某超临界350 MW机组中压高温段转子轮槽强度分析.pdf

第52 卷第3 期2023年0 9 月文章编号：16 7 2-5549(2 0 2 3)0 3-0 2 0 8-0 4摘要：国家要求火电机组达到更高的清洁高效水平，汽轮机正朝着高参数、大容量方向发展，因此汽轮机转子承受的离心力载荷、汽流力载荷和热应力负荷逐步攀升，转子因高温而引起的蠕变失效成为了一个瓶颈问题。以某超临界3 50 MW汽轮机中压转子为研究对象,计算分析了高温段转子轮槽的蠕变应变，对不同设计方案下转子轮槽的应力强度进行分析，结果显示超临界汽轮机的转子蠕变的同时会发生应力重新分布，高变应变区域主要集中在各级轮槽处，该区域的蠕变强度需要满足多轴蠕变应变的考核标准。研究成果可以确保高温段转子轮槽强度满足考核要求，为研发新型高参数、高性能的超临界汽轮机机组奠定坚实的基础。关键词：超临界汽轮机；蠕变；转子轮槽中图分类号：TK263.6Analysis on Creep Strength of Rotor Groove in Intermediate PressureHigh Temperature Section of a Supercritical 350 MW UnitXI Minling,ZHANG Hongmei?,GAO Yanlil,LUO Anping,GENG Mingyao?(1.Shaanxi Energy Linbei Power Generation Co.,Ltd.,Baoji 721500,China;2.Shanghai Turbine Works Co.,Ltd.,Shanghai 200240,China)Abstract:With the increase of requirements for higher level of cleanliness and efficiency in coal-fired powergeneration,steam turbines are developing towards the direction of high parameters and lage power output.Therefore,the centrifugal force load,airflow force load and thermal stress load on the rotor of steam turbines have been risinggradually,so the creep failure of the rotor due to high temperature becomes a bottleneck problem.Taking theintermediate pressure rotor of a supercritical 350 MW turbine as research objective,the creep strain of the rotor groovein high temperature section is calculated and analyzed,and the stress intensity of the rotor groove in different designschemes is analyzed.The results show that the rotor creep of supercritical turbine is accompanied by stressredistribution,and the regions of high creep strain mainly concentrate at the rotor grooves of all stages,where theassessment standard of multi-axial creep strain is acquired to be met.The research results can ensure that the strengthof rotor groove in high temperature section meets the assessment requirements,and lay a solid foundation for theresearch and development of new type of high-parameter,high-performance supercritical steam turbine units.Key words:supercritical steam turbine;creep;rotor groove超临界参数汽轮机的运行效率和环境效益相比于亚临界参数汽轮机均有显著优势。由于国家推行“节能减排、上大压小”的政策，并且国内采暖抽汽和工业抽汽需求量日益增大，未来一段时间内,超临界3 50 MW机组将在热电联供项目中占据主导地位,其国内国际市场前景广阔,因此开热力透平THERMALTURBINE超临界3 50 MW木机组中压高温段转子轮槽强度分析习敏玲，张红梅,高延利，罗安平,耿铭垚（1.陕西能源麟北发电有限公司，宝鸡7 2 150 0；2.