劉偉

（中國船舶重工集團公司第七0三研究所，黑龍江 哈爾濱 150078）

汽輪機起動過程溫升分配對轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力的影響分析

劉偉

（中國船舶重工集團公司第七0三研究所，黑龍江 哈爾濱 150078）

為了使汽輪機處于正常工作狀態(tài)，有必要確保汽輪機在運行中的可靠性及安全性。相關(guān)研究表明：汽輪機轉(zhuǎn)子在起停過程中的熱應(yīng)力加以減弱的情況下，能夠使轉(zhuǎn)子由于熱疲勞而形成的裂紋得到有效控制。為了使汽輪機在起動過程中的轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力得到有效減弱，同時使起動時間得到有效縮短，有必要對汽輪機起動過程的溫升進行合理分配。本文在對汽輪機及轉(zhuǎn)子相關(guān)內(nèi)容進行概述的情況下，進一步對轉(zhuǎn)子溫度場及應(yīng)力場相關(guān)問題進行分析，并探究了汽輪機起動過程溫升分配對轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力的影響，以此為汽輪機機組可靠、安全運行的實現(xiàn)提供參考。

汽輪機；起動過程；溫升分配；影響

對汽輪機起停過程中轉(zhuǎn)子的熱應(yīng)力及起動時間加以控制，能夠使機組的經(jīng)濟性及安全性得到有效保障，同時還能夠起到保護環(huán)境的作用。因此，綜合考慮，對“汽輪機起動過程溫升分配對轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力的影響”進行分析，能夠進一步了解汽輪機的運行情況，進而為其運行效益的提升提供參考建議。

1 汽輪機及轉(zhuǎn)子相關(guān)內(nèi)容概述

1.1 轉(zhuǎn)子及熱效應(yīng)控制分析

在汽輪機當(dāng)中，轉(zhuǎn)子是一大核心部件，通常在高溫、高壓以及高轉(zhuǎn)速等環(huán)境下工作?；诶鋺B(tài)起動期間，轉(zhuǎn)子會被蒸汽加熱，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子表層溫度的升高速度加快，并且在此過程中易受到壓應(yīng)力的作用。而在停機期間，則恰恰相反，在轉(zhuǎn)子表面容易遭遇拉應(yīng)力的作用。在起、停機過程中，轉(zhuǎn)子表面的熱應(yīng)力會有拉、壓變化發(fā)生，進而致使轉(zhuǎn)子發(fā)生疲勞壽命損耗，在嚴(yán)重情況下還會使轉(zhuǎn)子表面有裂紋產(chǎn)生，進而使機組的可靠、安全運行受到很大程度的考驗。從我國現(xiàn)狀來看，機組起動速度緩慢的情況較為多見，進而容易引發(fā)經(jīng)濟效益低下以及環(huán)境污染等一系列問題。所以，綜合考慮，有必要對起停機過程中轉(zhuǎn)子的熱應(yīng)力加以控制及優(yōu)化，同時控制機組的起動時間，以此使機組的安全性及經(jīng)濟性得到有效保障，并使環(huán)境污染問題得到有效解決。

1.2 相關(guān)研究進展分析

有研究者利用有限元法起動中壓缸，以600 MW的汽輪機為例，對其在超臨界狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子不同起停工況下的瞬態(tài)溫度場以及應(yīng)力場進行了分析，進一步對轉(zhuǎn)子的疲勞蠕變壽命消耗進行了估算。同時，還有研究者對損傷力學(xué)方法加以應(yīng)用，分析了300 MW汽輪機轉(zhuǎn)子低周疲勞—蠕變非線性損傷情況。此外，國外有學(xué)者優(yōu)化了某電廠汽輪機組起動曲線，在采取相應(yīng)的試驗策略的情況下，使得轉(zhuǎn)子起動應(yīng)力得到有效降低。結(jié)合諸多學(xué)者的研究，雖然取得了不同的成果，但一致認(rèn)為：汽輪機起動過程溫升分配會對轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力產(chǎn)生很大程度的影響。所以，從汽輪機運行的可靠性及安全性角度考慮，了解、掌握其中存在的影響非常關(guān)鍵。

2 轉(zhuǎn)子溫度場及應(yīng)力場相關(guān)問題分析

對于汽輪機轉(zhuǎn)子來說，屬于一種典型的軸對稱構(gòu)建，在對其進行計算分析過程中，需采取相應(yīng)的模型。而對于其中的轉(zhuǎn)子溫度場及應(yīng)力場問題，還有待進一步探究。具體內(nèi)容包括以下幾點。

2.1 轉(zhuǎn)子溫度場計算

上述提到，汽輪機轉(zhuǎn)子為一類典型的軸對稱構(gòu)建，所以在對其進行計算過程中，需考慮軸對稱模型。在對轉(zhuǎn)子非穩(wěn)態(tài)溫度場進行計算過程中，可將轉(zhuǎn)子視為一類均勻、各向同性，且不存在內(nèi)熱源的一種物體，在計算過程中，將其定義為一類非定常溫度函數(shù)問題的求解，在具體求解過程中，需考慮到的系數(shù)包括：其一，材料熱導(dǎo)率；其二，材料密度；其三，材料比熱容；其四，軸向坐標(biāo)；其五，徑向坐標(biāo)；其六，時間。此外，由于轉(zhuǎn)子外表面為對流換熱邊界的條件，也就是第三類熱邊界條件，因此在邊界上需考慮相應(yīng)的系數(shù)，即：轉(zhuǎn)子表面蒸汽溫度、表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)以及轉(zhuǎn)子表面法向。

2.2 轉(zhuǎn)子應(yīng)力場計算

在這里，針對汽輪機轉(zhuǎn)子應(yīng)力場，基于計算過程中，所采取的是彈塑性計算，并利用了雙線性隨動強化模型。此模型把簡單拉伸試驗所獲取的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線進行簡化，主要簡化為2段折線，在計算過程中，同樣需要考慮到一些參數(shù)，包括：其一，彈性模量；其二，切線模量；其三，屈服應(yīng)力及對應(yīng)應(yīng)變。同時，在應(yīng)力計算過程中，如果使用雙線性隨動強化模型，那么值得注意的是屈服點的判斷。并且，在計算期間，通常會使用Von.Mises屈服準(zhǔn)則對材料進行判斷，看其在什么時候屈服。一般情況下，在等效應(yīng)力到屈服極限的情況下，材料便會進入屈服狀態(tài)，進而便可以對材料進行判斷，看材料是處于彈性狀態(tài)，還是處于塑性狀態(tài)。

3 汽輪機起動過程溫升分配對轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力的影響探究

結(jié)合上述分析，認(rèn)識到在考慮轉(zhuǎn)子溫度場及應(yīng)力場相關(guān)問題的時候，需注意的是轉(zhuǎn)子溫度場及應(yīng)力場的計算。近年來，不少學(xué)者研究表明，汽輪機起動過程溫升分配會對轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力產(chǎn)生一定程度的影響。下面以某亞臨界660 MW汽輪機高中壓轉(zhuǎn)子為例，其轉(zhuǎn)子長度大概為8 m，高中壓缸一共有12級，當(dāng)中高壓有7級，中壓則有5級。如圖1所示，為轉(zhuǎn)子軸向剖面圖。

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