超超临界汽轮机叶片热应力分析

第40卷第4期2011年12月热力透平THERMALTURBLNEVO140NO4DEC201L超超临界汽轮机叶片热应力分析张红梅，张琪，陈勇。1上海交通大学机械与动力工程学院，上海200030；2上海电气电站设备有限公司上海汽轮机厂，上海200240摘要针对超超临界机组高温环境下工作的叶片的安全性需要，采用了目前在工程领域广泛应用的CFD和FEA计算理论与方法，以实际汽轮机叶片的热应力求解过程为例，从其CFD求解叶型表面对流换热系数开始，说明了采用插值程序将CFD结果插值到有限元模型的过程以及该叶片在启动过程中的温度场和应力场求解方法。对汽轮机叶片的热应力分析规范提出了建议，该规范对汽轮机叶片与轮缘进行全面的强度分析和评估是可行的。关键词超超临界汽轮机；叶片；CFD；热应力中图分类号TK2633文献标识码A文章编号16725549201104026205THERMALSTRESSANALYSISOFHIGHTEMPERATUREBLADEFORUSCSTEAMTURBINESZHANGHONGMEI一，ZHANGQI一，CHENYONG1SCHOOLOFMECHANICALANDPOWERENGINEERING，SHANGHAIJIAOTONGUNIVERSITY，SHANGHAI200030，CHINA；2SHANGHAIELECTRICPOWERGENERATIONEQUIPMENTCO，LTDSHANGHAITURBINEPLANT，SHANGHAI200240，CHINAABSTRACTFORTHESAFEDEMANDOFTHEBLADEUNDERTHEHIGHTEMPERATUREINUSCUNITSTHECFDEFATHEORYANDMETHOD，WIDELYAPPLIEDINENGINEERINGFIELD，AREADOPTED，ANDTHESTRENGTHOFHIGHTEMPERATUREBLADEROOTGROOVEFORUSCTURBINEISANALYZEDANDEVALUATEDTOTAKEANEXAMPLEFORSOLVINGTHEHEATSTRESSOFANACTUALBLADE，STARTINGFROMTHESOLUTIONOFCONVECTIVEHEATEXCHANGECOEFFICIENTUSINGCFDMETHOD，THEPAPERDEMONSTRATESTHEPROCESSOFCFDRESULTTOTHEFEAMODELUSINGINTERPOLATINGPROGRAM，ASWELLASTHESOLUTIONMETHODOFTHETEMPERATUREFIELDANDSTRESSFIELDINTURBINESTARTUPTHEANALYSISPROCEDUREOFHEATSTRESSANDTHEMETHODISPROPOSEDANDITISFEASIBLETOCONDUCTSTRENGTHANALYSISANDEVALUATIONFORTURBINEBLADEANDRIMKEYWORDSUSCTURBINE；BLADE；CFD；THERMALSTRESS超超临界汽轮机具有大容量、高参数的特性，进汽蒸汽的温度达600，压力达27MPA，汽轮机在启停过程和改变负荷时，由于叶片与转子表面蒸汽温度和流量的变化，使叶片与转子内部出现温度梯度，从而产生热应力。为保证叶片长期安全运行，对高温环境下_丁作的汽轮机叶片进行全面的强度分析和评估十分有必要性，计算汽轮机叶片的热应力是计算其蠕变应力的基础。本文对冷态启动过程中超超临界汽轮机高压第一级叶片的热应力进行分析，希望能够对解决超超临界机组设计中的叶片高温强度问题提供参考。1计算模型高压第一级动叶之前有斜置导叶，因此在计算模型中，也同时建立了斜置导叶的模型。CFD计算几何模型的网格如图1所示。总共划分了54490个单元，48544个节点。收稿日期20110412修订日期201108一O8作者简介张红梅1976一，女，1程师，1999年本科毕业于中国矿业大学热能与动力工程专业，现就读上海交通大学机械与动力工程学院动力丁程专业T程硕士，从事汽轮机通流设计及叶片结构与强度性能分析_作。豳IN|I第4期超超临界汽轮机叶片热应力分析图4为50叶高换热系数沿叶片弦长方向的分布。O00204060810XB图450叶高对流换热系数的分布规律文献3提供了超临界汽轮机汽缸传热系数的计算结果，如表1所示。虽与本报告的计算的叶片不是同一种叶片，但可以进行参考。表1计算的高压第一级动叶顶部的换热系数为421176W111K，数值与本文的计算结果是较为接近的，说明本文的计算结果是合理的。