高效核電汽輪機(jī)高壓模塊結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的研究

鄧志成， 王秀瑾， 汪　勇， 楊　宇

(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院， 上海 200240)

?

高效核電汽輪機(jī)高壓模塊結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的研究

鄧志成， 王秀瑾， 汪勇， 楊宇

(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院， 上海 200240)

對高效核電汽輪機(jī)的高壓模塊的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了研究，采用有限元分析技術(shù)，對高壓轉(zhuǎn)子、高壓閥殼和高壓內(nèi)缸在穩(wěn)態(tài)額定工況和冷態(tài)啟動工況的溫度場和應(yīng)力場進(jìn)行了計(jì)算校核，對強(qiáng)度不合格的部件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。結(jié)果表明：經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)后，高效核電汽輪機(jī)高壓模塊結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)合格。

核電汽輪機(jī)； 高壓模塊； 有限元； 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

我國現(xiàn)有的核電汽輪機(jī)大部分為飽和蒸汽汽輪機(jī)，與常規(guī)火電汽輪機(jī)相比，飽和蒸汽核電汽輪機(jī)的主蒸汽參數(shù)和相對內(nèi)效率都比較低，建造成本也比較高。某型號核電機(jī)組汽輪機(jī)的高壓進(jìn)汽采用過熱蒸汽，進(jìn)汽溫度達(dá)到566 ℃，與飽和蒸汽核電汽輪機(jī)相比，具有熱效率高、熱耗率低、轉(zhuǎn)換比高、安全性好等優(yōu)點(diǎn)，稱之為高效核電汽輪機(jī)，其高壓模塊工作溫度高，工作條件惡劣，是核電常規(guī)島的關(guān)鍵部件。為了確保汽輪機(jī)高壓模塊的安全性，需要進(jìn)行高壓模塊結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究[1-7]。筆者采用有限元分析技術(shù)，對某型號高效核電汽輪機(jī)的高壓模塊的高壓轉(zhuǎn)子、高壓內(nèi)缸和高壓閥殼建立有限元模型，研究高壓轉(zhuǎn)子、高壓內(nèi)缸和高壓閥殼的穩(wěn)態(tài)額定工況與冷態(tài)啟動工況的溫度場和應(yīng)力場分布，對這些部件進(jìn)行強(qiáng)度校核，并對強(qiáng)度安全裕度不足的部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，為保障該型號高效核電機(jī)組的長期安全運(yùn)行提供依據(jù)。

1　研究對象

1.1 高壓轉(zhuǎn)子有限元模型

高效核電高壓轉(zhuǎn)子采用二維軸對稱結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，模型見圖1。在計(jì)算過程中，葉片對輪盤的作用處理為導(dǎo)熱和離心力載荷，采用四面體網(wǎng)格對高壓轉(zhuǎn)子進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對于結(jié)構(gòu)突變區(qū)域進(jìn)行局部細(xì)化，其網(wǎng)格模型見圖2。

圖1　高壓轉(zhuǎn)子的幾何模型

圖2　高壓轉(zhuǎn)子的網(wǎng)格模型圖

熱邊界條件：高壓轉(zhuǎn)子的輪緣、汽封部位、葉輪、光軸等高壓轉(zhuǎn)子外表面，取與蒸汽強(qiáng)制對流換熱的第三類邊界條件；高壓轉(zhuǎn)子軸頸部位外表面取為第三類邊界條件；轉(zhuǎn)子聯(lián)軸器端面取熱流密度為零的第二類邊界條件，即絕熱邊界條件。

力邊界條件：高壓轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，在高壓轉(zhuǎn)子各級輪緣施加對應(yīng)各級動葉片的離心力，高壓轉(zhuǎn)子施加自身旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力。

1.2 高壓閥殼有限元模型

高效核電高壓閥殼幾何模型和網(wǎng)格模型見圖3，高壓閥殼網(wǎng)格模型采用三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，在計(jì)算過程中，采用六面體網(wǎng)格對高壓閥殼進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對于結(jié)構(gòu)突變區(qū)域進(jìn)行局部細(xì)化。

