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        論200MW機組調(diào)峰轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力場和壽命損耗

        2011-10-18 10:51:08徐東茂
        科學(xué)之友 2011年12期

        徐東茂

        (華電新能源發(fā)展有限公司黑龍江分公司,黑龍江 牡丹江 157015)

        1 計算原理

        計算汽輪機轉(zhuǎn)子不穩(wěn)定溫度場時,認(rèn)為轉(zhuǎn)子是均質(zhì),各向同性,且無內(nèi)熱源的物體,為軸對稱非穩(wěn)定導(dǎo)熱問題。其數(shù)學(xué)模型為:

        初始條件和邊界條件:

        計算汽輪機轉(zhuǎn)子應(yīng)力場時,認(rèn)為轉(zhuǎn)子為完全彈性、連續(xù)、均質(zhì),各向同性的軸對稱問題。

        利用虛功原理得:

        2 試驗數(shù)據(jù)的處理

        2.1 初始條件和邊界條件

        由于試驗負(fù)荷都是從穩(wěn)定工況開始變動,在計算時取相應(yīng)負(fù)荷下的穩(wěn)態(tài)溫度場作為初始溫度場。

        高壓轉(zhuǎn)子左右端面為軸承端,溫度由潤滑油冷卻系統(tǒng)決定,為第一類邊界條件,中心孔處于封閉狀態(tài),可取為絕熱邊界,轉(zhuǎn)子表面取為第三類換熱邊界條件。

        中壓轉(zhuǎn)子左端取為第一類邊界條件,右端面取自第22級和第23級中分面,可近似地取為絕熱邊界條件,中心孔取為絕熱邊界,轉(zhuǎn)子表面取為第三類換熱邊界條件。

        2.2 蒸汽參數(shù)的處理

        根據(jù)牡丹江第二發(fā)電廠#7機組(200 MW)的變負(fù)荷試驗數(shù)據(jù),參考國內(nèi)同類型機組的現(xiàn)場運行數(shù)據(jù),將測得的主蒸汽溫度、壓力,調(diào)節(jié)級后溫度、壓力,再熱蒸汽溫度、壓力,以及前6段抽汽的溫度、壓力,進行仔細整理。由于是在確定的變負(fù)荷率下進行計算,故以功率作為自變量進行離散數(shù)據(jù)的擬合。利用處理好的已知蒸汽參數(shù),再進行變工況計算,從而得出轉(zhuǎn)子各個部位的蒸汽溫度和壓力。

        流過汽輪機通流部分的蒸汽所加熱的轉(zhuǎn)子表面部分所占比例較小,而從端部汽封、隔板汽封泄漏的汽流對轉(zhuǎn)子表面影響較大,但這部分汽流的蒸汽不同于通流部分的蒸汽參數(shù),實際上是難以估算的。

        2.3 蒸汽和金屬物性參數(shù)的確定

        參照一些模型的驗算表明,金屬物性對溫度場的影響較小,但對熱應(yīng)力場影響較大,而蒸汽物性對溫度場和熱應(yīng)力場都會產(chǎn)生較大的影響。文章?lián)镄詳M合公式[1],使金屬物性隨金屬溫度變化,蒸汽物性隨汽溫、壓力變化,計算表明,公式精度滿足要求。轉(zhuǎn)子材料為30Cr2MoV耐熱高強度鋼。

        3 計算結(jié)果分析

        3.1 變負(fù)荷過程中主蒸汽、再熱蒸汽溫度的變化對轉(zhuǎn)子溫度和應(yīng)力的影響

        蒸汽溫度的變化對轉(zhuǎn)子溫度分布及變化有極大的影響。高壓轉(zhuǎn)子表面各處的蒸汽溫度是主蒸汽溫度和負(fù)荷的函數(shù),而中壓轉(zhuǎn)子表面各處的蒸汽溫度是主蒸汽溫度、再熱蒸汽溫度和負(fù)荷的函數(shù)。因此,轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力的大小和變化,除受負(fù)荷變化率的影響外,更主要是受主蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度變化的影響。雖然在變負(fù)荷調(diào)峰過程中,主蒸汽溫度變化不大,但應(yīng)盡可能地保持主蒸汽溫度不變或按盡可能小的溫度速度變化,特別是應(yīng)盡可能地避免汽溫的波動。汽溫波動將造成轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力的交變,使轉(zhuǎn)子疲勞損傷加劇,特別是要避免汽溫瞬間大幅度的變化。