表1超临界汽轮机汽缸传热系数的计算结果W【NFK100926634汽缸内表面部位MCRMCRMCRMCRMCR高压第一级静叶12351123191212011565高压中间级静叶11324112911108110507高压最后一级静叶101661012798559L48高压第一级动叶顶部42176390270276108150820高压中间级动叶顶部298257277169196509107866高压最后一级动叶顶部1751141639761I650164152调节级动叶后光滑表面115283LO64967268936868喜要墨后一级动叶后光55589518143589218583塑查璺此外，为考虑壁温的影响，计算了3种壁温条件下的换热系数，结果显示，壁温对换热系数的影响不大。为简单起见，本文采用壁温为573K时的对流换热系数进行动叶温度场计算。采用自主开发的插值程序对流换热系数进行了插值处理。这类软件一般基于弱耦合算法，即假设这种耦合效果是单向的。假设固体变形对流场的影响可以忽略，这样可以大大简化问题的求解。很多情况下，由于CFD计算模型和有限元模型的坐标原点取得不一样，两者网格的疏密程度不同，且两者的几何模型有细微差别有限元模型考虑了叶身与叶冠、叶根的过渡圆角，而CFD模型没有考虑，因此必须对CFD的计算结果进行插值处理才可以用于温度场和应力场的计算。囝II一经插值处理后的表面换热系数如图5所示。对比插值前的数值验证了插值程序的计算精度已达到要求。A吸力面换热系数B压力面换热系数图5施加在有限元模型上的对流换热系数3温度场计算结果求取叶片的温度场是求解热应力的前提。按几种不同的初始条件计算了超超临界汽轮机高压第一级动叶片的温度场按启动曲线，初始温度为20；按启动曲线，初始温度为400C；按热冲击计算，即初始的蒸汽温度即为849K，初始的蒸汽流量也达到最大此为极端恶劣情况。图6为汽轮机的启动曲线中蒸汽温度随时问变化的数据，并假设对流换热系数不随时间变化。从热冲击情况下的温度梯度的变化云图看出，由于换热系数较高，叶片局部区域温度在极短时间内就上升到较高数值，温度梯度非常高，可能会带来较高热应力。OOOOOOO52L一早G一一口超超临界汽轮机叶片热应力分析热力透平蒸汽温度,O主蒸汽温度,M再热蒸汽温度冲转至约4000306090120L50L802L02402703003303603904204504805L0540图6超超临界汽轮机启动曲线中蒸汽温度随时间的变化曲线4应力场计算结果以上面的温度场计算结果为输入条件，计算了各种温度载荷条件下的热应力分布。从对应“初始温度为20”温度场的等效应力云图可以看出，在蒸汽加热的最初几秒里，热应力迅速上升，并达到局部塑性状态。之后，随着温度的均匀后，等效应力逐渐下降。但由于局部高应力区进入塑性状态，因此即使是叶片温度均匀以后，其残余应力仍达128MPA左右。叶片出汽边过渡圆角处等效应力和第一主应力随时间的变化，基本反映了上述变化规律。值得关注的是在蒸汽加热后期，等效应力呈锯齿形波动，主要原因是计算温度场时，蒸汽温度的变化不是连续的，而是以有限几个点来代替。从前一个温度升高到后一个温度时，材料的弹性模量下降，因此应力计算结果下降，但随着温度梯度的增加，应力计算结果又逐步上升。但总的来说，应力的波动幅度较小。从对应“初始温度为400OC”温度场的等效应力云图看出，其温度梯度较“初始温度为20”温度场的应力要小很多，计算的最大等效应力数值仅为27MPA左右。说明充分的预热，对于减小热应力很有好处。图7为热冲击条件下的等效应力云图。由于假设的是极端苛刻的载荷条件，因此叶片在极短时间内就达到了塑性状态，且达到塑性状态的区域较大，在叶片出汽边几乎均达到塑性状态。此外，另一个更恶劣的载荷情况是同时施加热冲击载荷和离心载荷，这种情况在实际运行过程中不会出现，因此计算结果仅供参考。图7等效应力云图5汽轮机叶片热应力分析规范51计算状态选取一般情况下，需要对下列工况下的汽轮机叶片热应力进行计算分析1额定工况，这是叶片工作时间最长的工况；2最大最小气动载荷工况，这是叶片受到气动力的两个极限工况，选取这2个状态可以对叶片安全余量进行调整，使叶片根部截面应力分布合理；3最大工作转速状态，此时叶片受到的离心力最大；4最大热载荷工况1冷启动与最大热载荷工况2甩负荷，出于考虑瞬态热应力的影响和选择叶片材料的需要。52计算参数设置由于一般采用弱耦合方法来求解叶片的瞬态热应力，因此换热系数的求解至关重要。在CFD求解换热系数过程中需注意以下参数的设置1湍流模型。不同的湍流模型对叶片表面蠢L量圆OOOOO0O5O5O5O566554439第4期超超临界汽轮机叶片热应力分析换热计算结果有很大差异。对不同的湍流模型计算结果进行了对比，表明REYNOLDSSTRESS模型与有关经验公式的计算结果最为接近，其余几种湍流模型计算的换热系数偏高。