基于解析法对600MW汽轮机转子热应力在_线监测模型的研究毕业设计论文.docx

基于解析法对600mw汽轮机转子热应力在线监测模型的研究 摘要 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的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，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关键词：汽轮机；解析法；热应力；温度场；based on the analytical method of 600 mw steam turbine rotor in thermal stressline monitoring model research abstracthe rapid development of the cause of the thermal power generating set more and more single capacity, at the same time, the grid peak and valley sent also more and more big. based on the wave, intermittent of new energy grid, large-scale energy storage capacity lack, large thermal power unit load and load change in has become inevitable, units of the mobility and load change capacity is more and more important. traditional thermal power units will be more frequencynumerous participation of the main components of load will be alternating stress field and temperature field of alternating effect and steam turbine rotor caused low cycle fatigue and creep loss and may even cause safety accidents. because the reality of the steam turbine rotor work high rotation speed, in view of the current measurement methods, still cannot directly measuring the reliable rotor temperature and thermal stress, need through the theoretical calculation to solve. for rotor temperature field and thermal stress by mathematical model usually divided into two kinds: one kind is analytical model of the heat conduction differential equations by of the integral transform method derived the iterative calculation formula of temperature and thermal stress obtained; a numerical model is, will the rotor continuous structures discretization, using a series of algebraic equations instead of differential equation, and thus the temperature and thermal stress