制系统策略，详细阐述了数字电液(DEH)控制系统自启动的控制步骤，X准则、Z准则和控制裕度的计算方法以及相应的控制策略，为国内同类型机组的自启动控制设计提供了一个可借鉴的思路。
关键词：660Mw超超临界汽轮机；自启动控制；X准则；z准则；裕度目前我国几乎所有电站的机组启停均靠人工判断和控制，这种方式存在的缺点包括：(1)严重依赖运行人员的经验和水平：(2)人工控制费时费力，延长了启停过程的时问：(3)有时候仅靠运行人员的经验判断．缺乏科学依据和数据支持．为了追求运行的方便。
难免存在设备热应力过大、减少设备寿命、甚至设备损害的现象上海汽轮机厂引进的德国西门子公司超超临界汽轮机技术．采用一系列热应力计算．实时监视汽轮机应力变化，数字电液(DEH)控制系统自启停顺控步骤的执行．不仅大大减轻了运行人员的负担．提高了机组启停速度．而且也保证了机组的安全使用寿命这项技术已在几个电厂得到成功应用．1、DEH控制系统硬件配置上汽3号机组DEH控制系统采用西门子T3000控制系统．该系统集成了超高速处理器以及与之相配合的专用输人输出模件．和西门子标准处理器以及输人输出模件．以满足DEH控制各个子系统对处理器运算速度的不同要求(1)控制器。
在号控制柜中，采用了2对冗余的处理器417H和FM458．实现双控制器冗余切换．切换时间为毫秒级417H为西门子的标准处理器．而FM458即为超高速处理器FM458具有高性能闭环控制和运算处理．高速响应能力以及高分辨率的特点．最小运算周期达到0．1ms的水平．正常控制逻辑运算处理周期一般选取几毫秒DEH控制系统的转速控制、ETS紧急遮断和甩负荷预测及控制等要求快速处理能力的控制系统均由FM458实现．因此．1号控制柜也被称为核心控制柜。
2、3号控制柜主要用于辅助系统控制和一些对处理速度要求不高的运算控制(2)I／O模件除了常规的通用模件ET200M之外．与FM458相配合的是DEH 专用控制接口模块ADDFEM．该模块不同于传统输入输出模块．它包含了16个DI通道、l2个AI通道、3个PI通道、12个DO通道以及8个AO通道模拟量输出信号可直接驱动伺服阀，具有完善的自诊断功能、传感器断线监测功能、在线插拔功能(3)系统通信。
汽轮机转子温度场和应力场的有限元分析陈四利1 , 杨凤1 , 金生吉1 , 张超群2 , 陈凯2 , 鲍文博1( 1 . 沈阳工业大学建筑工程学院, 沈阳110023 ; 2 .辽宁省电力科学研究院, 沈阳110000)摘要: 应用现有的有限元计算程序,对高压转子进行温度场和应力场计算分析.首先利用最小二乘法导出放热系数的计算公式,并用Fo rt r an 语言编制了适用计算各种汽轮机转子的放热系数的程序,然后利用有限元软件计算了高压转子在各种工况下的温度场和应力场.最后根据计算和分析结果,对汽轮机机组的安全运行提出了有实际工程意义的建议.并以鞍山第二发电厂一号机组为例进行了验证, 得出利用该程序可以解决其他类似各种转子的温度场和应力场的计算问题.关键词: 汽轮机; 温度场; 应力场; 放热系数; 有限元法中图分类号: TB 131 文献标识码: AFinite elem ent anal ysis of temp eratu re and stress f iel ds of steam tu rbine rotorCH EN Si2li1 , Y A N G Feng1 , J IN Sheng2ji1 , ZHA N G Chao2qun2 , CH EN Kai2 , BAO Wen2bo1( 1. S chool of Archit ect u re Eng ineering , Shenyang U n iversit y of Technology , Shenyang 110023 , C hina ; 2 .Liao n ing Academe of Elect r ic Po wer S cience , Shenyang 110000 , China)Abstract : The aim of t h is investigati o n is to apply f inite element calculati o n p ro g ra m to analyze t h e tem perat ure and st ress fields of steam t urbine roto r . A fo r mula to calculate t he radiative coefficient of t h e roto r was derived by numeric analysis. Based o n Fo rt ran language , t he p ro gra m suitable fo r calculating t h e radiative coeff icient of vari o us steam t urbine