圖3　高壓閥殼的幾何與網(wǎng)格模型

熱邊界條件: 汽輪機(jī)高壓閥殼內(nèi)表面取與蒸汽強(qiáng)制對流換熱的第三類邊界條件，外表面為熱流密度為零的第二類邊界條件，即絕熱邊界條件。

力邊界條件：高壓閥殼內(nèi)表面施加相應(yīng)的蒸汽壓力。

1.3 高壓內(nèi)缸有限元模型與邊界

高效核電高壓內(nèi)缸模型和網(wǎng)格模型見圖4，高壓內(nèi)缸網(wǎng)格模型采用三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，在計(jì)算過程中，靜葉對內(nèi)缸的作用處理為導(dǎo)熱，采用四面體網(wǎng)格對高壓內(nèi)缸進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對于結(jié)構(gòu)突變區(qū)域進(jìn)行局部細(xì)化。

圖4　高壓內(nèi)缸的幾何與網(wǎng)格模型

熱邊界條件: 汽輪機(jī)高壓內(nèi)缸內(nèi)表面的靜葉根部、內(nèi)缸表面光滑段、汽封部位、進(jìn)汽管道內(nèi)表面、抽汽腔室、抽汽管道內(nèi)表面等高壓內(nèi)外表面，取與蒸汽強(qiáng)制對流換熱的第三類邊界條件。

力邊界條件：高壓內(nèi)缸表面施加相應(yīng)的蒸汽壓力。

2　計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 穩(wěn)態(tài)額定工況計(jì)算結(jié)果

2.1.1 高壓轉(zhuǎn)子穩(wěn)態(tài)額定工況溫度場和應(yīng)力場

圖5給出了高壓轉(zhuǎn)子的穩(wěn)態(tài)額定工況下溫度場分布。從圖5中可以看出:在穩(wěn)態(tài)額定工況下，高壓轉(zhuǎn)子最高溫度為548.17 ℃，隨著蒸汽的不斷做功，從調(diào)節(jié)級往后，蒸汽溫度逐級降低。圖6給出了高壓轉(zhuǎn)子的穩(wěn)態(tài)額定工況下應(yīng)力場分布。從圖6中可以看出：應(yīng)力最大部位出現(xiàn)在平衡鼓側(cè)軸頸部位，工作溫度為492.34 ℃。按文獻(xiàn)[1-4]，等效應(yīng)力與屈服極限之比稱為應(yīng)力比，該高壓轉(zhuǎn)子在穩(wěn)態(tài)額定工況下的最大應(yīng)力比為0.46，小于1，高壓轉(zhuǎn)子在穩(wěn)態(tài)額定工況下強(qiáng)度設(shè)計(jì)合格。

圖5　高壓轉(zhuǎn)子穩(wěn)態(tài)額定工況溫度場云圖

圖6　高壓轉(zhuǎn)子穩(wěn)態(tài)額定工況應(yīng)力場云圖

2.1.2 高壓閥殼穩(wěn)態(tài)額定工況溫度場和應(yīng)力場

圖7給出了高壓閥殼的穩(wěn)態(tài)額定工況下應(yīng)力場分布。從圖7中可以看出：應(yīng)力最大部位出現(xiàn)在調(diào)節(jié)閥閥座圓角部位，工作溫度為566 ℃，最大應(yīng)力比0.39，小于1，根據(jù)參考文獻(xiàn)[1-4]中提供的判據(jù)可知，高壓閥殼在穩(wěn)態(tài)額定工況下強(qiáng)度設(shè)計(jì)合格。

圖7　高壓閥殼穩(wěn)態(tài)額定工況應(yīng)力場云圖

2.1.3 高壓內(nèi)缸穩(wěn)態(tài)額定工況溫度場和應(yīng)力場

圖8給出了高壓內(nèi)缸的穩(wěn)態(tài)額定工況下溫度場和應(yīng)力場分布。從圖8中可以看出：在穩(wěn)態(tài)額定工況下，溫度最高的部位為進(jìn)汽插管，最高溫度為563.27 ℃，從進(jìn)汽腔室到排汽，蒸汽溫度逐漸降低。應(yīng)力最大部位出現(xiàn)在調(diào)節(jié)級靜葉安裝部位圓角(見圖9)，工作溫度為548.35 ℃，最大應(yīng)力比達(dá)到1.89，大于1，應(yīng)力比較大，高壓內(nèi)缸在穩(wěn)態(tài)額定工況下強(qiáng)度安全余量不足。