calculation formula毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日指导教师评阅书指导教师评价：一、撰写（设计）过程1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神 优 良 中 及格 不及格2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度 优 良 中 及格 不及格3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力 优 良 中 及格 不及格4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性 优 良 中 及格 不及格5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）指导教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日评阅教师评阅书评阅教师评价：一、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）评阅教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日教研室（或答辩小组）及教学系意见教研室（或答辩小组）评价：一、答辩过程1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况 优 良 中 及格 不及格2、对答辩问题的反应、理解、表达情况 优 良 中 及格 不及格3、学生答辩过程中的精神状态 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格评定成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）教研室主任（或答辩小组组长）： （签名）年 月 日教学系意见：系主任： （签名）年 月 日目 录第一章 绪论 1.1研究背景和研究意义 1.2国外研究现状 1.3国内研究现状1.4本文的研究内容第二章 汽轮机转子热应力及疲劳寿命计算方法2.1理论基础2.2轴对称非稳定温度场合热应力场的定解问题2.3热应力在线监测数学模型2.3.1汽轮机转子热应力解析化建模方法2.3.2汽轮机转子温度和热应力在线监测中边界条件的处理方法2.3.3汽轮机转子温度和热应力的递推计算模型2.3.4非线性条件下转子温度、应力的计算2.4汽轮机转子的应力合成与热应力集中问题2.5汽轮机转子的疲劳寿命评估方法2.6本章小结第三章基于一体化模型开发平台的热应力在线监测模型开发3. 1一体化模型开发平台的构成与功能3.1.1通用算法库3.1.2公用函数库3.1.3模块管理系统3.1.4模型管理系统3.1.5模型库3.1.6通讯接口3.2一体化模型开发平台的优点3. 3工程模块化建模方法3. 4基于一体化模型开发平台的模型实现3. 4. 1模块实现过程3. 4. 2模型实现过程3. 5本章小结第四章实例计算4.1 转子热应力计算4.1.1有限元计算4.12 数值模拟计算4.2 寿命损耗分析4.3本章小结第五章 全文总结参考文献致谢附录第一章 绪 论1.1 研究背景和研究意义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的组的主要部件将会受到交变应力场、交变温度场的作用，在汽轮机启停和变工况的过程中, 由于进入汽轮机的蒸汽温度和流量的变化, 从而使汽轮机汽缸与转子金属的温度也相应地发生变化。热传导作用在金属体内产生温度梯度而引起热应力。研究表明, 汽轮机的启停运行中的热应力是造成现代汽轮机组疲劳破坏的主要因素, 特别是高参数, 大容量汽轮机常常因温升速度控制不当, 造成热应力过大而产生汽缸裂纹, 转子表面裂纹和转子弯曲等设备损坏事故。因此, 汽轮机转子的热应力问题引起了各方面的广泛注意, 热应力的监测与控制也变成了人们关心的热点。