汽輪機(jī)起動(dòng)過(guò)程溫升分配對(duì)轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力的影響分析

劉偉

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七0三研究所，黑龍江 哈爾濱 150078）

汽輪機(jī)起動(dòng)過(guò)程溫升分配對(duì)轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力的影響分析

劉偉

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七0三研究所，黑龍江 哈爾濱 150078）

為了使汽輪機(jī)處于正常工作狀態(tài)，有必要確保汽輪機(jī)在運(yùn)行中的可靠性及安全性。相關(guān)研究表明：汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子在起停過(guò)程中的熱應(yīng)力加以減弱的情況下，能夠使轉(zhuǎn)子由于熱疲勞而形成的裂紋得到有效控制。為了使汽輪機(jī)在起動(dòng)過(guò)程中的轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力得到有效減弱，同時(shí)使起動(dòng)時(shí)間得到有效縮短，有必要對(duì)汽輪機(jī)起動(dòng)過(guò)程的溫升進(jìn)行合理分配。本文在對(duì)汽輪機(jī)及轉(zhuǎn)子相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行概述的情況下，進(jìn)一步對(duì)轉(zhuǎn)子溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行分析，并探究了汽輪機(jī)起動(dòng)過(guò)程溫升分配對(duì)轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力的影響，以此為汽輪機(jī)機(jī)組可靠、安全運(yùn)行的實(shí)現(xiàn)提供參考。

汽輪機(jī)；起動(dòng)過(guò)程；溫升分配；影響

對(duì)汽輪機(jī)起停過(guò)程中轉(zhuǎn)子的熱應(yīng)力及起動(dòng)時(shí)間加以控制，能夠使機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性及安全性得到有效保障，同時(shí)還能夠起到保護(hù)環(huán)境的作用。因此，綜合考慮，對(duì)“汽輪機(jī)起動(dòng)過(guò)程溫升分配對(duì)轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力的影響”進(jìn)行分析，能夠進(jìn)一步了解汽輪機(jī)的運(yùn)行情況，進(jìn)而為其運(yùn)行效益的提升提供參考建議。

1 汽輪機(jī)及轉(zhuǎn)子相關(guān)內(nèi)容概述

1.1 轉(zhuǎn)子及熱效應(yīng)控制分析

在汽輪機(jī)當(dāng)中，轉(zhuǎn)子是一大核心部件，通常在高溫、高壓以及高轉(zhuǎn)速等環(huán)境下工作?；诶鋺B(tài)起動(dòng)期間，轉(zhuǎn)子會(huì)被蒸汽加熱，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子表層溫度的升高速度加快，并且在此過(guò)程中易受到壓應(yīng)力的作用。而在停機(jī)期間，則恰恰相反，在轉(zhuǎn)子表面容易遭遇拉應(yīng)力的作用。在起、停機(jī)過(guò)程中，轉(zhuǎn)子表面的熱應(yīng)力會(huì)有拉、壓變化發(fā)生，進(jìn)而致使轉(zhuǎn)子發(fā)生疲勞壽命損耗，在嚴(yán)重情況下還會(huì)使轉(zhuǎn)子表面有裂紋產(chǎn)生，進(jìn)而使機(jī)組的可靠、安全運(yùn)行受到很大程度的考驗(yàn)。從我國(guó)現(xiàn)狀來(lái)看，機(jī)組起動(dòng)速度緩慢的情況較為多見，進(jìn)而容易引發(fā)經(jīng)濟(jì)效益低下以及環(huán)境污染等一系列問(wèn)題。所以，綜合考慮，有必要對(duì)起停機(jī)過(guò)程中轉(zhuǎn)子的熱應(yīng)力加以控制及優(yōu)化，同時(shí)控制機(jī)組的起動(dòng)時(shí)間，以此使機(jī)組的安全性及經(jīng)濟(jì)性得到有效保障，并使環(huán)境污染問(wèn)題得到有效解決。