圖8　高壓內(nèi)缸穩(wěn)態(tài)額定工況溫度場和應(yīng)力場云圖

圖9　高壓內(nèi)缸強(qiáng)度薄弱部位示意圖

2.2 冷態(tài)啟動工況計(jì)算結(jié)果

2.2.1 高壓轉(zhuǎn)子冷態(tài)啟動工況溫度場和應(yīng)力場

高壓轉(zhuǎn)子冷態(tài)啟動工況應(yīng)力最大部位出現(xiàn)在彈性槽部位，其具體位置見圖10，其應(yīng)力比隨時間的變化見圖11。從圖11可以看出：高壓轉(zhuǎn)子彈性槽部位應(yīng)力比最大時刻出現(xiàn)在冷態(tài)啟動22 400 s，最大應(yīng)力比為1.46，小于2，根據(jù)參考文獻(xiàn)[1-4]中提供的判據(jù)可知，高壓轉(zhuǎn)子在冷態(tài)啟動負(fù)荷工況下強(qiáng)度設(shè)計(jì)合格。

圖10　高壓轉(zhuǎn)子彈性槽圖

圖11　高壓轉(zhuǎn)子彈性槽部位應(yīng)力比隨時間變化圖

2.2.2 高壓閥殼冷態(tài)啟動工況溫度場和應(yīng)力場

高壓閥殼冷態(tài)啟動工況應(yīng)力最大部位出現(xiàn)在閥殼流道頂部圓角處，其具體位置見圖12，其應(yīng)力比隨時間的變化見圖13。從圖13可以看出：高壓閥殼流道頂部圓角部位應(yīng)力比最大時刻出現(xiàn)在冷態(tài)啟動24 000 s，最大應(yīng)力比為0.87，小于1.5，根據(jù)參考文獻(xiàn)[1-4]中提供的判據(jù)可知，高壓閥殼在冷態(tài)啟動負(fù)荷工況下強(qiáng)度設(shè)計(jì)合格。

圖12　高壓閥殼冷態(tài)啟動過程強(qiáng)度薄弱部位

圖13　高壓閥殼流道頂部圓角部位應(yīng)力比隨時間變化

2.2.3 高壓內(nèi)缸冷態(tài)啟動工況溫度場和應(yīng)力場

高壓內(nèi)缸冷態(tài)啟動工況應(yīng)力最大部位出現(xiàn)在調(diào)節(jié)級靜葉安裝圓角部位，其具體位置見圖9，其應(yīng)力比隨時間的變化見圖14。從圖14可以看出：高壓內(nèi)缸調(diào)節(jié)級靜葉安裝圓角部位應(yīng)力比最大時刻出現(xiàn)在冷態(tài)啟動22 400 s，最大應(yīng)力比為1.997，大于1.5，高壓內(nèi)缸在冷態(tài)啟動工況下強(qiáng)度安全余量不足。

圖14　高壓內(nèi)缸調(diào)節(jié)級靜葉圓角部位應(yīng)力比隨時間變化

3　高壓內(nèi)缸的結(jié)構(gòu)改進(jìn)

經(jīng)過穩(wěn)態(tài)額定工況和冷態(tài)啟動工況的有限元計(jì)算，發(fā)現(xiàn)高壓內(nèi)缸調(diào)節(jié)級靜葉安裝圓角部位強(qiáng)度安全余量不足，針對這個部位進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)，將該部位的圓角由1.5 mm增大到5 mm，形成改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，其改進(jìn)前后的結(jié)構(gòu)對比見圖15。