1.2国外研究现状1974年美国gallatin电站2#机组中低压转子发生了严重的断裂事故，转子的安全性问题开始受到各国研究人员的高度重视，美国的ge，wh，epri，日本的日立，三菱，东芝等电力设备和研究机构对转子结构设计，材质性能、损伤检测技术、设备运行管理等方而进行了大量研究，近十年来，国际上又开展了转子材料老化与延寿研究。美国电力研究院（epri）于80年代初期总结了一套针对电厂高温部件寿命管理的“三级评价法”方法体系。第一级评价是采用计算方法来鉴定设备的潜在损伤，计算的主要根据是制造厂的设计规范及电厂的运行数据。第一级评价是无损评价，包括电阻法等，以及正在研究中的、更为先进的无损检查方法(包括x光衍射、磁性测量、正电子湮没、硬度和密度试验方法等)，这些技术能极大地改善对裂纹形成萌芽期的损伤形态探测能力10，11。第三级评价包括更为精确、严密的应力分析和裂纹生长规律的分析，以及用有损检验方法测定实际材料的性能12，13。该机构还研制了一套专门用于转子寿命安全性分析的软件系统safer,并应用于转子的实际寿命分析。在欧洲，近几年来对耐高温转子材料的研究进展比较大，在科学技术合作（cost ）501活动成果中，应用新的铁素钢材料，已经可以使蒸汽温度从540 提高到620，新的cost _502活动将对更先进的铁素钢进行开发。正在计划中的研究还包括试用航空工业广泛使用的镍合金，使它能在蒸汽温度为700 或更高的温度下工作，这种情况对转子的安全运行和可靠性带来挑战。1.3国内研究现状国内则尚没有形成比较完整、统一、规范的转子评价方法和体系。由于分析方法在实时性、经济性上拥有很大优势，特别是具有能够对机组运行过程进行重复性模拟的特点，从而对操作管理人员改善、优化机组运行方式，合理管理机组的寿命，科学安排机组的探伤、检修计划具有实际的价值，因此，分析方法在国内相对应用得比较广泛。但是该方法本身是一个涉及到材料、力学、计算、损伤理论、传热学等多个学科的系统性问题，存在的问题和研究的难度都相当大。近年来，国内汽轮机机组不断向大容量、超临界方向发展，对于汽轮机转子温升率对寿命和损耗的影响58进行了比较多的研究。华北电力大学率先利用有限元法和边界元方法的优点，对100mw20omw汽轮机转子的温度场、应力场进行了一系列详细计算和分析，得出了大量具有实际意义的结果；清华大学研究得出“蒸汽温度变化率转子体全温差”、“转子体全温差转子体内外表面热应力”的复频域数学模型，并得出“蒸汽温度变化率转子体内、外表面热应力”的数学模型5；华中理工大学通过可靠性设计方法对汽轮机转子低周疲劳寿命进行预测6；东南大学基于概率断裂力学对汽轮机转子可靠性设计方法进行了汽轮机转子寿命预测 7；哈尔滨工业大学则引进全新的损伤力学方法，采用非线性连续损伤模型对20omw、300mw汽轮机高压转子的低周疲劳损伤和寿命进行了分析，此模型真实的描述了转子材料在多轴应力作用下蠕变损伤的演化和累积，为汽轮机高温蠕变分析提供了更为有效的方法8。对于分析汽轮机冷态启动最佳温升率，目前国内一般采用局部应力分析法比较多，它主要是采用有限元法模拟转子的实际工况，计算出转子在实际工作过程的温度分布，根据温度分布和热应力线性弹性理论计算出转子的热应力分布。就研究目的而言，主要是准确计算出其应力分布。目前计算方法有两种，一种是利用有限单元法，把复杂的转子结构离散化，建立转子的轴对称几何模型，确定边界条件、初始条件以后，根据加载要求，用一系列代数方程代替微分方程，并将介质对转子表面的放热系数及转子金属的物理特性参数作为变数处理，求取不同蒸汽温升率下转子的温度场、应力场，进而可以计算不同工况下的应力危险点及寿命损耗率。这种方法在计算结构及边界条件的处理上较为完善，但是由于计算周期长，中间人为干预的因素多，适宜于离线计算与分析，不适宜对转子进行在线跟踪计算。另一种是适合转子应力及寿命在线计算的方法。通过对模型及计算方法加以适当简化，根据转子结构、热力学参数变化的特性及受力分析确定转子在运行中最容易产生裂纹的最危险的截面，然后根据选定的热边界条件，采用一维有限差分法进行计算。有限单元法起源于结构分析，在工程技术领域中的应用十分广泛，几乎所有的弹塑性结构静力学和动力学问题都可用它求得满意的数值结果。因此有限元法为完善在线监测理论提供重要的基础。文献12对亚临界600mw汽轮机无中心孔转子冷态启动过程中高压转子第一级叶轮的温度场和热应力场进行了计算。