張瑞青

（沈陽工程學(xué)院能源與動力工程系 遼寧 沈陽 110136）

高參數(shù)機(jī)組調(diào)節(jié)級噴嘴葉柵熱應(yīng)力分析

張瑞青

（沈陽工程學(xué)院能源與動力工程系 遼寧 沈陽 110136）

隨著超臨界機(jī)組甚至是超超臨界機(jī)組應(yīng)用越來越廣泛，在變工況條件下，調(diào)節(jié)級部分的工作環(huán)境變得更加惡劣。本文以某600MW超超臨界汽輪機(jī)為例，應(yīng)用ANSYS建立了調(diào)節(jié)級噴嘴室的有限元分析模型，得到了變工況下應(yīng)力分布規(guī)律，模擬出整個(gè)調(diào)節(jié)級噴嘴室、噴嘴的應(yīng)力分布圖，了解噴嘴室、噴嘴葉柵應(yīng)力最高的部分，為研究機(jī)組變工況下熱應(yīng)力的分析提供了理論基礎(chǔ)，并為機(jī)組的啟動優(yōu)化提供了參考。

調(diào)節(jié)級；噴嘴組；熱應(yīng)力；溫度場

0 引言

超超臨界汽輪機(jī)具有大容量、高參數(shù)的特性，進(jìn)汽蒸汽的溫度超過600℃，壓力達(dá)27MPa。機(jī)組配汽方式為噴嘴配汽，其調(diào)節(jié)級分為幾個(gè)噴嘴組，每一組各由一個(gè)調(diào)節(jié)汽門控制，蒸汽要經(jīng)過幾個(gè)依次開啟或關(guān)閉的調(diào)節(jié)汽門，以改變調(diào)節(jié)級的通流面積控制進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽量。但汽輪機(jī)在啟停以及變負(fù)荷運(yùn)行等非穩(wěn)定工況時(shí)，噴嘴調(diào)節(jié)方式會導(dǎo)致主要部件溫度梯度較大，引起高壓缸各級相當(dāng)大的熱應(yīng)力和熱變形，致使機(jī)組壽命損耗[1-2]。本文采用有限元分析方法，通過對汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級熱應(yīng)力場進(jìn)行分析，模擬出整個(gè)調(diào)節(jié)級噴嘴室的應(yīng)力分布圖，以便了解噴嘴熱應(yīng)力最高的部分，并為機(jī)組的變工況運(yùn)行提供參考。

1 調(diào)節(jié)級噴嘴的應(yīng)力場模型

1.1 溫度場模型

在計(jì)算穩(wěn)定工況下調(diào)節(jié)級噴嘴的溫度場時(shí)，可認(rèn)為進(jìn)汽室和噴嘴組壁面是一個(gè)均勻、各向同性并且內(nèi)無熱源的模型，屬于解軸對稱定常溫度函數(shù)問題，溫度滿足下列偏微分方程[3]：

式中，τ 為時(shí)間間隔，s；r、z分別為徑向、軸向坐標(biāo)軸，m；λ為材料的導(dǎo)熱率，W/（m.℃）；ρ為材料的密度，kg/m3；Cp為材料的比熱，J/（kg.℃）。

求解該微分方程的初始條件為物體邊界上的溫度函數(shù)已知的第一類邊界條件，即：

其中，Γ 為物體邊界；為已知溫度；f（r，z，t）為已知溫度函數(shù)

噴嘴組其外表面可作為已知放熱系數(shù)及介質(zhì)溫度的第三類邊界條件，即：

其中，tf為流體介質(zhì)的溫度，℃；h為蒸汽與噴嘴組放熱系數(shù)，W/（m2.℃）。

1.2 應(yīng)力場模型

將進(jìn)汽室及噴嘴組截面簡化為圓柱模型，然后采用解析方法計(jì)算出熱應(yīng)力。在汽輪機(jī)的啟動、停機(jī)和變負(fù)荷過程中，圓柱任意半徑r處的徑向熱應(yīng)力σr、切向熱應(yīng)力σθ和軸向熱應(yīng)力σz的計(jì)算公式分別為[4]：

式中：α為工作溫度下材料的線膨脹系數(shù)；E為工作溫度下材料的彈性模量；μ為工作溫度下材料的泊松比；θm為圓柱體積平均溫度；t為圓柱半徑r處的工作溫度。

1.3 幾何模型

建模時(shí)將600MW超超臨界汽輪機(jī)進(jìn)汽室及噴嘴組截面作為研究對象。按結(jié)構(gòu)圖紙取進(jìn)汽室內(nèi)半徑0.075m，外半徑0.13，噴嘴截面長 0.08m，進(jìn)口高 0.043m，出口高 0.032m，劃分網(wǎng)格后的幾何模型如圖1所示。

