丁繼偉，李巖

基于彈塑性理論的燃機轉(zhuǎn)子壽命分析

丁繼偉，李巖

（哈爾濱電氣股份有限公司，黑龍江省 哈爾濱市 150028）

深圳南天電廠用于聯(lián)合循環(huán)的13E2型燃氣輪機出現(xiàn)壓氣機轉(zhuǎn)子裂紋事故，為準確預測同類機組的疲勞壽命，基于彈塑性理論，考慮溫度場與離心力對燃機壓氣機轉(zhuǎn)子疲勞壽命的影響，建立該型燃氣輪機壓氣機轉(zhuǎn)子的有限元熱-固耦合數(shù)值仿真模型?；诘椭芷诶碚摚嬎阍撊細廨啓C壓氣機轉(zhuǎn)子的疲勞壽命壽命為5333次，該燃氣輪機壓氣機轉(zhuǎn)子在電廠的實際疲勞壽命為4435次，計算誤差在20%以內(nèi)。利用該方法可以較準確地估算燃氣輪機轉(zhuǎn)子的壽命。

燃機；轉(zhuǎn)子；低周疲勞；數(shù)值仿真

0 引言

聯(lián)合循環(huán)機組因其效率高、污染小的優(yōu)點而被廣泛應用于發(fā)電站[1]，在機組反復啟停機過程中，各部件承受著交變載荷的作用，導致疲勞事故的發(fā)生，航空發(fā)動機與地面燃機同樣存在大量疲勞事故[2-7]。深圳南天電廠用于聯(lián)合循環(huán)的GT13E2型燃氣輪機，由阿爾斯通生產(chǎn)，簡單循環(huán)功率為174MW，聯(lián)合循環(huán)功率為250MW，于1995年投產(chǎn)，在2014年第9次大修時(運行情況：啟動4435次，運行時間73681h，等效運行時間229040h)發(fā)現(xiàn)，第20、21級壓氣機轉(zhuǎn)子固定葉片的2條彈性管槽處出現(xiàn)裂紋，如圖1、2所示。出現(xiàn)這種裂紋的主要原因是由反復啟機停機、變工況而引起的低周疲勞[8-9]。本文將以該型燃機壓氣機轉(zhuǎn)子的熱-固耦合數(shù)值仿真為基礎，結(jié)合疲勞壽命理論，分析該型燃機壓氣機轉(zhuǎn)子的疲勞壽命。

圖1 壓氣機轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生裂紋的位置

圖2 機組實際裂紋

1 數(shù)值仿真建模

1.1 幾何建模

所建立的幾何模型如圖3所示，為提高計算效率及減小對硬件資源的需求，取轉(zhuǎn)子的30扇區(qū)作為計算模型，并在第20級、21級分別裝配3只葉片、4只隔葉塊。在彈性管槽內(nèi)裝配有彈性管，彈性管用于彈起葉片，葉片將隔葉塊頂起，被頂起后的隔葉塊與輪盤的榫槽相配合，達到固定葉片的目的。

圖3 幾何模型

1.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格模型如圖4所示，為結(jié)構化網(wǎng)格，網(wǎng)格的總數(shù)為31.3萬，其中六面體網(wǎng)格28.9萬個，五面體2.4萬個。對重點考核部位轉(zhuǎn)子彈性管槽進行了網(wǎng)格加密，接觸面位置的網(wǎng)格匹配度較好，且均為六面體網(wǎng)格，其余位置的網(wǎng)格較為稀疏。

圖4 網(wǎng)格模型

1.3 邊界條件及載荷

本文主要考慮溫度場與離心力共同作用的 熱-固耦合。該機組壓氣機的材料牌號為St572S (26NiCrMoV11-5)，溫度場的數(shù)據(jù)由流體組提供，計算部位的溫度及溫升速率如表1所示。因為流體網(wǎng)格與固體網(wǎng)格的不匹配，本文通過編寫流固網(wǎng)格的插值程序，來實現(xiàn)固體表面溫度邊界條件的賦值。該燃機的轉(zhuǎn)速為3000r/min。

輪盤的軸向端面與輪盤底部在柱坐標系下全約束，輪盤扇區(qū)切面處約束周向，最外側(cè)隔葉塊約束周向。各隔葉塊與輪盤之間、隔葉塊與葉片之間建立接觸，摩擦系數(shù)為0.1，法向為硬接觸。