计算结果表明,对于无中心孔转子,因为转子表面应力集中系数的存在,在启动过程中转子表面的热应力远大于转子中心的热应力,因此运行中主要需要控制转子表面的低周疲劳。启动过程中最大的转子表面热应力出现在暖机转速下,这是因为随着机组转速的增加转子表面对流放热系数增大,转子的表面温度增长速度较快,而由于转子内部存在较大热阻,转子体平均温度的增加滞后于表面温度的增加,从而产生较大的热应力,因此启动过程中在设定转速下的暖机,对减少热应力,提高机组使用寿命,是十分必要的。在带负荷和加负荷过程中,转子热应力有增加趋势,是因为随着负荷的增加,机组流量增加,转子表面放热系数增加。1.4 本文的研究内容1.了解600wm汽轮机在各种工况下转子的温度场； 2.了解汽轮机在各种工况下转子的热应力场（图1） 图1 机组一次启动后应力分布图3.600mw汽轮机转子热应力在线监测模型的研究： 首先近似认为转子是一个均匀、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: 其中，tm 为转子的体积平均温度，且: 式中，r0 为外径; rb 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: 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 /( kg) ; 为转子材料密度，kg /m3 ; 为转子材料导热系数，w/( m) ; r为r = r0 rb，m; f 为形状因子; 为蒸汽温升率， /s; k 为时间修正因子; 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。4.分析热应力变化对汽轮机转子寿命的损耗: 根据上章计算的应力即可求出转子的应变 式中，为公称应力；k蔚为塑性应变集中系数。钢的低周疲劳曲线，如图5所示。timo 根据疲劳蠕变交互作用理论，绘出了转子crmo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（0-24h）整理而成，试件达到断裂的循环周次作为疲劳寿命疲劳特性可表示为： 根据不同的温升率及温升量，用前面的计算方法，由应变通用公式（5）求出不同工况下转子低周疲劳寿命的损耗百分比d 第二章 汽轮机转子热应力及疲劳寿命计算方法2.1理论基础汽轮机转子的工作条件及受力情况非常复杂。在工作条件下主要受力有传递矩引起的剪应力、高温高压介质产生的压应力、自重引起的压应力、交变拉、高速旋转时叶片叶轮以及转子质量所产生的离心力、不同工况下温差引起的热应力等。通过对汽轮机转子的受力分析我们可以知道, 在正常的启停机、变负荷过程中和稳定运行时, 在转子所受的各种力中, 离心力和由温度变化而产生的热应力会影响转子寿命, 其它的力可以忽略不计, 转子的寿命由离心应力及热应力在转子中产生的合成应力控制着。在启停机、变负荷过程中只要二力的合成应力不超标, 此过程的寿命损耗就可以控制在允许的范围内。其中热应力可以采用如下公式计算： （2-1）式中：热应力，mpa： 体积平均差： 转子的体积平均温度： (2_2)rb,r0分别为转子内表面和外表面半径;e材料的弹性模量;材料的线胀系数;一转子材料的泊松比，计算中一般取0.302.2轴对称非稳定温度场合热应力场的定解问题我们认为转子是一个均匀，各向同性且无内热源的物体。而汽轮机转子不稳定温度场的计算问题，则属于解轴对称非定常温度函数的问题。即：温度在在区域中应满足下列偏微分方程式： （23）式中：材料的导热率 材料的密度 材料的比热除了需要满足初始条件外，在物体边界条件上还应该满足一定的边界条件。才能确定上面微分方程的解，对于汽轮机转子来说，外表面的边界条件由蒸汽对转子表面的换热速度来确定，属于传热学中的第三类边界条件，即边界与介质的热交换为已知： （24）式中：转子表面的介质温度： 转子表面外法线方向： 蒸汽与转子表面的换热系数。 当放热系数时，式（2-2）化为绝热边界条件，即无热交换，入转子的中心孔边界：若，则t(z,r)r=tf，此时由第三类边界条件转化为第一类边界条件，即加热物体表面的温度与介质的温度相等。现今转子温度场合热应力的计算通常采用解析法和数值法两种。