上海汽轮机厂有限公司，上海2 0 0 2 40）文献标志码：AVol.52No.3Sep.2023doi:10.13707/ki.31-1922/th.2023.03.009发具有优势的新型超临界机组势在必行 1-2 1上海汽轮机厂开发的新型超临界3 50 MW等级汽轮机机组为一次中间再热、单轴、两缸两排汽（高中压合缸）、凝汽式汽轮机，参数为进汽压力24.2MPa、主汽温度56 6、再热蒸汽温度56 6。该机组的设计采用了独特的先进整体通流技收稿日期：2 0 2 3-0 6-2 0作者简介：习敏玲（19 7 3 一），女，毕业于全国高等教育自学考试热能动力专业，大专，助理工程师，现从事火电厂汽轮机专业技术管理工作。208修订日期：2 0 2 3-0 7-2 5(n+0.5)0(3)某超临界3 50 MW机组中压高温段转子轮槽强度分析术,大大提高了机组的热效率和经济性。随着进汽参数的不断提高，中压转子在高温高压的蒸汽环境下工作，一些区域的工作温度超出了转子材料的蠕变温度。特别是转子轮槽部位长期受到叶片离心力等载荷，其蠕变变形不可避免 3 。进行中压通流设计时，高温段轮缘强度已经成为瓶颈问题，这在一定程度上限制了新产品的研发。运行过程中，如果转子蠕变变形过大，就会使各个点的离心力和力矩无法平衡，从而使转子受到呈周期性变化的干扰力,导致机组振动 4。为了使机组平稳安全地运行，预测转子的蠕变损伤，建立相应的蠕变强度考核标准是十分必要的 5。本文以某超临界3 50 MW机组中压转子为研究对象，建立中压转子（包含前3 级叶根槽）的有限元模型，并对其在服役10 万h及2 0 万h后的蠕变行为进行计算、考核，分析转子轮槽结构的强度，旨在获得安全可靠的中压转子轮槽设计方案。1d蠕变强度研究方法1.1单轴蠕变方程单轴蠕变方程能够实现材料蠕变特性的基础分析和初步评估,从而判断材料蠕变性能的优劣。影响材料蠕变的3 个因素分别为应力、温度和时间,这三者共同决定了蠕变应变 6 ,因此可以用同一组方程来描述材料的变，即温度、应力和时间应该满足下述关系式：8。=f(t,g,T)式中：8.为蠕变应变;t为时间;为应力;T为温度。由于蠕变变形的物理过程十分复杂，在众多蠕变方程中,Norton-Baily蠕变幂率模型可以较好地描述蠕变第1阶段和第2 阶段的速率 7 。此方程中的蠕变速率随时间的增加而降低，故又被称为时间硬化方程。Norton-Baily方程把蠕变变形速率表达为应力和时间的函数关系 8 ,即：3=Aotm式中：为蠕变应变速率；为材料所受到的应力；t为时间;A、n、m 为材料的蠕变系数，一般与材料属性和温度有关。1.2多轴蠕变方程中压转子在工作中受到复杂载荷的影响,其工作环境恶劣。因此,在转子的蠕变强度设计中，热力透平需考虑多轴状态的影响,建立多轴应力下的蠕变方程。Wichtmann9对复杂三轴应力状态下的蠕变等效应变计算方法进行了研究,提出了Cocks-Ashby模型,该模型能够快速处理复杂结构的单轴蠕变与多轴蠕变之间的转换。在一系列假设条件下,多轴蠕变与单轴蠕变之间的关联式如下：sin 2(n-0.5).8unCA8mn式中：FcA为Cocks-Ashby系数，s%、e m分别为单轴蠕变应变和多轴蠕变应变;n为材料蠕变实验的Norton指数；HvQeq分别为静水应力和Mises等效应力。超临界汽轮机的中压转子不仅承受高温高压蒸汽的不断冲刷,还要承受自身的离心力作用，其受到的应力复杂，处于典型的多轴蠕变状态。Cocks-Ashby关联式给出了一种根据转子材料单轴蠕变实验数据和实际应力来确定多轴蠕变的有效方法 10-1O2蠕变强度计算及分析2.1计算模型及边界条件本文的研究对象为某超临界3 50 MW机组中压转子，再热蒸汽压力为4.7 0 MPa，温度为56 9，质量流量为119 8 t/h，材料为3 0 CrlMolV,工(1)作转速为3 0 0 0 r/min。在高温区域的叶根轮槽处，进汽温度极高且直接作用在转子表面，转子轮槽可能存在一定蠕变失效的风险,因此需对中压进口高温区域的转子进行蠕变强度计算分析。中压前3 级转子结构网络模型采用简化的二维轴对称模型,如图1所示。为了增加计算的准确性,精确绘制了叶根轮槽的局部结构尺寸，并对关键部位的网格进行了加密。为了减小转子截断面边界对温度场计算结果的影响,将前3 级转子模型在(2)轴向做了适当的延长。图1转子结构网络模型sinh3(n+0.5)209第3 期计算过程主要分为转子稳态温度场计算、离心力作用下的转子应力计算、离心力和温度场共同作用下10 万h和2 0 万h的蠕变计算。计算中边界条件分为热边界和力边界。计算工况为额定负荷工况，转子各级表面蒸汽温度按照通流各级叶片出口数据线性分布施加，转子表面传热系数根据经验公式计算得出。计算中的具体参数如表1所示。转子自身受离心力的作用，同时叶片由于离心力影响而对转子施加了拉力，这是转子的力边界条件。表1额定负荷工况中压通流前3 级叶片汽流数据项目第1级静叶前温度/565静叶前压力/MPa4.688动叶前温度/549.4动叶前压力/MPa4.299 62.2转子稳态温度与应力分析本文使用Abaqus有限元软件，根据2.1节中所描述的有限元模型与计算边界条件对转子稳态温度与应力进行分析。图2 为温度取56 5及传热系数取10 0 0 W/（m K）条件下的转子稳态温度场分布图，图3 为转子前3 级叶根槽在离心力和温度场共同作用下转子的应力场分布图。