王雪梅

（哈爾濱汽輪機廠有限責任公司 研究院，哈爾濱 150046）

0 引言

轉(zhuǎn)子是汽輪機組的關鍵部件之一，工作時承受著高溫高壓，因此對其溫度場進行分析是對它進行強度校核和研究其熱膨脹的基礎，這對汽輪機的研發(fā)工作是十分必要的。本課題以機組為例完成了轉(zhuǎn)子穩(wěn)態(tài)溫度場分析平臺的搭建，包括了程序擴充、模型簡化、換熱系數(shù)計算程序編制、邊界溫度選取、程序分析、有限元分析和程序輸出結果可視化研究。

1 模型簡化

高中壓轉(zhuǎn)子穩(wěn)態(tài)換熱分析首先需進行模型簡化，認為其溫度場分布是軸對稱的，以機組為例，簡化模型如圖1 所示。

圖1 簡化模型

邊界點根據(jù)換熱區(qū)域計算的要求選取，共選取144 個點。

2 換熱系數(shù)計算

高中壓轉(zhuǎn)子穩(wěn)態(tài)換熱分析首先需計算換熱系數(shù)，其換熱系數(shù)計算分以下幾種類型，現(xiàn)分述如下：

2.1 無限空間中旋轉(zhuǎn)圓盤

此種類型換熱系數(shù)計算公式一般用于蒸汽進汽側(cè)的第一級葉輪和排汽側(cè)的末級葉輪，在本分析算例中區(qū)域25～26，64～65，70～71，74～75，75～76，85～86，123～124，125～126，130～131，132～133，138～139，140～141，142～143，17～18，14～15，23～24，81～82 正是此種類型。

此計算公式已編為程序，程序名為a14.f90 由程序計算區(qū)域的換熱系數(shù)為：

h=123.3099Btu/（hr·ft2·0F）（換熱系數(shù)的英制單位，如變成公制則需乘以5.82，如下以此為準）

2.2 同軸轉(zhuǎn)動圓盤

此種類型換熱系數(shù)計算公式一般用于由間隙分開的2 個同軸轉(zhuǎn)動圓盤，在本分析算例中區(qū)域87～88，89～90，91～92，93～94，95～96，97～98，99～100，101～102，103～104，105～106，107～108，109～110，111～112，113～114，115～116，117～118，119～120，121～122 正是此種類型。

計算公式為：

2.3 直汽封

此種類型換熱系數(shù)計算公式一般用于直汽封下的轉(zhuǎn)子表面，在本分析算例中區(qū)域63～64，60～61，57～58，54～55，51～52，48～49，45～46，42～43，39～40，36～37，33～34，30～31 正是此種類型。

此種類型換熱系數(shù)計算公式如下：

此計算公式已編為程序，程序名為pha04.f90，由程序計算區(qū)域的換熱系數(shù)為：h=3 426.214Btu/（hr·ft2·0F）。

3 中壓第一級輪槽處換熱系數(shù)計算

在機組中壓第一級輪槽處，在本分析算例中為86～87區(qū)域，該級動葉葉根和輪槽處存在較大間隙，氣流由此流過冷卻輪槽，該輪槽和動葉葉根的間隙近似為矩形，可用管道中過熱蒸汽的湍流流動的換熱系數(shù)計算公式進行計算，由于轉(zhuǎn)子沿周向均布輪槽，且本算例中按軸對稱計算，所以近似將所計算的換熱系數(shù)乘以全部的輪槽周向長度，再除以該處的轉(zhuǎn)子圓周長度，即得該處的平均換熱系數(shù)。

管道中過熱蒸汽的湍流流動的換熱系數(shù)計算公式如下：

管道中過熱蒸汽的湍流流動的計算公式已編為程序，程序名為pha1.f90，由程序計算區(qū)域86～87 的換熱系數(shù)為：h=1 751.255Btu/（hr·ft2·0F）。

4 無軸向流動的旋轉(zhuǎn)同心圓柱

此種類型換熱系數(shù)計算公式一般用于由間隙分開的2 個旋轉(zhuǎn)同軸圓柱，間隙中無軸向流動，在本分析算例中區(qū)域71～72 正是此種類型。

此種類型換熱系數(shù)計算公式如下：

此計算公式已編為程序，程序名為ea19.f90，由程序計算區(qū)域的換熱系數(shù)為：h=245.373 100Btu/（hr·ft2·0F）。

T 形葉根和調(diào)節(jié)級葉根的換熱系數(shù)

在本分析算例中區(qū)域73～74 為調(diào)節(jié)級的輪槽簡化區(qū)域，61～63，58～60，55～57，52～54，49～51，46～48，43～45，40～42，37～39，34～36，31～33，28～30 為高壓1～12 級的輪槽簡化區(qū)域，此處動葉葉根為T 形葉根，此種類型換熱系數(shù)計算公式如下：

此計算公式已編為程序，程序名為em1772.f90，由程序計算區(qū)域的換熱系數(shù)為：h=234.409 3Btu/（hr·ft2·0F）。

5 溫度場分析

用大型有限元分析軟件ANSYS10.0 和程序PH8147分析了機組高中壓轉(zhuǎn)子穩(wěn)態(tài)溫度場，結果如下：

5.1 程序分析

用程序分析了機組高中壓轉(zhuǎn)子的溫度場，求得的高中壓轉(zhuǎn)子中心孔表面和外表面溫度沿軸向長度分布如圖2 所示。

5.2 ANSYS10.0 分析

用ANSYS10.0 分析的溫度場云圖如圖3 所示。

由圖3 可看出轉(zhuǎn)子中壓第一級輪槽處的冷卻效果。

6 程序輸出結果可視化研究

程序的輸出結果為數(shù)據(jù)，可輸出二維坐標點及對應該坐標點的溫度值。為了便于對結果進行分析處理，本課題還進行了輸出數(shù)據(jù)的可視化研究，主要是采用Tecplot 9.0 軟件由程序的輸出結果繪制溫度場云圖。

圖2 轉(zhuǎn)子中心孔表面和外表面溫度沿軸向長度分布

圖3 溫度場云圖

Tecplot 9.0 軟件具有強大的結果分析能力，可以顯示二維/三維變量云圖、等溫線等。使用過程如下：

1）建立*.txt 文本文件，輸入格式靈活多樣。例如，輸入可采用下面格式：

2）將數(shù)據(jù)導入Tecplot中，選擇2D 進行畫圖，在Field 菜單中選擇Contour，在Contour Plot Type 中選擇Line，就可以顯示等值線分布情況。采用Tecplot 9.0 軟件繪制的機組高中壓轉(zhuǎn)子穩(wěn)態(tài)溫度場的云圖如圖4 所示。

圖4 采用Tecplot 9.0 軟件繪制的溫度場云圖

7 結語

本課題以機組為例完成了轉(zhuǎn)子穩(wěn)態(tài)溫度場分析平臺的搭建，為轉(zhuǎn)子穩(wěn)態(tài)溫度場的分析提供了系統(tǒng)深入的方法，填補了我公司設計分析手段的空白，下一步將研究轉(zhuǎn)子瞬態(tài)溫度場分析，從而為轉(zhuǎn)子的低周疲勞分析奠定堅實的基礎。