楊 宇，汪 勇，史進淵，鄧志成

（上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院，上海200240）

為了保證某型AP1000核電汽輪機的長周期安全運行，必須對汽輪機高壓轉(zhuǎn)子的強度進行計算分析和研究。針對原設(shè)計方案完成了7項計算分析研究工作：額定負荷穩(wěn)態(tài)工況溫度場和應(yīng)力場計算；冷態(tài)啟動過程瞬態(tài)溫度場和應(yīng)力場計算；溫態(tài)啟動過程瞬態(tài)溫度場和應(yīng)力場計算；熱態(tài)啟動過程瞬態(tài)溫度場和應(yīng)力場計算；正常停機過程瞬態(tài)溫度場和應(yīng)力場計算；110%超速試驗過程瞬態(tài)溫度場和應(yīng)力場計算；120%超速運行過程瞬態(tài)溫度場和應(yīng)力場計算。經(jīng)計算分析，某型AP1000核電汽輪機高壓轉(zhuǎn)子原設(shè)計方案在額定負荷穩(wěn)態(tài)工況下的強度設(shè)計合格；在冷態(tài)啟動過程有8個部位的相對應(yīng)力（σeq／Rtp0.2）超標。針對這8個部位，進行了轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進，形成了改進方案和最終設(shè)計方案。針對改進方案和最終設(shè)計方案分別進行了額定負荷穩(wěn)態(tài)工況、瞬態(tài)變工況以及超速工況的強度計算分析，結(jié)果表明：某型AP1000核電高壓轉(zhuǎn)子最終設(shè)計方案的額定負荷強度、應(yīng)力腐蝕強度、瞬態(tài)變工況強度及超速試驗強度均符合強度設(shè)計判據(jù)，強度設(shè)計合格。

1 額定穩(wěn)態(tài)工況的計算與分析

1.1 力學(xué)模型和邊界條件

建立軸對稱有限元計算力學(xué)模型。在高壓轉(zhuǎn)子的輪緣、汽封部位、葉輪、光軸等外表面，施加與蒸汽強制對流換熱的第三類邊界條件；在軸承頸部，施加與潤滑油強制對流換熱的第三類邊界條件；在轉(zhuǎn)子聯(lián)軸器端面，施加絕熱邊界條件，計算高壓轉(zhuǎn)子的溫度場。

在應(yīng)力場的計算中，在高壓轉(zhuǎn)子各級輪緣分別施加各級的動葉片離心力，高壓轉(zhuǎn)子施加自身旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力，模型的各節(jié)點上輸入溫度場計算結(jié)果，得出包括熱應(yīng)力和離心應(yīng)力的復(fù)合應(yīng)力計算結(jié)果。

某型AP1000核電汽輪機高壓轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)強度典型部位（應(yīng)力計算結(jié)果比較大或有代表性的部位）見圖1。

原設(shè)計方案、改進設(shè)計方案和最終設(shè)計方案的結(jié)構(gòu)差異見表1。

表1 三個設(shè)計方案的結(jié)構(gòu)區(qū)別

1.2 額定穩(wěn)態(tài)工況強度設(shè)計判據(jù)

1.2.1 額定負荷穩(wěn)態(tài)工況強度設(shè)計判據(jù)

根據(jù)文獻［1-2］，對轉(zhuǎn)子等效應(yīng)力比較大的強度薄弱部位進行額定負荷穩(wěn)態(tài)工況強度校核，設(shè)計判據(jù)為：

式中：σeq為額定負荷穩(wěn)態(tài)工況強度關(guān)鍵部位的等效應(yīng)力；Rtp0.2為工作溫度t下轉(zhuǎn)子材料的屈服極限。

1.2.2 應(yīng)力腐蝕強度設(shè)計判據(jù)

只對轉(zhuǎn)子與濕蒸汽接觸的外表面進行應(yīng)力腐蝕強度校核，根據(jù)文獻［1-2］，應(yīng)力腐蝕強度的設(shè)計判據(jù)為：

式中：σ1為額定負荷穩(wěn)態(tài)工況轉(zhuǎn)子表面部位的最大主應(yīng)力。

1.3 額定穩(wěn)態(tài)工況強度計算結(jié)果

在額定負荷穩(wěn)態(tài)工況下，某型AP1000核電汽輪機高壓轉(zhuǎn)子原設(shè)計方案、改進設(shè)計方案和最終設(shè)計方案的等效應(yīng)力各典型部位σeq／計算結(jié)果見圖2，各典型部位σ1計算結(jié)果見圖3。由圖2和圖3可知：額定負荷穩(wěn)態(tài)工況的強度和應(yīng)力腐蝕危險部位均為部位1和部位38，σeq／和σ1均不到0.2，遠小于強度判據(jù)允許值。故三個方案各部位的額定負荷穩(wěn)態(tài)工況強度和應(yīng)力腐蝕強度均設(shè)計合格，說明某型AP1000高壓轉(zhuǎn)子的穩(wěn)態(tài)額定負荷工況強度和應(yīng)力腐蝕強度的設(shè)計是合格的。