温度/564.7555.6551.1546.4537.2528.2523.5518.9514.3509.7应力/MPa396.3363.5330.7265.1232.3166.7133.968.335.526.7图3 离心力和温度场共同作用下转子应力场分布从图2 的温度场分布图可知，转子温度总体210某超临界3 50 MW机组中压高温段转子轮槽强度分析趋势由左向右逐渐下降,最高温度接近56 5，在温度场计算中，选用的热边界条件为第3 类强制对流换热，因此温度场的温度分布取决于给定温度及给定的传热系数。从图3 的应力场分布可知，转子不仅承受高温高压的蒸汽冲击，还承受转子本身的惯性力和安装在转子上的叶片所带来的离心拉力，这导致应力集中在叶根槽部位，其中最大应力出现在第3 级轮槽进汽侧承压面的圆角处。实际操作中通常以蠕变持久强度作为考核部件蠕变强度的标准。在高温蠕变变形的过程中，第2 级第3 级543.0526.24.118 23.713 3532.2515.23.861 03.475 4图2 转子温度场分布部件变形会导致应力降低和应力场的重新分布。因此,要评估一定时间内转子的蠕变强度是否符合设计要求，通常用蠕变等效应变量来代替蠕变持久强度。经过10 万h稳定运行，汽轮机转子的最大应力降幅为58.2 3%。经过2 0 万h稳定运行，汽轮机转子的最大应力降幅为58.53%。中压转子在稳定运行的过程中出现了应力松弛，这是因为转子在高温区发生了蠕变，应力下降程度明显。随着时间的推移,应力逐渐降低，蠕变速率受应力控制，二者相互影响，使应力变化减缓并趋于稳定。多轴蠕变应变较大的区域主要集中在转子轮槽附近。各级轮槽位置编号如图4所示，各级轮槽附近的蠕变应变计算结果如表2 所示,其中为多轴蠕变应变与工程设计许用值的比值。10图4中压转子前3 级轮槽关键部位示意表2 日中压进口区域蠕变应变计算结果位置位置编号接触面边界552.721圆弧接触面边界540.972圆弧接触面边界551.853圆弧a温度/10万h蠕变20万h变0.2100.363554.120.3830.200539.900.2600.203552.750.4870.5230.2330.3830.4230.693某超临界3 50 MW机组中压高温段转子轮槽强度分析（续表2）位置a位置温度/编号10万 h蠕变20万h蠕变接触面边界542.344圆弧接触面边界533.575圆弧接触面边界526.136圆弧接触面边界534.377圆弧8接触面边界528.16圆弧527.66接触面边界519.999圆弧接触面边界514.1810圆弧由表2 可知,蠕变应变主要集中在轮槽圆弧角处,最大主应变位于第3 级叶根槽处。经过10万h和2 0 万h蠕变后，中压转子第3 级叶根槽的多轴蠕变应变与工程设计许用值之比为0.540和0.7 3 3，这证明该转子前3 级叶根槽的高温蠕变强度能够满足工程设计的要求。3 结 论针对某超临界3 50 MW机组，本文根据中压通流设计参数分析了机组运行工况，对汽轮机中压转子高温区域所受到的多轴蠕变应变进行了评估与分析,得到了以下结论：1)该超临界汽轮机中压转子的多轴蠕变应变计算结果显示，蠕变的同时会发生应力重新分布,高蠕变应变区域集中在各级轮槽处,该区域的蠕变强度满足多轴蠕变应变考核标准；2)稳态工况下,转子高温区存在明显的多轴效应，发生较大多轴蠕变的区域位于转子的各级轮槽处,且最大的蠕变应变发生在第3 级叶根槽热力透平圆弧角处,其在工程允许的范围之内。本文对某超临界汽轮机中压转子高温区域叶根槽进行了详实的有限元计算分析，研究成果可0.3130.507541.640.3200.153534.620.1970.093525.450.1400.157535.360.2970.1530.2200.417520.970.5400.270514.150.417为超临界机组的安全运行提供有力的保障，同时0.463可为超临界汽轮机现役机组的运行以及新型高参0.220数、大容量机组的设计提供借鉴。0.2900.1370.2030.2530.4230.1970.3170.5630.7330.3770.543参考文献：1】刘堂礼.超临界和超超临界技术及其发展J.广东电力，2007,20(1):17-22.2】上海汽轮机有限公司总师办情报室.引进型百万千瓦超超临界汽轮机文集 R.上海：上海汽轮机有限公司,2 0 0 4.3 邵文睿,王炜哲,蒋普宁，等.6 6 0 MW超超临界汽轮机高压转子的高温蠕变强度分析 J动力工程，2 0 0 9,2 9（2）：9 9-103.4 J HOLZMANN M,DLOUHY I,VLACH B,et al.Degradation ofmechanical properties of Cr-Mo-V and Cr-Mo-V-W steam tur-bine rotors after long-term operation at elevated temperatures.Part I:tensile properties,intergranular fracture strength and im-pact tests J.International Journal of Pressure Vessels and 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