基于ANSYS對(duì)300MW汽輪機(jī)組轉(zhuǎn)子溫度場(chǎng)的仿真探究

摘 要：?jiǎn)螜C(jī)汽輪機(jī)組功率日趨增大，為了適應(yīng)電網(wǎng)要求和用電的峰谷差值，要求機(jī)組在安全運(yùn)行的前提下保證經(jīng)濟(jì)參數(shù)是運(yùn)行人員努力的方向。由于大容量機(jī)組參與調(diào)峰運(yùn)行，必然在負(fù)荷變化或啟動(dòng)或停運(yùn)機(jī)組時(shí)，造成機(jī)組蒸汽參數(shù)大幅變動(dòng)，必然使汽機(jī)部件溫度場(chǎng)發(fā)生強(qiáng)烈變化，并會(huì)有很大的熱應(yīng)力產(chǎn)生。為了確保安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的火電廠汽輪機(jī)組運(yùn)行，在軸對(duì)稱彈性理論的基礎(chǔ)上，考慮材料隨溫度的變化的物理性能，使用ANSYS有限元結(jié)構(gòu)分析電腦軟件，對(duì)300MW機(jī)組的調(diào)節(jié)級(jí)根部進(jìn)行溫度場(chǎng)仿真模擬，從而為進(jìn)一步研究在實(shí)際運(yùn)行工況下整個(gè)高中壓轉(zhuǎn)子瞬時(shí)溫度場(chǎng)分布變化情況及轉(zhuǎn)子在不同工況下的熱應(yīng)力分析提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī)；轉(zhuǎn)子；調(diào)節(jié)級(jí)；ANSYS；瞬態(tài)溫度場(chǎng)

國(guó)家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們用電量逐步增加，致使擴(kuò)大了電網(wǎng)容量和增大了日常的峰谷差值，同時(shí)也增加了建造高參數(shù)容量大的火電廠數(shù)量，在經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)行方面，對(duì)發(fā)電廠的要求也提到了一定高度。為滿足用戶用電的需求，發(fā)電機(jī)組在一些時(shí)候需要調(diào)峰，使得機(jī)組啟停次數(shù)大量增加，負(fù)荷波動(dòng)幅度也更加強(qiáng)烈，機(jī)組運(yùn)行狀況的改變?cè)斐筛左w溫度場(chǎng)分布發(fā)生改變并且熱應(yīng)力也相應(yīng)的產(chǎn)生。我們找到了處理復(fù)雜物理場(chǎng)的方法——有限元電腦分析方法，這個(gè)方法效果非常好，它是在計(jì)算機(jī)軟件和數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的條件下孕育產(chǎn)生的，它不僅能生成結(jié)構(gòu)復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)，還能準(zhǔn)確地對(duì)多種邊界條件進(jìn)行處理。以前分析復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和邊界條件都選用解析方法，對(duì)于溫度和應(yīng)力分布很難準(zhǔn)確地進(jìn)行分析。本文選取320MW汽輪機(jī)組作為研究對(duì)象，使用有限元單元化方法仔細(xì)分析轉(zhuǎn)子的溫度應(yīng)力場(chǎng)，分析應(yīng)力場(chǎng)的基礎(chǔ)是對(duì)溫度場(chǎng)的分析，且汽輪機(jī)組啟停及運(yùn)行的關(guān)鍵分析是調(diào)節(jié)級(jí)），在實(shí)際生產(chǎn)中研究調(diào)節(jié)級(jí)溫度的真實(shí)分布，對(duì)300MW機(jī)組實(shí)際運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化打下理論之基。

1 分析軟件ANSYS的介紹

目前針對(duì)有限元分析通用分析數(shù)值軟件之一就是ANSYS，強(qiáng)大的計(jì)算分析功能使得在前后處理方面，求解和數(shù)據(jù)庫(kù)多場(chǎng)統(tǒng)一分析一體化方面擁有出眾的表現(xiàn)。它的分析非線性功能，可以同時(shí)使得求解器計(jì)算擁有多種，可以劃分多個(gè)用戶網(wǎng)格，總體來(lái)說(shuō)，它十分強(qiáng)大，有點(diǎn)突出。

有限元分析法則是數(shù)值分析中的其中一種，它能很好地處理形狀條件復(fù)雜的物體，并且可以隨意變換它的單元形狀和密集程度，為了達(dá)到很好的相似而采取比較少的節(jié)點(diǎn)，所以能很好的分析汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的溫度場(chǎng)和受力應(yīng)力場(chǎng)。

2 為320MW汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子建模型

2.1 汽輪機(jī)模型參數(shù)