解析法是讲转子视为一个无限长的圆柱体的一维模型。根据一维不稳定导热微分方程求得温度的分布。再由体积平均温度差计算转子内外表面的热应力。这种方法只考虑转子径向温差，而不计轴向热流的影响，并且将介质对转子表面的换热条件及转子金属的物理特性作为常数处理，因而影响了它的计算精度。解析法计算的热应力误差较大，但其计算速度快，将其计算结果进行修正后，可以得到工程上所需要的精度。 数值法中，有限元法是较常用的方法。利用有限元方法可得到较精确的转子热应力分布。有限元方法可将转子考虑为轴对称二维计算模型，避免了一维模型简化时造成的误差，同时由于将复杂的几何形状连续体离散化，用一系列代数方程代替微分方程，并可将介质对转子表面的放热系数及转子金属物理特性作为随启动时间的变数来处理，因此可以比较精确的计算几何边界条件及温度边界条件复杂的工程实际问题。这种方法最大的缺点是计算准备时间长、计算时间长，不适用于在线监测系统。用有限元法进行温度场计算，虽然对边界形状适应性最灵活且计算精度高，但计算速度慢，难以作为实时控制汽轮机启、停速度的温度场计算方法，鉴于上述考虑，国内外的研究工作者开发汽轮机转子热应力监测系统时多采用解析法模型，它不仅可以满足工程精度的要求，而且计算量小。本论文研究采用解析法建立汽轮机转子热应力在线监测系统的数学模型。2.3热应力在线监测数学模型2.3.1汽轮机转子热应力解析化建模方法如果将整个转子视为无限长空心圆柱体，外径和内径分别为r。、rb，忽略轴向和切向的温度分布不均匀对其的影响。则截面内温度和热应力的分布是沿轴向对称的，并随半径的改变而变化，这样问题就被简化为一维轴对称瞬态热传导问题。把转子看作是无限长圆柱体，当转子初始温度处于均匀状态并与初始汽温相一致，当蒸汽温度以变化率，经时间t，后转化为2作变化时;转子沿半径方向的温度分布为: (2-5)式中: t计算时刻任意半径处的温度，。c;t0转子的初始温度，。c;a转子材料的导温系数，;转子材料的导热率，k/j(m.h.0c);c转子材料的t匕热，k/(kg.0 c); 转子材料的密度，kgm/，;b毕涯(biot)数， 蒸汽对转子表面的放热系数，k/(m2.h.0c);r0转子外半径，m;r转子任意半径，m;f0,f1分别为任意时间和时间时的傅立叶数，,;由方程确定的n个正根;jo，j1分别为第一类零阶及一阶贝塞尔函数; 计算时刻，h;-温升率由粉，向粉2转换的时刻。汽轮机在启动、停机或负荷变动时，转子内部将产生较大的温度梯度并由此产生热应力。由热弹性理论可知，部件中的热应力和金属内部的温度梯度成正比。温度梯度是由于汽轮机启动、停机或负荷变动过程中，转子被连续加热或冷却而处于热不稳定状态而造成的，一般说来，汽轮机在稳定运行时，不存在或只有轻微的径向温度梯度及热应力。将式(2一5)、(2一2)、代入(2一1)得转子内、外表面热应力计算式:外表面(r=ro):中心孔表面(r=rb):式中: 当温升率多次发生变化时转子热应力为:外表面: 2.3.2汽轮机转子温度和热应力在线监测中边界条件的处理方法如上所述，常用的解析法是以调节级后的蒸汽温度为边界条件;即第三类边界条件;通过传热方程来确定的。在运用第三类边界条件分析转子的温度和应力分布时;调节级后的蒸汽温度是一个十分重要的参数。在机组定速之前;特别是冲转瞬间;蒸汽的流量和级内效率都难以通过理论计算来解决;而小流量的测定;直到现在还是一个有待解决的测试技术问题;因此只能用试算法进行粗略的估计;然后再通过典型条件下的实测温度加以修正。蒸汽的温度还可以通过在机组上安装测点进行实测。不过由于受到结构和调节级空间的限制;汽缸穿孔和销装探头的安装位置往往不能反映汽温变化的真实状态;因而需要对实测数据进行必要的修正5，。另外;机组在启动初期;蒸汽对转子表面的放热系数变化很大;其变化对转子温度、应力分布的影响也非常大;但蒸汽对转子表面的放热系数的确定历来都是一个难题。在现场中;一般在汽轮机的内缸壁装有测点测取内缸壁的汽温;以此来模拟转子表面的温度。实践证明;这种方法具有一定的精确性;因此;在在线监测系统中;转子表面的温度可以利用汽缸内壁适当位置的金属温度测点温度代替，这样可以直接把转子表面的温度作为边界条件;即第一类边界条件;对转子的热状态方程进行求解。