1.2 相關(guān)研究進(jìn)展分析

有研究者利用有限元法起動(dòng)中壓缸，以600 MW的汽輪機(jī)為例，對(duì)其在超臨界狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子不同起停工況下的瞬態(tài)溫度場(chǎng)以及應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了分析，進(jìn)一步對(duì)轉(zhuǎn)子的疲勞蠕變壽命消耗進(jìn)行了估算。同時(shí)，還有研究者對(duì)損傷力學(xué)方法加以應(yīng)用，分析了300 MW汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子低周疲勞—蠕變非線性損傷情況。此外，國(guó)外有學(xué)者優(yōu)化了某電廠汽輪機(jī)組起動(dòng)曲線，在采取相應(yīng)的試驗(yàn)策略的情況下，使得轉(zhuǎn)子起動(dòng)應(yīng)力得到有效降低。結(jié)合諸多學(xué)者的研究，雖然取得了不同的成果，但一致認(rèn)為：汽輪機(jī)起動(dòng)過(guò)程溫升分配會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力產(chǎn)生很大程度的影響。所以，從汽輪機(jī)運(yùn)行的可靠性及安全性角度考慮，了解、掌握其中存在的影響非常關(guān)鍵。

2 轉(zhuǎn)子溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)相關(guān)問(wèn)題分析

對(duì)于汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子來(lái)說(shuō)，屬于一種典型的軸對(duì)稱構(gòu)建，在對(duì)其進(jìn)行計(jì)算分析過(guò)程中，需采取相應(yīng)的模型。而對(duì)于其中的轉(zhuǎn)子溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)問(wèn)題，還有待進(jìn)一步探究。具體內(nèi)容包括以下幾點(diǎn)。

2.1 轉(zhuǎn)子溫度場(chǎng)計(jì)算

上述提到，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子為一類典型的軸對(duì)稱構(gòu)建，所以在對(duì)其進(jìn)行計(jì)算過(guò)程中，需考慮軸對(duì)稱模型。在對(duì)轉(zhuǎn)子非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算過(guò)程中，可將轉(zhuǎn)子視為一類均勻、各向同性，且不存在內(nèi)熱源的一種物體，在計(jì)算過(guò)程中，將其定義為一類非定常溫度函數(shù)問(wèn)題的求解，在具體求解過(guò)程中，需考慮到的系數(shù)包括：其一，材料熱導(dǎo)率；其二，材料密度；其三，材料比熱容；其四，軸向坐標(biāo)；其五，徑向坐標(biāo)；其六，時(shí)間。此外，由于轉(zhuǎn)子外表面為對(duì)流換熱邊界的條件，也就是第三類熱邊界條件，因此在邊界上需考慮相應(yīng)的系數(shù)，即：轉(zhuǎn)子表面蒸汽溫度、表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)以及轉(zhuǎn)子表面法向。

2.2 轉(zhuǎn)子應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算

在這里，針對(duì)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子應(yīng)力場(chǎng)，基于計(jì)算過(guò)程中，所采取的是彈塑性計(jì)算，并利用了雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型。此模型把簡(jiǎn)單拉伸試驗(yàn)所獲取的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線進(jìn)行簡(jiǎn)化，主要簡(jiǎn)化為2段折線，在計(jì)算過(guò)程中，同樣需要考慮到一些參數(shù)，包括：其一，彈性模量；其二，切線模量；其三，屈服應(yīng)力及對(duì)應(yīng)應(yīng)變。同時(shí)，在應(yīng)力計(jì)算過(guò)程中，如果使用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型，那么值得注意的是屈服點(diǎn)的判斷。并且，在計(jì)算期間，通常會(huì)使用Von.Mises屈服準(zhǔn)則對(duì)材料進(jìn)行判斷，看其在什么時(shí)候屈服。一般情況下，在等效應(yīng)力到屈服極限的情況下，材料便會(huì)進(jìn)入屈服狀態(tài)，進(jìn)而便可以對(duì)材料進(jìn)行判斷，看材料是處于彈性狀態(tài)，還是處于塑性狀態(tài)。

3 汽輪機(jī)起動(dòng)過(guò)程溫升分配對(duì)轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力的影響探究

結(jié)合上述分析，認(rèn)識(shí)到在考慮轉(zhuǎn)子溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)相關(guān)問(wèn)題的時(shí)候，需注意的是轉(zhuǎn)子溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)的計(jì)算。近年來(lái)，不少學(xué)者研究表明，汽輪機(jī)起動(dòng)過(guò)程溫升分配會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力產(chǎn)生一定程度的影響。下面以某亞臨界660 MW汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子為例，其轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度大概為8 m，高中壓缸一共有12級(jí)，當(dāng)中高壓有7級(jí)，中壓則有5級(jí)。如圖1所示，為轉(zhuǎn)子軸向剖面圖。

TE96

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1671-0711（2016）10（上）-0093-02