汽輪機(jī)參數(shù)為： N320-16.7/537/537（合缸），亞臨界中間次再熱二缸兩排汽凝汽式機(jī)組， 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子，總長(zhǎng)6.98米，0.73米的軸向長(zhǎng)度，調(diào)節(jié)級(jí)處半徑為0.55米，半徑為0.1 米的中心孔，半徑為0.34米的光軸，其中高中壓是整鍛鑄造，高溫耐熱，30Cr1MoV的材料。為了減少機(jī)組運(yùn)行時(shí)的軸向推力，該320MW 機(jī)組對(duì)稱合缸布置，在設(shè)計(jì)制造上軸向推力在一定程度上得到了相應(yīng)的減少。根據(jù)建模的要求，圖示1簡(jiǎn)圖所示，高中壓轉(zhuǎn)子依次標(biāo)注（從左到右），我們把該轉(zhuǎn)子抽象簡(jiǎn)化成一個(gè)軸對(duì)稱三維立體圖形，沒(méi)有內(nèi)部熱源，各個(gè)方向性質(zhì)相同，在不穩(wěn)定的條件下，也是均勻的模型。

建立幾何模型——1/4汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子三維模型，圖2所示。

我們?nèi)≌{(diào)節(jié)級(jí)部分：見(jiàn)圖3。

選取10°的模型并進(jìn)行網(wǎng)格化分：見(jiàn)圖示4與5。

3 解決模型溫度場(chǎng)問(wèn)題

3.1 為模型的溫度場(chǎng)分布創(chuàng)建數(shù)學(xué)構(gòu)架模型

引用文獻(xiàn)[2] ，由于該汽機(jī)轉(zhuǎn)子模型在實(shí)際運(yùn)行中的溫度場(chǎng)不穩(wěn)定，我們假設(shè)該轉(zhuǎn)子，無(wú)內(nèi)部熱源，個(gè)方向性質(zhì)相同并且均勻，我們列出偏微分方程式：

屬于解軸對(duì)稱溫度函數(shù)問(wèn)題， 在D區(qū)域內(nèi)溫度t （ z ， r ，τ）中是一個(gè)溫度函數(shù)關(guān)系，非定常，并且軸對(duì)稱，從而可以獲得求解。

注：ρ—材料的密度

Cp —材料的比熱

λ為材料的導(dǎo)熱率

3.2 計(jì)算傳熱系數(shù)

傳熱學(xué)理論告訴我們，傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射是熱量傳遞過(guò)程三種方式。在本模型中，我們主要是傳導(dǎo)和對(duì)流兩種傳熱方式，輻射忽略不計(jì)。在現(xiàn)有文獻(xiàn)中，對(duì)汽機(jī)轉(zhuǎn)子的軸封位置、光軸位置，利用換熱系數(shù)公式計(jì)算所得。在機(jī)組實(shí)際的運(yùn)行工況中，只有知道了轉(zhuǎn)子外界流質(zhì)的換熱系數(shù)和流質(zhì)溫度，才能分析瞬時(shí)狀態(tài)的溫度場(chǎng)。我們選取不同時(shí)刻一系列的點(diǎn)的調(diào)節(jié)級(jí)處汽室溫度，各個(gè)抽汽蒸汽段的壓力與溫度，按照這種方式對(duì)邊界元的換熱系數(shù)進(jìn)行求解，之所以這樣來(lái)確定，是因?yàn)樗谋砻鎿Q熱系數(shù)是隨時(shí)間、不同部位變化的，不是固定的。各個(gè)部分的換熱系數(shù)的確定，要在分析瞬間狀態(tài)溫度場(chǎng)的時(shí)候仔細(xì)分析各個(gè)狀態(tài)的邊界條件，不能簡(jiǎn)單的應(yīng)用T，P或t相關(guān)的解析式來(lái)進(jìn)行簡(jiǎn)單處理，因?yàn)樗鼈兇嬖谙喈?dāng)復(fù)雜的函數(shù)關(guān)系，對(duì)于一段時(shí)間負(fù)荷的變化是無(wú)規(guī)律的，隨著負(fù)荷的變化蒸汽溫度也是瞬時(shí)變化的，所以對(duì)于換熱系數(shù)要詳盡的進(jìn)行分析。

3.3 定解條件的確定

（1）模型的熱邊界條件確定。轉(zhuǎn)子模型如上圖示2，在計(jì)算過(guò)程中，轉(zhuǎn)子模型左端和右端（軸承中心面和聯(lián)軸器橫截面）我們認(rèn)為絕熱，以此來(lái)處理簡(jiǎn)化，即

注： α -蒸汽與轉(zhuǎn)子表面的換熱系數(shù)

tf -為與轉(zhuǎn)子表面接觸的汽溫

（2）轉(zhuǎn)子內(nèi)表面（中心圓孔處） 作絕熱邊界處理。50℃作為恒定溫度。轉(zhuǎn)子軸頸處溫度取70℃（比軸承回油溫度高） ，這個(gè)模型假設(shè)是第一類邊界條件，它已知邊界溫度的。而轉(zhuǎn)子外表面的溫度邊界條件則是第三類邊界條件（即對(duì)流邊界條件） 。

初始條件的運(yùn)用，求解式（1）的初始條件我們寫為：

這兩種情況下，本文所涉及的初始條件，每個(gè)條件的第一時(shí)刻和相應(yīng)的邊界條件，根據(jù)穩(wěn)態(tài)分析計(jì)算轉(zhuǎn)子溫度場(chǎng)在很短的時(shí)間內(nèi)為初始狀態(tài)。本文僅選擇一個(gè)力矩和載荷步加載模擬汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子調(diào)節(jié)級(jí)。