roto rs was wo r ked o ut . B ot h te m perat ure and st ress fi elds of steam t urbine roto r under different operating co nditi o ns were calculated using finite element sof t ware . S o m e suggesti o ns fo r safe operati o n of steam t urbine set s were p ropo sed , and t he veri ficat i o n was perfo r med wi t h taking t h e steam t u rbine roto r in A nshan Seco n d Power Plant as an exa m ple . It is suggested t h at t h e p r opo s ed p r ogram can be also used fo r calculating t h e te m perat u re and st r ess fields of ot h er similar roto r s.K ey w ords : steam t u rbine ; tem perat u re f ield ; st r ess field ; radiative coefficient ; finite ele ment汽轮机又称“蒸汽透平”是将蒸汽的热能转换成机械功的一种旋转式原动机. 在转换过程中,由于汽轮机转子和中心孔都将与不同温度和压力的蒸汽接触,特别在启停过程中温度和压力变化更大,这必然导致一些部位存在很大温差,产生热应力,其热应力的大小将直接影响汽轮机转子的使用寿命. 又由于气缸制造工艺和材料的改进,特别是采用双层气缸结构,气缸热应力得到缓解,而转子随着机组容量的增加,直径不断增大,热应力急剧增加,转子条件更为恶劣. 因此,研究汽轮机转子热应力已成为保证机组安全、经济运行的重要课题1 - 2 .本文对鞍山第二发电厂1 号机组高压汽轮机转子进行温度场和应力场计算和分析,考虑到汽轮机转子结构本身是非常复杂的,所以采用了现有的有限元程序对其进行研究,并根据分析计算结果对汽轮机在使用时应该注意的问题提出了合理的建议.1 汽轮机转子的有限元模型由于汽轮机转子本身是一个复杂的部件,不仅结构相对较复杂,而且其边界条件也是与很多收稿日期: 2006 - 05 - 26 .基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 50437010) .作者简介: 陈四利(1959 - ) ,男,辽宁绥中人,教授,博士,主要从事土木工程等方面的研究.沈 阳 工 业 大 学 学 报 第 29 卷126因素有关 ,更加显得其计算的复杂性 ,所以在不影 响温度场和应力场计算准确性的前提下 ,尽量使 得计算趋于简单化 ,有必要在温度场计算时 ,对其做如下假设3:1) 假设转子为无限长圆筒体 ,可以简化为轴对称问题来进行计算.2) 假设转子的初始温度均匀 ,且与蒸汽的温 度相等.3) 转子流场分布在周向基本一致 ,其边界条件表面的放热系数可以看作是轴对称的.111 汽轮机转子的几何模型由于转子的弹性槽处是热应力特别敏感和集 中的部位 ,不能对其简化 ,而且尺寸应尽量准确. 基于以上原则 ,对鞍山第二发电厂 1 号机组高压 汽轮机转子的有限元模型分析如图 1 所示 ,图中 单位为 mm.图 1 汽轮机转子的几何模型Fig. 1G eo m et r ic m o del of st eam t u rb ine roto r112 网格划分 根据转子的几何模型来进行网格划分 ,由文 献 10 可知 ,有限元的网格是程序自己来完成的 , 一般情况下 ,自由划分网格程序能够很好的划分 转子边界形状不规则的区域. 在进行热分析时 ,应 该选用热分析单元类型中的四节点轴对称单元 , 且温度是一个自由度的单元. 热应力分析时 ,采用 的是与其对应的结构分析单元 4 .根据分析 ,转子沿轴向的最大应力总是出现在高压转子前轴封第一弹性槽槽底圆角处 ,调节 级后侧叶轮根部过渡圆角及轴肩处等. 因此这些部位势必在第一次粗网格划分的基础上 ,进行第 二次细网格划分 ,这样不需进行两次计算. 虽然增 加了模型的复杂程度和计算工作量 ,却能更真实 的体现实际工作情况5 - 6 . 经 过 两 次 网 格 密 分 , 鞍山钢铁厂的 1 号机组汽轮机高压转子共划分为 12 840 个单元和 14 591 个节点. 其有限元网格划 分如图 2 所示.图 2 汽轮机转子的网络划分模型Fig. 