600MW汽轮机转子热应力及寿命损耗分析研究

第53卷第5期2011年10月汽轮机技术TURBINETECHNOLOGYVO153NO50CT2011600MW汽轮机转子热应力及寿命损耗分析研究杨志磊，王海宁，杨承刚，徐鸿华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京102206摘要以某电厂600MW超超临界机组汽轮机转子为研究对象，运用ANSYS有限元软件建立二维模型，计算出不同平均温升率下机组启动时转子热应力值。与理论公式通过最小二乘法进行曲线拟合，从而确定无中心孔转子的时间修正因子和形状因子。然后根据低周疲劳曲线计算出转子的寿命损耗。鉴于波动、间歇式新能源的并网，能够指导运行人员，通过温升率和温升量的调节，在安全的前提下，提高汽轮机组负荷变动能力和调峰能力。关键词超超I临界；寿命损耗；热应力；调峰分类号TK267文献标识码A文章编号10015884201105038303ANALYSISOF600MWTURBINEROTORTHERMALSTRESSANDLOSSOFLIFEYANGZHILEI，WANGHAINING，YANGCHENGGANG，XUHONGSCHOOLOFENERGYPOWERANDMECHANICALENGINEERING，NORTHCHINAELECTRICPOWERUNIVERSITY，BEIJING102206，CHINAABSTRACTTHISPAPERTAKESSOME600MWULTRASUPERERITICALTURBINEGENERATINGROTORASTHERESEARCHOBJECTITUSESFINITEELEMENTSOFTWARETOGETATWODIMENSIONALMODEL，THENTHERMALSTRESSVALUEOFTURBINEROTORCABBECALCULATEDUNDERDIFFERENTTEMPERATURERATEWHENUNITSTARTUPACCORDINGTOTHEORETICALFORMULA，ITMAKESACURVEFITTINGBYLEASTSQUAREMETHODTODETERMINETIMEMODIINGFACTORANDFORMFACTOROFROTORWHICHISWITHOUTACENTERHOLESOTHATROTORLIFELOSSPERCENTAGEWILLBEOBTAINEDONBASISOFLOWCYCLEFATIGUECURVEBECAUSEOFTHEFLUCTUATIONSANDINTERMITTENTNEWENERGYCOMINGTONETWORKS，ITWILLBEABLETOGUIDETHEOPERATINGPERSONNE1UNDERTHEPREMISEOFSAFETY，ITWILLIMPROVETHECAPACITYOFLOADVARIATIONANDPEAKLOADKEYWORDSULTRASUPERERITICAL；FATIGUEDAMAGE；THERMALSTRESS；PEAKLOAD0前言随着我国火力发电事业的快速发展，发电机组单机容量越来越大，同时电网的峰谷差也越来越大。基于波动、间歇式新能源的并网，大规模储能容量不足的情况下，大型火电机组参与调峰和负荷变动已成为必然，机组的机动性和负荷变动能力的研究显得越来越重要。传统火电机组将更加频繁的参与调峰运行，汽轮机组的主要部件将会受到交变应力场、交变温度场的作用，从而对汽轮机转子造成低周疲劳以及蠕变损耗J，甚至可能引发安全性事故。由于现实工作中的汽轮机转子高速旋转，鉴于目前的测量手段，尚无法直接可靠地测量其转子温度及热应力，需要通过理论计算来解决。对于转子温度场及热应力求解的数学模型通常分为两类一类是解析模型，由导热微分方程式出发，采用积分变换的方法导出温度的迭代计算公式进而求得热应力；一类是数值模型，将转子的连续结构体离散化，采用一系列代数方程来代替微分方程，进而导出其温度及热应力的计算公式。本文通过运用ANSYS有限元分析软件，建立实体模型来对转子的热应力进行模拟计算，同时与理论公式计算值相比较，砑究在丕回垩均温赴室下转子的热应力，以及应力对收稿日期20110331超超临界汽轮机启机造成的转子寿命损耗，为运行人员提供确实可靠的依据，指导其在启机时对温升率、温升量的掌握和控制，从而提高机组运行的安全性，延长机组寿命。1转子热应力计算11有限元计算某电厂汽轮机为首批国产600MW超超临界汽轮机组，高压和中压部分采用具有高蠕变断裂强度的实心合金钢锻件加工而成，无中心孔的整锻转子，材料为TMK一2。汽轮机组在启动时，由于不同温升率会造成转子热应力不同，从而导致其寿命损耗也不同。图1为一次启动之后转子表面热应力的分布图，根据实际情况和有限元模拟，选取最容易发生低周疲劳损伤的部位，即中压第一级弹性槽底部为研究对象。本文重点研究平均温升率在卵1CMIN、15MIN、2OCEMIN、25CMIN、30CMIN时转子的受力情况。根据有限元软件计算结果，提取随时间变化的中压弹性槽底部热应力值，得到曲线如图2所示。12数值模拟计算汽轮机运行时，转子表面的蒸汽与转子进行热量交换，导致转子体温度分布不断改变。可以近似认为转子是一个作者简介杨志磊1986，男，河南，华北电力大学研究生，研究方向汽轮机安全性与寿命评估。384汽轮机技术第53卷LB图1机组一次启动后应力分布图图2中压第一级弹性槽不同温升率热应力曲线均匀、各向同性无内热源的物体，属于解轴对称非定常温度函数问题。