圖2 穩(wěn)態(tài)等效應(yīng)力相對應(yīng)力條形圖

圖3 穩(wěn)態(tài)最大主應(yīng)力相對應(yīng)力條形圖

2 超速工況的應(yīng)力計算與強度分析

2.1 超速工況強度設(shè)計判據(jù)

根據(jù)文獻［1-2］，轉(zhuǎn)子超速工況強度設(shè)計判據(jù)為：

2.2 超速工況應(yīng)力場的計算結(jié)果

原設(shè)計方案、最終設(shè)計方案的超速110%和超速120%工況的各部位σeq／Rtp0.2的最大值分別為0.186 8、0.221 7、0.186 9、0.221 8，均小于1.0，即等效應(yīng)力均小于材料的屈服極限，滿足超速工況的強度設(shè)計判據(jù)。

3 原方案瞬態(tài)變工況的計算分析

3.1 瞬態(tài)變工況強度設(shè)計判據(jù)

根據(jù)文獻［1-2］，轉(zhuǎn)子瞬態(tài)變工況強度設(shè)計判據(jù)為：

3.2 瞬態(tài)變工況強度有限元結(jié)果

3.2.1 原方案冷態(tài)啟動計算結(jié)果

計算結(jié)果表明：無論是盤車12h還是盤車48h，高壓轉(zhuǎn)子冷態(tài)啟動過程σeq／Rtp0.2最大值均發(fā)生在2 400s時刻；等效應(yīng)力最大值出現(xiàn)在部位7，σeq＝790.761MPa，σeq／Rtp0.2＝1.296。

冷態(tài)啟動過程最危險時刻2 400s有7、8、10、23、24、29、31、32共計8個部位σeq／Rtp0.2超過了1.2，為了延長高壓轉(zhuǎn)子設(shè)計壽命，對這8個部位的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。

3.2.2 原方案溫態(tài)啟動計算結(jié)果

某型AP1000核電汽輪機的高壓轉(zhuǎn)子原設(shè)計方案的溫態(tài)啟動過程最危險時刻為900s。溫態(tài)啟動過程部位24的等效應(yīng)力最大，σeq＝217.612 MPa，Rtp0.2＝596.888MPa，σeq／Rtp0.2＝0.365＜2，遠小于瞬態(tài)變工況強度設(shè)計判據(jù)，表明溫態(tài)啟動過程中原設(shè)計方案的某型AP1000核電汽輪機轉(zhuǎn)子的瞬態(tài)強度合格。

3.2.3 原方案熱態(tài)啟動計算結(jié)果

某型AP1000核電汽輪機的高壓轉(zhuǎn)子原設(shè)計方案的熱態(tài)啟動過程最危險時刻為600s。熱態(tài)啟動過程600s時刻部位1等效應(yīng)力最大，σeq＝125.2MPa，Rtp0.2＝607.286MPa，σeq＜Rtp0.2，表明原設(shè)計方案熱態(tài)啟動過程的瞬態(tài)變工況強度是合格的。

3.2.4 原方案正常停機計算結(jié)果

某型AP1000核電汽輪機的高壓轉(zhuǎn)子原設(shè)計方案的正常停機過程最危險時刻為5 698s，正常停機過程5 698s時刻部位7等效應(yīng)力最大，σeq＝94.422MPa，Rtp0.2＝600.767MPa表明原設(shè)計方案正常停機過程的瞬態(tài)變工況強度是合格的。

3.2.5 原方案瞬態(tài)工況強度計算小結(jié)