2 Mesh divid in g mo del of st eam t u rb ine ro to r113 材料属性由于 35CrMo 钢是在温度 500 度时能够长期 工作 , 但 是 材 料 特 性 会 随 着 温 度 的 变 化 而 变 由于汽轮机转子结构复杂 ,叶片形状不规则 和换热不规则等造成汽轮机转子的温度场和热应 力计算相当困难 ,不论从人力物力上还是从计算 经济效益上看都是不适当的 . 这就要求在计算不 失真的条件下在边界条件上对其进行处理8.) 由于最大应力处不会出现在叶轮外表面化7 . 在有限元程序分析中必须把材料定义成非 线性的. 表 1 列出 35CrMo 钢的材料特性 .114 边界条件表 1 35CrMo 钢的材料特性M a terial characters of 35CrMo steelT a b . 1 温度/ ℃100200 300 400 500 600 700 Cp / (103 J ·m - 1 ·K - 1 ) λ/ (102 W ·m - 1 ·K )α/ (106 m 2 ·s - 1)γ/ (106·K - 1) 21516 21477 101800 12147021599 21477 101100 13105021611 21440 91100 13156021657 21410 71900 14100021716 21381 61700 14135021799 21356 51800 141640- 21331- 141380注 : Cp ———比热 ,λ———导热率 ,α———导温系数 ,γ———线膨胀系数第 2 期陈四利 ,等 : 汽轮机转子温度场和应力场的有限元分析 12701000 08 T 5 - 01008 T 4 + 01262 8 T 3而且叶轮和转子轴部是镶嵌在内部的 ,为了避免 考虑叶轮和转子接触问题的分析 ,本文提出了一 个新设想 ,即把叶轮从转子中抽出 ,但在计算热应 力时必须把它的离心力看成均布载荷加上 ,这样边界条件简化了 ,又考虑了叶轮的离心力的影响 ,对于最后计算结果不会产生很大误差 .2) 转子左右断面是截断面 ,热流密度小 , 有限元计算中可作为绝热处理.3) 在温度场的计算过程中 ,将中心孔作为对 称轴 ,而中心处无热源 ,也与外界无热交换 ,也可 绝热处理 ,属于第一类边界条件. 11411 放热系数转子启动和停止过程中 ,放热系数是时间和 空间上的函数 ,进行温度场分析时必须先确定放 热系数 ,当今已有很多文献在此方面有一定程度 的研究 ,但是得出的公式大都在极小范围内适用 , 而转子的温度变化非常大 ,不太适合. 本文总结前 人的经验 ,首先利用最小二乘法算出运动粘度系 数和导热系数与时间的关系 ,再结合外文资料特 别是前苏联和美国西屋公司得出公式9,进行修改导出了放热系数的计算公式.该公式将转子表面分成 4 种基本类型 ( 叶轮 两侧 、光轴 、汽封和叶轮顶部) 分别计算 ,并将该公 式 编 制 出 一 套 适 合 计 算 转 子 放 热 系 数 公 式 的 FO R T RA N E 语言程序 ,计算流程如图 3 所示. 其 计算公式如下 .λ0= - 31354 4 T 2 + 91600 1 T + 6411181) 叶轮两侧的放热系数α = 01675 u 015 v - 015 R - 015λ ( 1) 图 3 放热系数计算流程图Flo w chart of calcu lating radiative coefficientb 02) 光轴的放热系数α = 01062 4 v 0168 R - 0131λFig. 3 ( 2)11412 放热系数的计算结果利用该公式 ,对鞍山第二发电厂的 1 号机组转子进行了计算 ,得出叶轮两侧 、光轴 、汽封和叶轮顶部的放热系数. 高压部分放热系数随时间的 变化关系如图 4 所示 ,轴封处放热系数随时间的 变化关系如图 5 所示.a 03) 汽封的放热系数α = 01083 5 V a δ0176 v - 016 a - 01085 b- 01075u - 1λ04) 叶轮顶部的放热系数α = 01070 7 r 0λ0式中 : u ———外缘处的圆周速度 , m/ s ;R b ———叶轮外缘处半径 , m ;R a ———光轴的外半径 , m ;δ———汽封间隙 , m ;a ———汽封齿距 , m ;b ———转子表面到汽封环的高度 , m ;V a ———缝隙中蒸汽的平均速度 , m/ s ; v ———为运动粘度系数 , m 2/ s . ( 3) ( 4)2 温度场和应力场的结果分析利用有限元程序对鞍山第二发电厂 1 号机组 进行了计算 ,得出了冷态启动 ,热态启动 ,稳态运 行及各种负荷运行等各个工况下的温度场和应力场的计算结果 . 为了节省篇幅本文直接列出停机 过程中某个时刻的温度场和应力场计算结果. 