根据上面模型简化，得到热应力计算公式如下M11一“其中，为转子的体积平均温度，且，RR0赢RDR2式中，为外径；为内径。推导并分析解析法求得的热应力公式，并将其简化为R1一E一3J一“A式中，E为转子材料弹性模量，MPA；为转子材料线胀系数；为转子材料泊松比；C为转子材料比热，J；P为转子材料密度，KGM；A为转子材料导热系数，WM；R为RR。一R，M为形状因子；叼为蒸汽温升率，S；K为时间修正因子；JR为时间，MIN。由公式3可知，对于确定的数学模型，其材料属性和物理特性等均是唯一确定的，即使随着温度有变化，这样的变化也是微小且有序的，故可以将其忽略不计。而对于本文的数学模型，只有时间修正因子K和形状因子，需要单独确定。在汽轮机转子热应力分析中，对于给定的工况，时间修正因子K和形状因子_厂也可认为是确定的，本可以通过插图或公式计算以文献6中的方式求得。但由于本文研究的汽轮机转子型式特殊，无中心孔设计，因此通过最小二乘法拟合的方式求出符合本机组转子实际情况的时间修正因子和形状因子，。将有限元ANSYS软件计算出的中压弹性槽底部在不同温升率下的转子热应力作为实际数据依据，通过最小二乘法根据公式3对ANSYS的结果进行拟合，其拟合曲线见图3。其中虚线为ANSYS计算的数值结果，实线为公式拟合结果。LBU50100L50200250300FRAIN图3不同温升率拟合关系曲线虚线为ANSYS计算值，实线为模型计算值为了简化计算，可以认为汽轮机转子同一个部位的K和，具有相同的值。将不同温升率下拟合出的时间修正因子与形状因子，进行平均，得到中压第一级弹性槽底部K00058O132。根据公式3，画出转子在等温升率和等温升量情况下的应力一时间曲线，如图4所示。FMIN图4热应力关系曲线虚线为等温升量线，实线为等热应力线2寿命损耗分析根据上章计算的应力即可求出转子的应变，RS412,式中，。为公称应力；为塑性应变集中系数。TIMO根据疲劳蠕变交互作用理论，绘出了转子CRMOV钢的低周疲劳曲线，如图5所示。该曲线根据不同的应变保持时间024H整理而成，试件达到断裂的循环周次作为疲劳寿命，其疲劳特性可表示为80016N。065。5根据不同的温升率及温升量，用前面的计算方法，由应第5期杨志磊等600MW汽轮机转子热应力及寿命损耗分析研究385毒制图5美国TIMOSARNEY曲线变通过公式5求出不同工况下转子低周疲劳寿命损耗百分比D。11D寺O06如图6所示，绘制出等寿命耗损率下的温升率一温升量曲线，帮助电厂运行人员在启动过程中适时的调整温升率来降低转子疲劳损耗。400350300250200赠1501OO50_8SYF一00069，。0093L0厂7O170033、I一一NNNT温升量C图6600MW机组转子疲劳寿命损耗曲线当启动或者调峰时由固定的温升量，机组运行人员可以通过选定不同的温升率，查得本次启机或者调峰造成的转子寿命损耗。反之，也可以由确定的寿命损耗来获得需要的温升率。通过此方法可以更好地预测和防止转子断裂带来的事故，以期达到提高机组寿命的目的。3结论1本文通过建立ANSYS有限元模型计算，通过模拟值与理论公式运用最JB乘法拟合，得出超超临界机组热应力计算中的时间修正因子K与形状因子，然后通过应力与应变的关系，TIMO曲线估算出汽轮机组不同温升率下的寿命损耗。2汽轮机组实际运行中，机组人员在按规程操作时是按照某一定额温升率进行负荷的变动，所以本文研究的平均温升率下的机组寿命损耗，可以指导实际情况。3机组启停、调峰运行时，以某一平均温升率调整负荷，可以通过文中的寿命损耗曲线来决定温升率的大小。如平均温升率在3MIN时，150MIN内温升量达到450，热应力将达到750MPA，这已超出转子的应力极限，可能会造成安全性事故。可通过不同的温升率来调节，具有实际的指导意义。参考文献1荆建平，孟光汽轮机转子疲劳强度理论研究现状与展望J汽轮机技术，2003，4552612642孙奉仲大型汽轮机运行M北京中国电力出版社，20053郭彦梅汽轮机转子裂纹产生的原因及预防措施J山西科技，2008，21441454李益民，杨百勋汽轮机转子事故案例及原因分析J汽轮机技术，2007，49166695张朝辉ANSYS热分析教程与实例解析M北京中国铁道出版社，20076张保衡大容量发电机组寿命管理与调峰运行M北京水利电力出版社，1988上接第382页原则R，其中列出了汽轮机组轴系最长出现的8种故障及其故障征兆。3由各征兆的特征隶属度和模糊关系矩阵计算各个故障的隶属度YL，RXX。最终，最大隶属度对应的故障类型就是最可能发生的故障类型。3结论本文以BENTLY模拟转子试验台为监测对象，以NI采集卡和电涡流传感器为硬件基础，利用LABVIEW虚拟仪器开发平台构建了汽轮机组轴系监测和故障诊断系统。系统具有以下特点1小波降噪模块借助了MATLAB中小波工具包，实现LABVIEW和MATLAB的混合编程。消除了信号的大部分噪声，还原了真实的振动信号，为信号的分析和诊断提供了基础。2系统采用了HILBERTHUANG变换的分析方法，克服了单纯采用快速傅里叶变换进行分析的不足，使结果更准确、更可靠。3系统采用模糊诊断的方法，利用最大隶属度原则，根据汽轮机组常见故障与故障征兆之间的关系，在考虑所有征兆的基础上来诊断设备故障的可能原因，实现了机组的模糊诊断。参考文献1施圣康汽轮发电机组振动故障诊断技术的发展现状J动力工程，2001，214129512982龙华伟LABVIEW821与DAQ数据采集M北京清华大学出版社，2008136