表1 計算部位的溫度及升溫速率

2 數(shù)值仿真結(jié)果分析

數(shù)值仿真結(jié)果如圖5—8所示。經(jīng)過對比， 圖5中經(jīng)過插值得到的溫度場計算結(jié)果與流體組計算出的結(jié)果吻合。只有離心力作用下的應力場計算結(jié)果如圖6所示，可以看出，第21級出氣邊彈性管槽的最大應力約為404MPa，進氣邊的最大應力約為382MPa，第20級出氣邊彈性管槽的最大應力約為249MPa，進氣邊最大應力約為223MPa；只有溫度場作用下的應力場計算結(jié)果如圖7所示，可以看出：第21級出氣邊彈性管槽的最大應力約為338MPa，進氣邊的最大應力約為301MPa，第20級出氣邊彈性管槽的最大應力約為265MPa，進氣邊最大應力約為248MPa；離心力與溫度場共同作用下的應力場計算結(jié)果如圖8所示，可以看出，第21級出氣邊彈性管槽的最大應力約為977MPa，進氣邊的最大應力約為998MPa，第20級出氣邊彈性管槽的最大應力約為848MPa，進氣邊最大應力約為771MPa。最大應力分布于葉根壓迫彈性管槽的區(qū)域，高應力區(qū)的位置較為合理。在21級出口側(cè)，存在一定的應力集中，主要是由于計算過程中約束邊界所引起的，在實際機組運行中是不存在的，所以不在考核的范圍之內(nèi)。

圖5 溫度場計算結(jié)果

圖6 只有離心力作用下的應力場計算結(jié)果

圖7 只有溫度場作用下的應力場計算結(jié)果

圖8 離心力與溫度場共同作用下的應力場計算結(jié)果

3 輪盤的壽命預測

3.1 疲勞壽命預測模型

選用Morrow平均應力修正Manson-Conffin公式作為疲勞壽命預測模型，該方法被廣泛應用于低周疲勞壽命預測，Manson-Conffin公式[10-12]為

Morrow修正的Manson-Conffin公式[13]為

材料參數(shù)利用通用斜率法[14]獲?。?/p>

3.2 疲勞壽命結(jié)果分析

利用疲勞壽命軟件，輸入相應的材料參數(shù)、載荷譜及相應的彈塑性分析結(jié)果，選取帶Morrow修正的Manson-Conffin公式作為壽命分析算法，得到的壽命結(jié)果如圖9所示。壽命最小的位置出現(xiàn)在第21級榫槽的進氣側(cè)彈性管槽內(nèi)，大小為 5333次；第21級榫槽的出氣側(cè)彈性管槽內(nèi)的壽命為6309次，第20級榫槽彈性管槽內(nèi)的壽命為12000次左右，壽命較短的位置均出現(xiàn)在應力較大的位置。該機組的實際運行情況是：2014年第9次大修時(啟動4435次)，在固定壓氣機葉片的2條彈性管內(nèi)發(fā)現(xiàn)裂紋，裂紋出現(xiàn)的位置與計算結(jié)果相同，但數(shù)值計算結(jié)果要大于機組實際運行的循環(huán)次數(shù)，主要是數(shù)值計算未考慮結(jié)構、加工、工藝等因素對疲勞壽命的影響[15]。

圖9 壽命分析結(jié)果

4 結(jié)論

針對GT13E2聯(lián)合循環(huán)用燃氣輪機出現(xiàn)的壓氣機轉(zhuǎn)子裂紋事故進行了數(shù)值仿真與疲勞壽命計算，疲勞壽命計算結(jié)果比實際情況大20%，主要是數(shù)值計算未考慮結(jié)構、加工、工藝等因素對疲勞壽命的影響。

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Analysis on Gas Turbine Rotor Life Based on Elastoplastic Theory

DING Jiwei, LI Yan

(Harbin Electric Group Co., LTD, Harbin 150028, Heilongjiang Province, China)

A compressor rotor crack accident occurred in 13E2 gas turbine used for combined cycle in Shenzhen Nantian Power Plant. To accurately predict the fatigue life of similar units, based on elastic-plastic theory, considering the influence of temperature field and centrifugal force on fatigue life of compressor compressor rotor, the finite element thermo-solid coupling numerical simulation model of the compressor rotor of the gas turbine was established. Based on the low cycle fatigue theory, it is calculated that the fatigue life of the gas turbine compressor rotor is 5333 times, and the actual fatigue life of the compressor rotor of the gas turbine in the power plant is 4435 times. The calculation error is within 20%. This method can be used to estimate the rotor life of gas turbine accurately.

turbine; rotor; low cycle fatigue; numerical simulation

10.12096/j.2096-4528.pgt.18183

TK 47

2019-01-10。

(責任編輯 車德競)