2壁温的影响。计算结果表明，叶片壁温对于换热系数的影响不显著，因此可选择一个介于室温与最高蒸汽温度之问的温度作为壁温进行CFD计算。本文选择的壁温为573K。3网格精度。计算对流换热系数的CFD网格密度一般要比计算压力、速度的网格密度更密一些。必须保证边界层内的网格层数足够多，否则可能导致换热系数的求解误差较大。而在温度场瞬态温度场计算过程中，需注意以下问题1材料的热物理参数。一般要求给出随温度变化的材料热物理参数。2温度边界条件。如有试验值，宜直接给出第一类温度边界条件温度；如这些数据不能直接获取，可由CFD计算的换热系数进行温度场计算；对于叶轮槽接触处的热边界条件，如需精确计算，则需考虑接触热阻热、结构耦合计算；3时间步长设置。一般情况下，如果不考虑辐射等非线性传热，温度场求解过程较少存在收敛问题，但考虑到温度场求解结果是作为载荷施加在热应力求解有限元模型上的，因此时间步长也不能太长。如果预计热应力可能使材料到达塑性状态，则宜使每一时间步长的最大温升不超过5。热应力求解过程中的注意事项1材料的力学性能参数。一般要求给出随温度变化的材料力学性能参数。2位移边界条件。值得注意的是，求解热应力问题时需要仔细检查位移边界条件，防止虚假的过度约束，带来人为的附加应力。如只需求解热应力如不考虑离心应力，理论上只需约束其一点的刚体位移即可求解出其热应力。3时间步长设置。在求解之前，应仔细分析温度场求解结果，根据温度场结果来设置热应力求解时间步长。选取原则如求解温度场的注意事项3所示，温度载荷增量不宜过大，否则可能导致收敛困难；当然，也不宜过小，否则会造成计算效率低下。_圜一一53计算结果的后处理对于CFD求解的换热系数结果、温度场结果和热应力结果，其后处理的侧重点是不同的对于CFD求解的换热系数结果，注意检查分析换热系数最大值和最小值，以及它们出现的位置；画出不同叶高对流换热系数的分布规律，检查它们与别的文献的计算或实验结果的分布规律是否吻合，如果有较大出入，则必须仔细分析其原因。最后，需要输出叶型表面和其它蒸汽流过的表面的节点坐标值及对流换热系数数值。对于温度场计算结果，则注意分析温度的最大值和最小值，以及它们出现的位置；特别需关注温度梯度的最大值和最小值，以及它们出现的位置；在瞬态温度场分析中，一般需画出几个特征时问点的温度云图以及关键点的温度一时间历程曲线。对于应力场分析结果，需注意关键点的应力数值，一般对于叶型截面来说，关键点指图8所示的几个特征点。叶片受弯曲载荷气动力载荷时，最大应力可能出现在点B、D，而受扭转和离心载荷时，最大应力可能出现在点A、C。此外，如图9所示，对于整只叶片来说，需关注一些危险截面A截面为叶型与叶冠过渡截面，承受叶冠离心图8叶型截面的关键点FIIIRI01背弧侧内弧仞I厂J，、LJ一NF一C图9整只叶片的关键截面下转第298页第4期燃气轮机用26NICRMO146螺栓钢的热处理工艺研究车间在2010年9、10月份生产了2批螺栓钢，采用的工艺为860淬火油冷，600保温4H或610CLC保温4H，所得性能全部合格。3结论126NICRMO146钢水冷后获得的冲击性能比油冷更高一些。回火温度影响26NICRMO146钢的力学性能最明显，其次是回火时间和淬火温度。2综合考虑强度、塑性和韧性，26NICRMO146螺栓合适的调质工艺为86010水冷或油冷淬火，600OC610回火，保温45H。上接第266页载荷且存在应力集中，当叶片受扭时该截面也可能存在较高应力；B截面处的离心载荷较高且存在应力集中；C截面几何变化较大，存在应力集中；D截面离心载荷大，几何变化较大，存在应力集中。此外，叶根与轮槽接触面存在较高接触应力，也需关注。6结论本文基于弱耦合方法，采用CFD工具求解超超临界汽轮机高压第一级叶片的对流换热系数，并插值输出到有限元模型计算了叶片在冷启动过上接第293页次调频控制逻辑调频动作死区为0033HZ2RMIN；3机组转速不等率为45；4机组参与一次调频的迟缓率小于00206RRAIN；5机组一次调频最大幅值为10P12MW，燃气轮机负荷；6当电网频率变化超过机组一次调频死区时，机组一次调频响应时间在1秒内，调频响应非常迅速；7在电网频率变化超过机组一次调频死区后15秒内，实际调频量基本就能达到理论调频量的100以上；8但燃气轮机进入温控方式基本负荷模式后，机组不具备一次调频功能。圄一L本文得出的调质工艺参数成功应用于26NICRMO146螺栓钢的热处理生产。采用正交试验加补充试验的方法具有快速、准确选出最优的工艺参数的特点，这种方法对今后进行类似的工艺试验具有很好的借鉴意义。参考文献1王思玉汽轮机制造工艺一材料与热工艺M上海上海新闻