下面介绍的非线性条件下转子温度和热应力的递推算法就是以现场可以模拟测出的转子表面温度为第一类边界条件;导出转子温度和热应力的分布公式;并根据公式的数学特点给出递推公式;为实现热应力的在线监测提供了便捷的方法20。利用这种方法避免了确定放热系数和调节级后蒸汽温度的难题;从而能够比较精确地确定转子的温度和热应力的分布;使热应力的在线监测系统变得简单而精确。2.3.3汽轮机转子温度和热应力的递推计算模型当转子表面以温度变化率伙;经时间几转化为粉2时;其定解方程如下:对上式进行拉氏变换后;解此方程;可得转子的温度分布表达式:根据转子热应力与温度分布的关系式:其中: 二分别为转子径向、切向和轴向热应力。 可解得转子中心孔热应力：转子外表面热应力:：同前。.2.34非线性条件下转子温度、应力的计算当转子表面温度非线性变化时;根据热应力的叠加规律;可以得到转子中心孔温度:转子中心孔热应力:转子外表面热应力:其中:dn同前。2.3.4非线性条件下转子温度、应力的计算当转子表面温度非线性变化时;根据热应力的叠加规律;可以得到转子中心孔温度: 转子中心孔热应力: 转子外表面热应力: 其中: 2.4汽轮机转子的应力合成与热应力集中问题汽轮机在启停过程中，转子除了要承受热应力之外，还存在机械应力，主要是离心切向应力。离心切向应力与转子的平方成正比，任意转速下的离心切向应力值为:其中:-一任意转速n下的离心切向应力，mpa 一额定转速n。下的离心切向应力，mpa当一个物体上存在多项应力时，其合成后的当量应力由vnom1sses公式确定:式中：r，z，-分别表示径向、轴向、切向，代表剪切应力。在转子外表面及中心孔只存在轴向及切向应力，即代入上式可得:转子上的切向应力j。为切向热应力与离心力引起的切向机械应力之和，即:而轴向应力主要是热应力，即，可得当量应力的表达式为:式中：-转子的热应力，mpa； -计算部位的离心切向应力，mpa；在使用上式时，应注意的符号，拉应力为正，压应力为负。机组启动过程中，转子表面承受压应力，即式中的为负值，所以当量应力小于热应力，而停机过程则恰好相反。式(2一19)为不考虑应力集中时转子光轴轴面当量合成应力，乘以热应力集中系数kth，即得应力集中部位的最大应力值，即:因转子中心孔的裂纹多为径向裂纹，促使其扩展的主应力为切向应力。因而评价中心孔部位的安全应以切向合成应力为准则，其值为切向热应力和离心切向应力的代数和，即:启动加热时，中心孔所承受的是拉应力，与离心切向应力符号相同，其合成应力为二者的叠加值。因此是机组启动时的危险应力之一，应予以严格控制;而停机过程则不然，中心孔处所承受的是压应力，与，符号相反，从有被削弱的趋势。2.5汽轮机转子的疲劳寿命评估方法汽轮机在启停过程中转子所承受的是交变热应力。启动加热时转子表面承受压应力，停机时为拉应力。在这种交变应力作用下，经过一定周次的循环，就会在转子表面出现疲劳裂纹并逐渐扩展以至断裂。疲劳裂纹一般在汽轮机转子应力集中部位开始萌生，如叶轮根部等部位。如图2-1所示为本文选取的转子钢疲劳特性曲线，以对数坐标表示，横坐标为致裂周次n，纵坐标为全应变4:的一半。本文选取图2-1中曲线c来估算转子的疲劳寿命损耗，该曲线失效准则为萌生0.5mm的裂纹。图2-1转子钢疲劳特性曲线5转子疲劳寿命损耗依据该图进行计算，首先求全应变,式中:-计算点的公称当量应力;mpa; e-材料的弹性模量;-弹、塑性应变集中系数。算出后，即可查图2-1得ne则启动、或停机)一次的寿命损耗为2.6本章小结本章全面总结了热应力与疲劳寿命损耗评估的最新成果，建立了热应力在线分析系统的数学模型。应用本章模型，本文针对汽轮机转子的热应力状况建立了热应力在线监测模型，奠定了热应力在线监测系统开发的理论基础。该模型利用递推算法，解决了以往用解析公式计算温度和热应力需要历史数据量大，难以实现在线监测的难题，并考虑到了汽轮机转子的旋转离心力和应力集中，建立的转子热应力场计算分析模型，计算速度快，精度高。第三章基于一体化模型开发平台的热应力在线 监测模型开发由十汽轮机转子金属温度及热应力无法直接测量，因此基十数学模型的各类监测软件已成为转子性能监测的重要手段ss。由十不同机组安装的测点不同、并目转子结构及转子材料也不尽相同，加之汽轮机系统过程复杂，转子性能监测数学模型的开发是软件的关键。