600MW汽轮机转子疲劳寿命计算_武新华

　收稿日期 :1998 - 12 - 27 　　　　　 600MW 汽轮机转子疲劳寿命计算 武新华 荆建平 夏松波 刘占生　　张　欣 符东明 　　 　　　　(哈尔滨工业大学) 　 　　　　(黑龙江省电力科学研究院) 【摘要】采用电厂实际启、停机曲线对 600MW汽轮机组的高、中压转子分别进行了三维瞬态温度场 及非线性应力场分析 ,并采用 30Cr1MoV 低周疲劳曲线对机组在实际启、停过程中的寿命损耗进行 了估算。温度场及应力场的计算采用轴对称有限元法。 关键词 :汽轮机 　温度场 　热应力 　寿命损耗 分类号 :TK263. 6 + 1 Fatigue Life Calculation of 600MW Turbine Rotor Wu Xinhua 　Jing Jianping 　Xia Songbo 　Liu Zhansheng (Harbin Institute of technology) Zhang Xin 　Fu Dongming (HeiLongJiang Power Science Institute) Abstract :In this paper , with the real curve of turbine start - up and stop processes being applied , a three di2 mension instantaneous temperature field and non - linear stress field analysis of 600MW turbine is given . Fur2 ther more ,the rotor fatigue lives of the start - up and stop processes are calculated with the low - cyclic fatigue life curve being applied. In the analysis of the temperature and stress field , the axis - symmetry finite element method is employed. Key words :turbine 　temperature field 　thermal stress 　life wasting 0 　前　言 汽轮机转子的寿命预测和寿命管理不仅 对调峰机组有巨大意义 , 对承担基本负荷、 中间负荷的机组也有实用价值 ,因为这些机 组同样有如何经济合理地运行和有计划地消 耗转子寿命 ,确保机组安全的问题。高温大 容量机组的启、停及负荷变动 ,对机组的使用 寿命有很大的影响。正确地分析机组在各种 工况下转子的应力水平和寿命损耗 ,是当前 加强大机组寿命管理中亟待解决的问题之 一。 合理地安排启、停机过程和负荷变化幅 度 ,可有效地延长机组的使用寿命 ,同时可大 大地提高机组运行的经济性 ,为电厂带来巨 大的经济效益。我国优化设计的首台 600MW 汽轮发电机组刚刚投入运行 ,因此通 过细致、全面的温度场、应力场及寿命损耗的 分析计算 ,可为制定安全、经济的启停机曲线 及变负荷过程提供理论依据 ,从而满足电厂 实际运行的迫切需要。 1 　热应力分析 本文主要针对 600MW 汽轮机的高、中压 第 41 卷 第 3 期 汽 　轮 　机 　技 　术 Vol. 41 No. 3 1999 年 6 月 TURBINE TECHNOLOGY Jun. 1999 转子的调节级和前汽封以及第一、二压力级、 中心孔等危险区域进行了分析 ,因为这些区 段在机组启、停机和变负荷的过程中往往产 生较大的温度梯度 ,由此会产生较大的交变 热应力 ,因此 ,该区域的寿命决定着整个汽轮 机的使用寿命。本文采用 ADINA 大型通用 有限元程序 ,根据机组的实际运行的启、停机 曲线 ,对机组危险区域进行了瞬态温度场及 应力场的分析 ,其中转子的各物性参数均为 时间和温度的函数 ,最后输出危险区段各时 刻的温度及应力分布。在应力场的分析基础 上 ,应用 30Cr1MoV 低周疲劳曲线 ,进一步估 算出转子的寿命损耗。 1. 1 　高、中压转子有限元分析边界条件处理 转子有限元模型采用轴对称四边形单元 网格见图 1、图 2。计算温度场时 ,中心孔边 界可作为绝热边界条件处理 ;截取的转子隔 离体左右端面是截断面 ,由于气流沿轴向有 温差存在 ,因此转子截面前后也存在温度梯 度 ,但只有微小热流通过 ,故该截面作为绝热 边界条件处理 ,有足够精度 ,且偏于保守 ;轴 外表面可作为已知蒸汽温度和放热系数的第 三类边界条件。 图 1 　中压转子有限元网格图 图 2 　高压转子有限元网格图 　　在应力分析时 ,转子中心线作为轴对称 中心 ;由于转子表面蒸汽压力占总应力的份 额很小 ,故可忽略不计 ;隔离体左端面取为自 由端面 ,隔离体右端面沿轴向零位移约束。 1. 2 　放热系数的选取 在机组启动、停机及负荷变化过程中转 子表面蒸汽压力、温度、流速及蒸汽和转子间 温差都在变化。因此决定了转子表面放热系 数不是定值 ,而是一个复杂的变化关系。国 内未就转子表面放热系数做过实验。计算放 热系数的公式虽很多 ,但其计算结果却相差 很大 ,因此经过对多个公式的试算 ,将高压首 级金属温度的计算结果同实测的温度相对照 (图 3) ,发现采用下面的经验公式[1 ] ,其计算 结果同实际的转子温度及其变化吻和较好。 