圖1 有限元模型網(wǎng)格劃分

2 計(jì)算實(shí)例

2.1 材料物性參數(shù)的確定

采用有限元模擬調(diào)節(jié)級進(jìn)汽室及噴嘴的溫度場和應(yīng)力場時(shí)，材料的物理性能參數(shù)的選取直接影響到溫度場和應(yīng)力場計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。材料的物性參數(shù)如導(dǎo)熱系數(shù)及熱膨脹系數(shù)等均是依賴于溫度的，其值隨著溫度而改變，但由于材料在高溫下的導(dǎo)熱實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不易獲得，因此本文分析過程中將其作為常量處理，即不考慮材料對溫度的非線性效應(yīng)。

根據(jù)該汽輪機(jī)相關(guān)資料，得到調(diào)節(jié)級噴嘴室及噴嘴材料為CrMoVNbN合金鋼，其主要物性參數(shù)中密度為7750kg/m3，彈性模量為2.06×1011Pa，泊松比為0.3。

2.2 初始條件的確定

根據(jù)機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)得到不同負(fù)荷時(shí)調(diào)節(jié)級金屬對應(yīng)的溫度作為初始條件，如表1所示。

表1 調(diào)節(jié)級溫度與機(jī)組負(fù)荷值記錄

2.3 應(yīng)力場分布

圖2 機(jī)組負(fù)荷為600MW時(shí)的等效應(yīng)力場分布圖

調(diào)節(jié)級噴嘴室和噴嘴受到熱沖擊時(shí)會發(fā)生體積和形狀的改變，故應(yīng)根據(jù)第四強(qiáng)度理論判斷其應(yīng)力水平。ANSYS中的等效應(yīng)力(Von Mises stress)是程序根據(jù)第四強(qiáng)度理論計(jì)算獲得的[5]。因?yàn)樵趯?shí)際中很難找到真正的單軸拉壓的情況，一般結(jié)構(gòu)的受力都沒有這么簡單，所以在分析的時(shí)候需要用等效應(yīng)力來將各主應(yīng)力進(jìn)行轉(zhuǎn)化，因此應(yīng)該用等效應(yīng)力來描述應(yīng)力集中的現(xiàn)象，來繪制各工況下的等效應(yīng)力圖。圖2為600MW負(fù)荷時(shí)的等效應(yīng)力場分布圖。

同理計(jì)算各工況下調(diào)節(jié)級噴嘴室和噴嘴的最大、最小應(yīng)力和平均應(yīng)力水平，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表2所示，應(yīng)力單位為Pa。

表2 各工況下應(yīng)力水平統(tǒng)計(jì)(×106Pa)

從表2看出，隨著負(fù)荷的增加，調(diào)節(jié)級噴嘴室和噴嘴本體整體的熱應(yīng)力也會隨之增加。整個(gè)噴嘴本體的熱應(yīng)力比較大，并且隨著蒸汽流動方向上逐漸變大，呈不均勻分布，最大熱應(yīng)力出現(xiàn)在了噴嘴出口處，最小熱應(yīng)力出現(xiàn)在噴嘴蒸汽節(jié)流后和噴嘴外壁上下兩端；噴嘴汽室熱應(yīng)力分布沿厚度方向從內(nèi)到外逐漸降低，呈不規(guī)則分布。

3 結(jié)論

3.1 本文模擬了調(diào)節(jié)級進(jìn)汽室和噴嘴葉柵在不同工況下的穩(wěn)態(tài)熱應(yīng)力場，分析結(jié)論與傳熱學(xué)理論推論一致，說明模型的簡化和邊界的處理基本合理。

3.2 通過有限元分析的結(jié)果可以用于調(diào)節(jié)級噴嘴葉柵熱應(yīng)力場分布分析，為汽輪機(jī)熱應(yīng)力在線系統(tǒng)的監(jiān)測提供了有力的依據(jù)，為縮短停啟機(jī)時(shí)間和提高調(diào)峰的靈活性提供了一種手段。

［1］李勇,聶玉火.不同配汽方式下汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級后轉(zhuǎn)子的熱應(yīng)力分析[J].汽輪機(jī)技術(shù),2009,51（4）：272-275,244.

［2］支小牧,寇可新,曹向秋.汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力在線監(jiān)測、壽命管理及優(yōu)化啟停的研究[J].動力工程,2001,20(1):543-547.

［3］楊世銘,陶文銓.傳熱學(xué)[M].北京：高等教育出版社,2006.

［4］史進(jìn)淵,楊宇,鄧志成,等.基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子等效應(yīng)力的在線計(jì)算方法[J].動力工程，2009,29（4）：316-319,325.

［5］王澤鵬,張秀輝,胡仁喜.ANSYS12.0熱力學(xué)有限元分析從入門到精通[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

本文的研究成果受到沈陽工程學(xué)院科技基金項(xiàng)目（LGQN-1013）資助。

張瑞青（1975—），女，漢族，山西大同人，研究生，講師，從事電廠汽輪機(jī)經(jīng)濟(jì)性診斷研究。

王靜］