圖15　高壓內(nèi)缸調(diào)節(jié)級靜葉安裝圓角部位改進(jìn)前后的結(jié)構(gòu)對比

冷態(tài)啟動過程高壓內(nèi)缸強(qiáng)度薄弱部位改進(jìn)前后的應(yīng)力比對比見圖16。從圖16可以看出：與原方案相比，在冷態(tài)啟動過程中，最大應(yīng)力比由1.98降至1.06，小于1.5，而在穩(wěn)態(tài)額定工況下，采用改進(jìn)設(shè)計(jì)方案高壓內(nèi)缸調(diào)節(jié)級靜葉安裝圓角部位的應(yīng)力比由1.89降至1.0。經(jīng)過結(jié)構(gòu)改進(jìn)，高壓內(nèi)缸應(yīng)力集中部位的應(yīng)力下降明顯，根據(jù)參考文獻(xiàn)[1-4]中提供的判據(jù)可知，高壓內(nèi)缸改進(jìn)方案在穩(wěn)態(tài)額定工況和冷態(tài)啟動工況的強(qiáng)度設(shè)計(jì)均合格。

圖16　冷態(tài)啟動過程高壓內(nèi)缸強(qiáng)度薄弱部位改進(jìn)前后的應(yīng)力比對比

4　結(jié)語

高壓轉(zhuǎn)子和高壓閥殼在穩(wěn)態(tài)額定工況和冷態(tài)啟動過程中的應(yīng)力水平均較低，強(qiáng)度設(shè)計(jì)是合格的。高壓內(nèi)缸在穩(wěn)態(tài)額定工況和冷態(tài)啟動過程中，調(diào)節(jié)級靜葉安裝圓角部位的應(yīng)力較大，但進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)之后，高壓內(nèi)缸的應(yīng)力集中部位應(yīng)力顯著減小，高壓內(nèi)缸的改進(jìn)設(shè)計(jì)方案在穩(wěn)態(tài)額定工況和冷態(tài)啟動過程中的強(qiáng)度設(shè)計(jì)合格。

[1] 王雷,章明川,謝廣錄,等. 噴霧干燥煙氣脫硫技術(shù)的數(shù)值模擬[J]. 動力工程,2005,25(3):416-421.

[2] 史進(jìn)淵,楊宇,鄧志成,等. 大功率電站汽輪機(jī)壽命預(yù)測與可靠性設(shè)計(jì)[M]. 北京:中國電力出版社,2011.

[3] 史進(jìn)淵,楊宇,鄧志成,等. 汽輪機(jī)零部件強(qiáng)度有限元分析的設(shè)計(jì)判據(jù)[J]. 熱力透平,2011,40(1):22-27.

[4] 史進(jìn)淵,汪勇,楊宇,等. 汽輪機(jī)零部件多軸應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度設(shè)計(jì)和壽命預(yù)測[J]. 熱力透平,2012,41(2):131-139,146.

[5] 鄧志成,楊宇,汪勇. 閥座圓角半徑對汽輪機(jī)高壓閥殼高溫蠕變應(yīng)力的影響[J]. 發(fā)電設(shè)備,2010,24(6):393-395.

[6] SHI J Y,DENG Z C,YANG Y,et al. Heat transfer coefficient of wheel rim of large capacity steam turbines[J]. Frontiers of Energy and Power Engineering in China,2008,2(1):20-24.

[7] 丁有宇. 汽輪機(jī)強(qiáng)度計(jì)算手冊[M]. 北京:水利電力出版社,2010.

Research on Structural Strength of HP Modules in High-efficient Nuclear Steam Turbines

Deng Zhicheng, Wang Xiujin, Wang Yong, Yang Yu

(Shanghai Power Equipment Research Institute, Shanghai 200240, China)

Technical studies were conducted on structural strength of high-pressure modules in high-efficient nuclear steam turbines, while checking calculations were performed on the temperature field and stress field of the high-pressure rotor, high-pressure valve shell and high-pressure inner casing under rated-load steady-state conditions and cold start conditions using finite element method, and for components with unaccepted strength, optimizations were carried out on their structures. Calculation results show that the structural strength of high-pressure modules in the high-efficient nuclear steam turbine has been designed up to standard through structural optimization and improvement.

high-efficient nuclear steam turbine; HP module; finite element; structural strength

2016-02-18

鄧志成(1979—)，男，高級工程師，研究方向?yàn)榘l(fā)電機(jī)組強(qiáng)度、壽命與可靠性。

E-mail: dengzhicheng@speri.com.cn

核電技術(shù)

TK263； TM623.4

A

1671-086X(2016)04-0233-04