叶轮两侧放热系数 : N u = 0. 675Re0. 5 　 　 (Re ≤2. 4 ×105) 　 N u = 0. 021 7Re0. 8 　　(Re > 2. 4 ×105) 　 Re = ωr2/ v α = N uλ/ r 式中　r ———特征尺寸取叶轮半径 　ω———角速度 　λ———蒸汽导热系数 　v ———蒸汽运动粘性系数 光轴处放热系数 : N u = 0. 1Re0. 68 Re = ur/ v α = N uλ/ r 式中　u ———光轴处轴面的圆周速度 851　　　 汽 　轮 　机 　技 　术 第 41 卷 图 3 　高压首级金属温度计算值与实测值比较 　r ———光轴处轴面半径 汽封处放热系数 : Nu = 0. 047 5 k Re 0. 9 δ h - 0. 7 Re = 2 v0 h v5 = N u ·λ2 h 式中 　v0 ———汽封介质进口流速 　δ———汽封间隙 　k ———汽封流量系数 1. 3 　计算结果 本文根据电厂实际运行曲线计算了 600MW 机组在冷启动、热启动、大负荷停机 和滑阀停机等工况下高、中压转子的瞬态温 度场及应力场 ,得到了高中压转子危险处热 应力随时间的变化曲线 ,结果见图 4～图 7。 从图 7 和图 8 中可以看出 ,冷态启动、大 负荷跳机以及滑阀停机工况高压转子热应力 略高于中压转子 ;而热态启动情况下中压转 图 4 　高压转子冷态启动开始带负荷时刻温度场 图 5 　高压转子冷态启动开始带负荷时刻应力场 图 6 　热态启动工况下中压转子带 85 %负荷时应力场 子热应力则略高于高压转子 ,这是由于热态 启动温升较快 ,而中压转子径向尺寸略大于 高压转子 ,其温度滞后现象较严重所至。从 图中亦可看出 ,冷态启动过程中在冲转和带 负荷开始时刻分别出现了两个应力峰值 ,由 于暖机过程的存在 ,使冲转引起的应力峰值 图 7 　各工况下高压转子调节级叶轮根部热应力随时间变化曲线 951第 3 期 武新华等 :600MW 汽轮机转子疲劳寿命计算 　　 图 8 　各工况下中压转子第一压力级叶轮根部热应力随时间变化曲线 明显回落。在大负荷跳机和滑阀停机工况 下 ,分别在跳负荷时出现了应力峰值且高压 转子应力明显大于中压转子应力。因此在热 态启动过程中应以中压转子作为监测对象 , 而其它几个工况应以高压转子作为主要监测 对象。 2 　疲劳寿命分析 600MW 汽轮机转子材料为 30Cr1MoV ,本 文的疲劳寿命计算采用低周疲劳寿命曲线 Δεt = 0. 003 102 5 ( 2 Nf ) - 0. 065 + 0. 513 647 (2 Nf ) - 0. 65 ,该曲线是通过 4 点法获得。疲劳 分析采用“局部应力 —应变法”,疲劳损伤计 算采用线性疲劳累积损伤准则其表达式为 : n1 N1 + n2 N2 + ⋯ nnN n = 1 　　低周疲劳寿命分析结果列于表 1。 600MW 汽轮机使用寿命按 30 年计算 , 各工况下启动次数 n 均按 30 年估算。据目 前研究指出 ,转子总寿命消耗中蠕变产生的 损伤占 20 % ,疲劳产生的损伤占 80 %[2 ] 。从 表 1 可知高、中压转子低周疲劳寿命损伤都 小于 80 % ,说明以上采用的启停是偏于 安全的 ,因此可以进一步增大温升率 ,提高机 组经济性。 　　表 1 各工况下转子疲劳寿命损耗 启动类别 Nf 高　压 中　压 每次损耗δ/ % 高　压 中　压 次　数 n 总损耗/ % 高　压 中　压 冷 态 启 动 2 653 7 761 0. 018 8 0. 006 4 240 4. 51 1. 896 热 态 启 动 17 929 5 102 0. 002 8 0. 009 8 3 000 8. 4 29. 4 大负荷跳机 6 331 3. 6 ×106 0. 007 9 1. 4 ×10 - 4 3 000 23. 7 0. 42 滑 阀 停 机 2 151 42 880 0. 023 2 0. 001 2 240 5. 568 0. 288 负 荷 波 动 96 470 5. 7 ×107 0. 000 5 8. 8 ×10 - 7 10 000 5. 0 0. 088 合　　　计 　 　 　 　 　 47. 178 32. 092 3 　结　论 本文根据电厂的实际启、停机曲线 ,对 600MW汽轮机组的高中压转子进行了温度 场、热应力场的分析。并分析了高中压转子 在各典型工况下的转子寿命损耗 ,结果表明 : 高压转子应力集中区域确在调节级叶轮根部 及前汽封 ,中压转子应力集中区域则在第一 压力级根部及弹性槽。对机组进行寿命监测 必须对高、中压转子同时进行 ,尤其是热态启 动对中压转子应倍加注意 ;滑阀停机对机组 寿命损耗很大 ,故应尽量避免此种停机方式 ; 就本文采用的启停方案来看 ,转子寿命还存 在一定的裕度 ,故可进一步加大温升率 ,加快 启停速度 ,提高机组运行的经济性。 参 考 文 献 1 　陈　华 ,吴季兰 ,叶 　涛 ,刘华堂. 汽轮机转子非定常热 传导问题的有限元计算. 1994 ,36 (6) :353～358 2 　张保衡. 大容量火电机组寿命管理与调峰运行. 北京 :水 利出版社 ,1988 061　　　 汽 　轮 　机 　技 　术 第 41 卷