（3）對(duì)模型加載邊界條件。我們運(yùn)行計(jì)算機(jī)軟件ANSYS對(duì)模型進(jìn)行加載時(shí)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，但不是簡(jiǎn)單的擬合，我們要運(yùn)用關(guān)于其他參數(shù)邊界條件化的瞬時(shí)分析。具體方法是：首先，通過(guò)對(duì)溫度場(chǎng)的計(jì)算在很短的時(shí)間內(nèi)為初始條件，邊界條件的穩(wěn)態(tài)分析對(duì)應(yīng)邊界條件。然后，轉(zhuǎn)子第一次加載邊界條件對(duì)應(yīng)的模型，對(duì)于這段時(shí)間設(shè)定載荷步結(jié)束的時(shí)間，為了計(jì)算第一個(gè)瞬態(tài)溫度場(chǎng)。在第二周期計(jì)算，與轉(zhuǎn)子模型重新加載相應(yīng)的邊界條件，此時(shí)，載荷步的結(jié)束時(shí)間前兩小時(shí)間段，依次同理，這樣反過(guò)來(lái)進(jìn)行重復(fù)加載，直到最后一個(gè)采樣周期結(jié)束時(shí)計(jì)算在整個(gè)工作條件下的瞬態(tài)溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果。由于邊界是更復(fù)雜的，所以這個(gè)繁瑣過(guò)程使用加載讀取程序指令進(jìn)行。

4 在調(diào)節(jié)級(jí)處根據(jù)實(shí)際加載負(fù)荷（圖示6）并且得到仿真結(jié)果（圖示7）

5 模型軟件仿真的總結(jié)

在汽輪機(jī)實(shí)際生產(chǎn)啟動(dòng)過(guò)程中，暖機(jī)前一段時(shí)間，汽機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)溫度場(chǎng)在參數(shù)的變化下也不固定變化，中心孔的溫度和外表溫度之間的差值也是呈增大趨勢(shì)變化，在暖機(jī)過(guò)程中轉(zhuǎn)子溫度場(chǎng)變化則趨于平穩(wěn)，在形狀不規(guī)則的邊界地帶上分布折復(fù)雜的等溫線，這兩者之間的溫度差慢慢減小。在機(jī)組冷啟動(dòng)階段中，很明顯，轉(zhuǎn)子是一個(gè)被蒸汽加熱的過(guò)程， 溫差的存在造成熱應(yīng)力的產(chǎn)生，在控制溫差率的前提下，就相應(yīng)控制了應(yīng)力變化。我們通過(guò)控制部件間的溫差，我們可以在暖機(jī)過(guò)程中著手，從圖示7可以明顯看出， 在啟動(dòng)的前期轉(zhuǎn)子上出現(xiàn)溫度差最大的時(shí)刻，即調(diào)節(jié)級(jí)根部是最危險(xiǎn)的部位。為了確保在最短的時(shí)間安全啟動(dòng)，我們可以通過(guò)對(duì)冷啟動(dòng)過(guò)程的仿真并計(jì)算和實(shí)踐，合理安排各個(gè)階段的啟動(dòng)時(shí)間來(lái)達(dá)到母的。

汽輪機(jī)在運(yùn)行生產(chǎn)中，各級(jí)是在不同的參數(shù)的蒸汽下轉(zhuǎn)動(dòng)，而調(diào)節(jié)級(jí)是最重要的。在對(duì)調(diào)節(jié)級(jí)溫度模擬仿真完成的基礎(chǔ)上，其他部位同樣可以運(yùn)用相同原理進(jìn)行構(gòu)建模型仿真分析，對(duì)該汽機(jī)轉(zhuǎn)子整體的溫度場(chǎng)分布和應(yīng)力場(chǎng)分布的情況進(jìn)行研究，運(yùn)行電腦運(yùn)行分析，從而進(jìn)行對(duì)實(shí)際運(yùn)行狀況的理論指導(dǎo)。

6 對(duì)此次實(shí)踐論證的結(jié)論

（1）溫度場(chǎng)的有限元法計(jì)算汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子可以很好地模擬復(fù)雜的邊界形狀，計(jì)算的結(jié)果更準(zhǔn)確。協(xié)助于ANSYS有限元分析軟件建立轉(zhuǎn)子幾何模型，將有限元網(wǎng)格劃分程序，可以方便，快速完成有限元網(wǎng)格生成與轉(zhuǎn)子加密解決方案區(qū)域，有限元網(wǎng)格模型的滿足各種求解器的選擇，同時(shí)保證有限元結(jié)果的精度。

（2）本文選擇從電廠工況的實(shí)際運(yùn)行條件的計(jì)算，使計(jì)算結(jié)果更接近實(shí)際的操作，而且在理論上為汽機(jī)轉(zhuǎn)子溫度場(chǎng)分布和應(yīng)力的計(jì)算、汽機(jī)壽命損耗管理提供了有力的參考。

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作者簡(jiǎn)介：司群（1985—），男，河北東光人，本科，助理工程師，電廠集控運(yùn)行。