根據(jù)對原設(shè)計方案某型AP1000高壓轉(zhuǎn)子盤車12h冷態(tài)啟動、盤車48h冷態(tài)啟動、溫態(tài)啟動、熱態(tài)啟動和正常停機過程的瞬態(tài)結(jié)構(gòu)有限元計算結(jié)果表明：原設(shè)計方案最危險時刻發(fā)生在盤車12h冷態(tài)啟動過程的2 400s時刻，等效應(yīng)力最大值出現(xiàn)在部位7，σeq＝790.761MPa，σeq／Rtp0.2＝1.296。冷態(tài)啟動過程最危險時刻2 400s有7、8、10、23、24、29、31、32共計8個部位σeq／Rtp0.2超過了1.2，為了延長轉(zhuǎn)子的設(shè)計壽命，應(yīng)對這8個部位進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進。

3.3 改進和最終方案變工況計算

根據(jù)原設(shè)計方案的額定負荷穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)變工況強度計算結(jié)果，針對原設(shè)計方案冷態(tài)啟動過程2 400s相對應(yīng)力超過1.2的8個部位進行了結(jié)構(gòu)改進，并形成了改進設(shè)計方案和最終設(shè)計方案。

原設(shè)計方案、改進設(shè)計方案和最終設(shè)計方案在冷態(tài)啟動2 400s時刻各典型部位σeq／Rtp0.2見圖4。

圖4 盤車12h冷態(tài)啟動2 400s相對應(yīng)力

由圖4可歸納得到表2，原設(shè)計方案有8個部位σeq／Rtp0.2超過1.2，改進設(shè)計方案有6個，最終設(shè)計方案各部位σeq／Rtp0.2均小于1.2，表明某型AP1000核電高壓轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進達到了降低應(yīng)力的效果。

表2 三個方案冷態(tài)啟動2 400s危險部位相對應(yīng)力

4 結(jié)語

（1）經(jīng)穩(wěn)態(tài)工況溫度場與應(yīng)力場的有限元數(shù)值計算及強度分析，某型AP1000汽輪機高壓轉(zhuǎn)子原設(shè)計方案、最終設(shè)計方案在額定負荷穩(wěn)態(tài)工況強度和應(yīng)力腐蝕強度均符合強度設(shè)計判據(jù)，該轉(zhuǎn)子額定負荷穩(wěn)態(tài)工況強度和應(yīng)力腐蝕強度的設(shè)計是合格的。

（2）經(jīng)某型AP1000汽輪機高壓轉(zhuǎn)子原設(shè)計方案的盤車12h冷態(tài)啟動、盤車48h冷態(tài)啟動、溫態(tài)啟動、熱態(tài)啟動和正常停機5個過程的瞬態(tài)變工況溫度場與應(yīng)力場的有限元數(shù)值計算及強度分析，其中盤車12h冷態(tài)啟動過程中在2 400s時刻有8個部位σeq／Rtp0.2＞1.2。根據(jù)冷態(tài)啟動的計算結(jié)果對原設(shè)計方案進行了結(jié)構(gòu)改進，形成了改進設(shè)計方案和最終設(shè)計方案。

（3）改進設(shè)計方案和最終設(shè)計方案分別提出8個部位的改進措施，針對這兩個方案分別進行了盤車12h冷態(tài)啟動、盤車48h冷態(tài)啟動、溫態(tài)啟動、熱態(tài)啟動和正常停機5個過程的瞬態(tài)變工況溫度場與應(yīng)力場的有限元數(shù)值計算及強度分析。最終設(shè)計方案中各工況、各部位、各時刻的相對應(yīng)力均小于1.2，達到了增大強度設(shè)計安全裕量的作用。由此表明某型AP 1000核電汽輪機高壓轉(zhuǎn)子的最終設(shè)計方案瞬態(tài)變工況強度設(shè)計是合格的，結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進有利于延長設(shè)計壽命。

（4）針對原設(shè)計方案和最終設(shè)計方案分別進行了超速110%和超速120%工況的強度計算，分析表明，原設(shè)計方案和最終設(shè)計方案超速工況下各部位相對應(yīng)力均小于1，符合強度設(shè)計判據(jù)，超速工況的強度設(shè)計均合格。

綜上所述，某型AP1000核電高壓轉(zhuǎn)子最終設(shè)計方案的額定負荷強度、應(yīng)力腐蝕強度、瞬態(tài)變工況強度及超速試驗強度均符合強度設(shè)計判據(jù)，其強度設(shè)計合格，將有利于汽輪機長周期安全運行。

［1］史進淵，楊宇，鄧志成，等 .汽輪機零部件強度有限元分析的設(shè)計判據(jù)［J］.熱力透平，2011，40（1）：22-27.

［2］史進淵，楊宇，鄧志成，等 .大功率電站汽輪機壽命預(yù)測與可靠性設(shè)計［M］.北京：中國電力出版社，2011.