        3.2 變負(fù)荷調(diào)峰過程溫度場的特點

        在變負(fù)荷調(diào)峰過程中,由于希望盡可能地保持主蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度不變,且采用兩閥全開的滑壓運行的調(diào)峰方式,故在整個調(diào)峰過程中,由滿負(fù)荷到達50%額定負(fù)荷,主、再熱蒸汽溫度變化僅有20℃。由于進汽部分徑向熱流較小,而主要是汽溫沿軸向變化而產(chǎn)生的軸向熱流,所以轉(zhuǎn)子內(nèi)的溫度分布與穩(wěn)定工況的溫度場相近。大多數(shù)等溫線傾斜度不大,只有在軸向蒸汽溫度差很大的部位,高溫蒸汽通過轉(zhuǎn)子向低溫蒸汽放熱,或通過中間段向兩端散熱(如各汽缸進汽室)而形成較大的徑向熱流,使徑向溫差增大。在此熱流的影響下,等溫線沿?zé)崃鞣较騼A斜度逐漸減小,并出現(xiàn)一徑向等溫截面。在此截面的另一側(cè),等溫線反向傾斜,且傾斜度沿?zé)崃鞣较蛑饾u增大。

        影響轉(zhuǎn)子溫度分布和變化的主要因素是蒸汽溫度沿軸向分布和變化的速度。

        3.3 變負(fù)荷調(diào)峰過程應(yīng)力場的特點

        在變負(fù)荷調(diào)峰過程中,轉(zhuǎn)子應(yīng)力的變化主要是由于熱應(yīng)力變化而引起的,這與機組啟停過程中應(yīng)力變化規(guī)律有很大的不同。由于受初始應(yīng)力的影響,轉(zhuǎn)子內(nèi)應(yīng)力變化最大,引起疲勞損傷最大的部位,不一定是應(yīng)力最大的部位。

        在升負(fù)荷過程中,隨著轉(zhuǎn)子表面蒸汽溫度升高,其表面金屬溫度隨著升高,響應(yīng)速度很快,中心孔表面金屬溫度的變化有滯后,使轉(zhuǎn)子內(nèi)、外表面溫度差逐漸增大,熱應(yīng)力隨著增大。雖然在整個升負(fù)荷過程中,金屬溫度場在升高,但由于中心孔表面金屬溫度的變化滯后于轉(zhuǎn)子表面金屬溫度的變化,轉(zhuǎn)子表面的切向熱應(yīng)力為壓應(yīng)力,而中心孔表面的切向熱應(yīng)力為拉應(yīng)力,在轉(zhuǎn)子內(nèi)、外表面溫度差達最大時,熱應(yīng)力也達最大值。

        在降負(fù)荷過程中,隨著轉(zhuǎn)子表面蒸汽溫度降低,其表面金屬溫度也隨著降低,而中心孔表面金屬溫度的變化滯后于轉(zhuǎn)子表面金屬溫度的變化,因此轉(zhuǎn)子表面出現(xiàn)拉應(yīng)力,中心孔表面出現(xiàn)壓應(yīng)力。由于徑向溫度梯度是非線性的,在轉(zhuǎn)子表面?zhèn)葴囟忍荻容^大,故軸向零應(yīng)力線偏向轉(zhuǎn)子表面一側(cè)。

        3.4 熱應(yīng)力集中現(xiàn)象

        熱彈性槽應(yīng)力集中現(xiàn)象見表1。

        表1 熱彈性槽應(yīng)力集中現(xiàn)象

        3.5 壽命損耗計算

        通過計算得到,13級后葉輪根部向軸面過渡處為應(yīng)變最大區(qū)。以上5種工況的壽命損耗均較小,但考慮到調(diào)峰的頻繁,其累積效果也不容忽視。

        4 結(jié)論

        (1)在變負(fù)荷調(diào)峰過程中,由于機組本身特性,使得升、降負(fù)荷過程中出現(xiàn)蒸汽參數(shù)波動,因此,通常以假定溫升率計算的結(jié)果與實際運行狀態(tài)有較大差異,以試驗數(shù)據(jù)為依據(jù)進行轉(zhuǎn)子溫度場、應(yīng)力場的計算才有比較現(xiàn)實的意義。

        (2)變負(fù)荷過程由于蒸汽參數(shù)的隨機變化,僅以變負(fù)荷率作為考察和控制調(diào)峰運行的依據(jù)是不夠全面的。建議調(diào)峰機組加裝應(yīng)力在線監(jiān)測裝置,以應(yīng)力水平或應(yīng)力變化幅值來控制機組負(fù)荷變化。

        (3)文章計算的6種變負(fù)荷過程,壽命損耗均較小,但因為變負(fù)荷調(diào)峰頻繁進行,壽命損耗的累積不應(yīng)忽視。高壓轉(zhuǎn)子調(diào)節(jié)級和中壓轉(zhuǎn)子13級后葉輪根部向軸面過渡處應(yīng)力變化幅度較大,應(yīng)以此作為重點考察的對象。此外,對于中壓前2號軸封凸肩處,由于軸封供汽溫度偏低,造成此截面很大的徑向溫差和軸向熱流,使得凸肩處產(chǎn)生很大的切向壓應(yīng)力和合成應(yīng)力,此處也應(yīng)作為重點考察區(qū)。

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