如图 6 和图 7 所示.v = 01000 03 T5- 01003 1 T4+ 01137 T321620 9 T 2+ 191831 T + 661559λ0 ———蒸汽导热系数 , kJ / mh ℃ -沈 阳 工 业 大 学 学 报 第 29 卷128图 4 高压部分放热系数随时间的变化关系Relatio n ship bet w een time and rad iative coefficientin high p r essure ro tor图 5 Fig. 5 轴封处放热系数随时间的变化关系Relatio n ship bet w een time and rad iativecoefficient in axial sealFig. 4 图 6 转子停机 96 min 时的温度场Temp erat u re field of ro to r af t er shut d o wn fo r 96 minFig. 6图 7 转子停止 48 min 时的应力场S t r ess dist r ibutio n of rotor af t er shut d o wn for 48 minFig. 7 211 温度场的分析 由于转子在停机过程中 ,温度是随着时间的 变化而变化 ,而在转子表面和中心孔的温度均下降 ,但中心孔下降得比表面的要慢 ,这样就形成了 温度差. 所以由图 6 可以看到温度都是从转子外 表面向内表面传递 ,使得各个部位的温度是不相 等的 , 而且在调节级处的温度相对较大 , 在停机96 min 之后温度就可以达到大约 518 ℃. 特别是在弹性槽部位其温度达到更大 ,而且变化也相对 较大. 在叶轮处的温度也是相对较大 ,停机 96 min 后温度大约为 400 ℃. 从停机的计算结果中还可 以看出最大温差发生在停止过程中的某个时刻.212 应力场的分析图 7 列出了停机 48 min 时高压转子的应力 场分布. 对其进行分析 ,可以看出 ,在叶轮根部 ,轴 封前轴及弹性槽等部位存在着不同程度的应力集 中现象 ,其值最大达到 440 M Pa . 中心孔表面不存 在应力集中 ,其值相对较小仅为 22 M Pa . 产生这 种现象的原因从温度场的分析结果可以看出 ,在 这些部位的温度变化最大 ,应力也相对大 . 又由于 在叶轮的根部还存在叶片对其的离心力作用 ,蒸 汽的冲击使得这个位置的应力非常大 ,最大甚至 为 100 M P a . 当进入稳定运行的情况下 ,应力明显下降 ,在 30 min 内 ,应力下降达到 30 %～60 %. 从 各种工况运行的情况下 ,可以发现转子的热应力第 2 期陈四利 ,等 : 汽轮机转子温度场和应力场的有限元分析 129在带负荷和加负荷情况下 ,由于负荷和蒸汽流量 43 - 48 .( YUAN Peng 2f ei , SHEN G De 2r en. 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Bei jing : Wat er C o nservatio n and Elect ric Po wer Press ,2001 . )(责任编辑 :王艳香 英文审校 :王世杰)的增加 ,使得放热系数变大 ,热应力自然增加10.3 结论与建议3利用现有的有限元程序分析了高压转子在各 种工况下的温度场和应力场 ,推导出了放热系数 的计算公式 ,并编制了计算程序 ,所得到的分析结 果符合工程实际.在转子运动过程中 ,温度在变化 ,在某些部位 产生应力集中 ,为了减轻这种现象 ,本文提出以下 几点建议 :1) 由于在弹性槽处存在很大的应力集中 ,可以将弹性槽变成圆形 ,或变宽. 若减小槽的深度 , 也可以在一定程度上减小其应力集中. 要是可能 的话 ,还可以取消弹性槽.2) 在使用的过程中 ,应尽量减小汽轮机机组 的启停过程 ,尽量进行热态启动 ,这样就减小了转 子的损耗.3) 由于在弹性槽 、轴封 、调节级叶轮根部存 在应力集中 ,平时使用时应该隔一段时间对其进 行检修 ,有必要对其进行重点监控 .4) 在冷却方式上也可作些改进 ,尽量使冷却过程均匀 ,热冲击小 ,这样也可减小热应力集中问 题 .注 :本文计算应用的有限元软件是由辽宁电力科学 研究院提供的 ansys 正版软件. 456789参考文献 :1刘署 ,陈洁. 125M W 汽轮机转子热应力计算及应用 J . 长沙电力学院学报 ,2002 ,17 (4) :52 - 55 .(L IU Shu , CHEN J i e. C aculatio n and a pplicatio n of t h ermal st r ess fo r 125 M W st eam t u rb ine ro to r J . Jo ur nal of Changsha U n iversit y of Elect r ic Po wer ,2002 ,17 (4) :52 - 55 . )袁鹏飞 ,盛德仁. 汽轮机转子热疲劳寿 命 损 耗 监 测 面的有限元分析 J . 电站系统工程 , 2004 , 20 ( 2 ) :102。