在软件开发过程中，模型的建立、修改、完善和验证工作繁重，目持续时间长，因此建立一个便捷通用的模型开发平台是非常必要的。现有的监测软件一般是通过大量的编程从底层实现的，所开发的软件通用性和扩展性很差，只有那些既有很强编程能力又具备丰富专业知识的技术人员才可以修改模型软件，并目开发周期长，调试维护不便36-38 o对十模型开发，仿真建模技术有多年的研究成果，如:rose, stare-90等，但都以培训应用为主，系统采用封闭式结构，很少应用十电厂性能在线监测系统的开发。本章则借鉴了过程仿真和热力系统建模技术开发了一套一体化模型开发平台imms c integrated modular modeling s oftware，克服了上述软件的不足，并以此为核心进行汽轮机转子热应力在线监测模型的开发。3. 1一体化模型开发平台的构成与功能一体化模型开发平台是一个综合的应用软件系统。使用vc+和fortran等计算机语言混合编制fn成，主要由通用算法库、公用函数库、模型开发环境、模型库和i通讯等组成。它在windows98以上版本操作系统的支持下运行，算法采用fortran语言编写，通过动态链接文件建立fortran语言源代码与通用算法库和公用函数库之间的联系。平台的开发充分考虑了系统的功能扩展和模块化结构，提供了一个开放的、搭积木式的建模环境fsl。结构如图4-1所示。图4一1体化模型开发平台结构图3.1.1通用算法库通过对热力系统的分析与分解，建立某设备(如加热器)或过程的通用性能计算模型，并将其处理成具有标准化的输入、输出和系数的子程序，即所谓的过程或设备算法。各个算法预先调试好后放入库中，构成通用算法库，作为建立热力系统中该类设备或过程模型的基本单兀。通用算法库中的算法采用fortran语言编制fortran语言编码具有通俗易懂，使用方便，计算精度高等优点。建立模型时，可直接从算法列表中调用各个算法。通用算法库是模块化建模的基础，算法库中的所有算法采用统一的标准，包括输入、系数和输出二部分。输入、输出是与外部发生联系，用来进行信息交换的，系数是设备本身内在的或是相对固定的参数，如:几何尺寸，材料物性等，用来描述设备或过程模型的特性，并可以根据需要随时进行修改.开发者可以根据建模的需要，自行定义二种数据的类型和数量。其算法结构如图4-2所示。3.1.2公用函数库模型开发平台中的公用函数库，包括空气、水和水蒸汽的物性参数等。若算法库中的算法需要使用某物性参数，如水或水蒸气的烩、嫡、粘度等，可以直接根据状态参数，如压力、温度通过函数调用来获得，从fn节省了算法开发时间。公用函数库中的理论依据皆选自工程设计用的手册或标准，完全满足工程精度要求。3.1.3模块管理系统 为描述具体的设备、功能或流程，可调用算法库中的某一算法建立相应的模块。由模块管理系统完成对模块的管理和操作，其功能包括:1)通过鼠标和菜单，任意调用算法库的算法组成系统的数学模型。数学模型既可以是整个热力系统，也可以是单个设备或子系统。模块结构对应十算法结构，也包括输入、输出和系数二部分，其结构与图4-2相同。2)通过模块列表窗口对各个模块进行管理，每个模块都包括序号、模块名、算法名、执行速率和模块状态等。模块是开放式的，允许使用者对模块进行修改或扩充，从fn满足不同的需要。模型设计者可以很方便的在模块列表中添加、删除、修改自身所设计的模块。同类设备的模块可以采用相同的算法，只需适当改变模块的输入量或系数即可，建模速度快。3)模块的修改、调整可以在线或离线进行，克服了以往软件调整需要重新编译的不足，减少了额外工作量，极大的提高了建模效率。4)能够根据需要修改模块的运算速率，以满足不同系统对模型运算速率的要求。5)模块具有很强的独立性和容错能力。模块的状态分成激活(act)和冻结(inact)两种，当模型中某一模块出现异常时，可将此模块冻结，然后重新启动模型即可，其它模块则不受影响，因此大大提高了模型整体运行的稳定性。3.1.4模型管理系统 模型开发以算法库为基础，并目_模型通常是由许多算法模块组成的集合体。模型管理系统的功能包括: 1)模型、初始条件的调用和存储。模型和初始条件有文本格式和二进制格式两种。初始条件是指用户在启动模型时可以调入某一时刻的初参数。一个模型可以配置有不同的初始条件，这样可简便地构造出具有不同结构不同特性、相同结构不同特性等目的和需要不同的模型，通过研究对比各种结果，来优化或改进模型。