AP1000汽轮机低压转子结构强度优化研究

第44卷第2期2015年6月热力透平THERMALTURBLNEVO144NO2JUN2O】5文章编号16725549201502010204APIO00泛轮相低压转子结构强度优化研究杨宇，高志清。，邓志成，史进渊1_上海发电设备成套设计研究院。上海200240；2国核工程有限公司，上海200233摘要介绍了某型AP1000核电汽轮机低压转子的强度判据。通过对额定负荷稳态运行工况以及冷态、温态、热态启动和正常停机等瞬态变工况过程的温度场与应力场进行计算，发现了原设计方案存在个别部位不能满足强度判据的缺陷。通过结构改进使得优化的最终设计方案的额定负荷强度、应力腐蚀强度和瞬态变工况强度均符合强度设计判据。转子强度设计合格，将确保汽轮机长周期安全运行。关键词汽轮机；转子；应力；强度中图分类号TK2636文献标识码ADOI10137O7ICNKI311922TH201502006RESEARCHONSTRUCTURESTRENGTHOFLPROTOROFANAP1000NUCLEARPOWERSTEAMTURBINEYANGYU，GAOZHIQING。，DENGZHICHENG，SHIJINYUAN1SHANGHAIPOWEREQUIPMENTRESEARCHINSTITUTE，SHANGHAI200240，CHINA；2STATENUCLEARPOWERENGINEERINGCO，LTD，SHANGHAI200233，CHINAABSTRACTTHESTRENGTHCRITERIONFORLOWPRESSUREROTOROFANAP1000NUCLEARPOWERSTEAMTURBINEWASINTRODUCEDTHROUGHTHECALCULATIONOFTEMPERATUREFIELDANDSTRESSFIELDINTHEOPERATINGCONDITIONS，SUCHASTHERATEDLOAD，COLDANDWARMSTARTUP，HOTSTARTUPANDSHUTDOWN，THEORIGINALDESIGNDEFICIENCIESWEREFOUNDANDSOMEPARTSCOULDNOTMEETTHESTRENGTHCRITERIONBYMAKINGSTRUCTURALIMPROVEMENTSTOOPTIMIZETHESTRENGTHOFTHERATEDLOAD，STRESSCORROSIONANDTRANSIENTPROCESS，THEFINALDESIGNARECONFORMEDWITHTHESTRENGTHOFTHEDESIGNSTRENGTHCRITERIONTHEQUALIFIEDROTORDESIGNSTRENGTHWILLENSURELONGTERMSAFEOPERATIONOFTHETURBINEKEYWORDSSTEAMTURBINE；ROTOR；STRESS；STRENGTH为了保证某型AP1000核电汽轮机的长周期安全运行，必须对汽轮机低压转子的强度进行计算分析和研究。原设计方案在额定负荷稳态工况的应力场计算时，在第1个轮盘第4级轮缘出汽侧圆角部位应力超标。本文论述了有关结构优化和改进措施方面的研究情况。这些优化和改进措施使得关键部位应力降低，整个低压转子在额定负荷强度、应力腐蚀强度、瞬态变工况强度等方面均符合强度设计判据，强度设计合格，提高了部件强度设计的安全性。1额定稳态工况的计算分析11力学模型和边界条件建立轴对称有限元计算力学模型。低压转子的轮缘、汽封部位、叶轮、光轴等低压转子外表面，采用与蒸汽强制对流换热的第三类边界条件；转子联轴器端面采用热流密度为零放热第二类边界条件即绝热边界条件；低压转子轴承颈部分别采用两种边界条件以分别计算低压转子的温度场一种是给定温度的第一类边界条件，另一种是给定放热系数的第三类边界条件。针对应力场计算，在低压转子各级轮缘施加对应各级动叶片的离心力，在低压转子施加自身旋转产生的离心力，在低压转子力学模型的各节点上导入节点温度场的计算结果。采用大型有限元分析商用软件，计算得出热应力以及包括热应收稿日期2141215修订日期20150126作者简介杨宇1971一，男，四川泸州人，毕业于上海理工大学，硕士，教授级高工，主要从事发电设备强度与寿命、可靠性和经济性等方面的研究圜_震APLOO0汽轮机低压转子结构强度优化研究热力透平MPA等效应力MPA图8热态启动工况3300S计算结果低压转子最终方案在热态启动过程的等效应力均小于材料的2Z，故其热态启动过程的强度设计是安全的。234正常停机计算结果正常停机过程最大应力出现在6000S，计算结果如图9所示。最终方案部位G工作温度T12411，等效应力DE一26557MPA，6263132MPA，DE。262，因此，正常停机强度设计是合格的。低压转子最终方案在正常停机过程的等效应力GE均小于材料的2，故其正常停机过程的瞬态变工况强度设计是安全的。O2O04JDO600800100012O014OOL600图9正常停机工况6000S计算结果3总结1完成了低压转子原设计方案稳态额定工况的温度场和应力场的有限元数值计算，低压转子原设计方案采用了等强度叶轮设计思路，叶轮表面等效应力接近，只有一个部位稳态额定工况强度设计不合格。2针对强度薄弱部位，提出了结构优化改进措施，低压转子的最终设计方案采用了优化改进措施后，经有限元数值计算，低压转子在稳态额定工况的强度设计和应力腐蚀强度设计是合格的。3完成了低压转子的冷态、温态和热态启动以及正常停机等瞬态变工况温度场与应力场的有限元数值计算及强度校核，计算分析结果表明，低压转子最终设计方案的瞬态变工况强度设计是合格的。综上所述，某型AP1000核电低压转子最终设计方案的额定负荷强度、应力腐蚀强度、瞬态变工况强度均符合强度设计判据，转子强度设计合格，将有利于汽轮机长周期的安全运行。参考文献13朱伟，邓志成，申秀兰，等核电汽轮机低压转子强