2)由十模型包含有许多模块，设置了分步运行功能，方便了模型的调试和维护。3)提供友好的人机界面，包含算法列表和模块列表，算法查找和模块查找以及多模块显示和在线调试功能。4)提供模型自诊断功能，增强了模型调试手段。例如，当在平台中运行的模型发生异常fn停止运行时，该平台能够对产生错误的原因进行分析，从模块中查找出错误，并向用户提交出错信息。3.1.5模型库模型建立以过程算法库为基础，通过调用所需算法来构建模型。只有对不同模型进行科学有效的组织与管理，便捷、高效地应用模型并支持模型的重用与共享，才能满足系统对模型库的要求。开发平台的模型库具有统一完备的管理机制，是一个可扩充、可修改、易十维护、支持模型共享与重用的系统。3.1.6通讯接口1内部通讯对十简单的设备(或功能、流程)，可以将多个实际对象合起来对应一个模块，用一个算法来描述;fn对十非常复杂的设备(或功能、流程)，可以将一个实际设备切割成多个模块，用多个算法来描述，以简化问题并提高算法的重复利用率。实际设备是相互关联的，彼此之间有工质或信息交换，在模型中则体现为:模块之间通过输入、输出发生联系，只要输入变量名与输出变量名相同，则在这一对输入、输出之间就建立了连接，上一个模块的运算结果作为其他模块的边界条件(或已知条件)参与运算。2)外部通讯系统模型作为一个对象整体存放十操作系统中。模块采用开放式的框架结构，模型作为模块的集合体，具有统一的标准数据接口用以实现模型与其它系统，如数据库系统、电厂管理信息系统(mi s)等之间的通讯。3.2一体化模型开发平台的优点模型开发平台具有良好的开发环境和可视化的人机界面，操作灵活方便，其优点如下:1系统扩展与调整方便。采用设备模块化搭接的方式，建立系统的模型软件，易十实现系统中各设备过程模型的合并与扩展。设计对象系统中的设备流程和拓扑结构(设备连接方式)不受限制，可以任意调整，以适应不同系统的设计计算工作。 2)参数修改直观方便。可进行在线建模与验模，便十设计计算模型与模型数据参数的修改与分析。 3)易十使用，设计周期短。支持模型算法库，可提高模型算法的通用性，便十知识积累与复用，提高设计效率。一般设计人员可以不用进行编程工作，也可以完成不同系统的设计和校核工作。极大地缩短了设计计算软件的开发周期，也降低了对设计者计算机编程能力的要求。对十专业设计人员，1-2天即可以完全掌握此平台的使用方法，并可开展自己的设计计算工作。4)系统开放性好。对用户开放，便十系统的扩充与维护，也非常有利十设计方法的积累与分析比较。不会出现因系统流程不同，原来的设计软件无法使用的现象。5)设计者的工作重点转向专业领域。在此软件下进行设计计算工作，设计者的工作重点在十研究设备或过程的具体设计计算方法、以及设计经验的总结上，无需再花大量的时间和精力用十设计计算软件的编码和调试上。3. 3工程模块化建模方法 基于该平台的工程模块化建模过程为: 1进行系统分析，将复杂系统按功能合理分解为若干个子系统，并抽象为一个个基本过程单兀;2)分析每个过程单兀的基本特性，建立数学模型，并转换成相应的程序算法。每个算法都标准化为输入、系数和输出二部分。输入和输出代表过程参数(如温度、压力等)，系数代表单兀属性参数(如结构参数和物性参数等);3)将所有基本过程单兀算法放入一个库中，形成过程算法库;4)调用过程算法库中的算法，应用到具体的设备或过程时，就生成为该设备或过程的仿真模块。模块间的连接靠一个模块的输出引入到下一个模块的输入来实现。建模过程就是以过程算法库为基础，按照实际系统流程，进行模块间的有机搭接;5)仿真试验和模型验证。3. 4基于一体化模型开发平台的模型实现3. 4. 1模块实现过程以二维有限差分内部节点温度的求解模型为例，说明其模块化的实现过程。该模型的数学表达式如式(2-89，建立模型算法时，为实现算法的通用性，将算法结构标准化为输入，系数和输出二部分，结构如图4-3所示。其他算法的实现过程和该算法类似。转子二维有限差分模型的所有算法说明如表4-1所示。3. 4. 2模型实现过程以内部节点a3,b2,b3,b4,c3为例说明其模块问的搭接关系，其位置结构如图4-4所示，b_a3,b2,b4,c3为b3周围的相邻节点，这几个模块均采用算法intp，该算法结构