高参数机组调节级喷嘴叶栅热应力分析

2012-04-13张瑞青

科技视界 2012年26期

关键词：热应力应力场汽轮机

张瑞青

（沈阳工程学院能源与动力工程系辽宁沈阳 110136）

高参数机组调节级喷嘴叶栅热应力分析

张瑞青

（沈阳工程学院能源与动力工程系辽宁沈阳 110136）

随着超临界机组甚至是超超临界机组应用越来越广泛，在变工况条件下，调节级部分的工作环境变得更加恶劣。本文以某600MW超超临界汽轮机为例，应用ANSYS建立了调节级喷嘴室的有限元分析模型，得到了变工况下应力分布规律，模拟出整个调节级喷嘴室、喷嘴的应力分布图，了解喷嘴室、喷嘴叶栅应力最高的部分，为研究机组变工况下热应力的分析提供了理论基础，并为机组的启动优化提供了参考。

调节级；喷嘴组；热应力；温度场

0 引言

超超临界汽轮机具有大容量、高参数的特性，进汽蒸汽的温度超过600℃，压力达27MPa。机组配汽方式为喷嘴配汽，其调节级分为几个喷嘴组，每一组各由一个调节汽门控制，蒸汽要经过几个依次开启或关闭的调节汽门，以改变调节级的通流面积控制进入汽轮机的蒸汽量。但汽轮机在启停以及变负荷运行等非稳定工况时，喷嘴调节方式会导致主要部件温度梯度较大，引起高压缸各级相当大的热应力和热变形，致使机组寿命损耗[1-2]。本文采用有限元分析方法，通过对汽轮机调节级热应力场进行分析，模拟出整个调节级喷嘴室的应力分布图，以便了解喷嘴热应力最高的部分，并为机组的变工况运行提供参考。

1 调节级喷嘴的应力场模型

1.1 温度场模型

在计算稳定工况下调节级喷嘴的温度场时，可认为进汽室和喷嘴组壁面是一个均匀、各向同性并且内无热源的模型，属于解轴对称定常温度函数问题，温度满足下列偏微分方程[3]：

式中，τ 为时间间隔，s；r、z分别为径向、轴向坐标轴，m；λ为材料的导热率，W/（m.℃）；ρ为材料的密度，kg/m3；Cp为材料的比热，J/（kg.℃）。

求解该微分方程的初始条件为物体边界上的温度函数已知的第一类边界条件，即：

其中，Γ 为物体边界；为已知温度；f（r，z，t）为已知温度函数

喷嘴组其外表面可作为已知放热系数及介质温度的第三类边界条件，即：

其中，tf为流体介质的温度，℃；h为蒸汽与喷嘴组放热系数，W/（m2.℃）。

1.2 应力场模型

将进汽室及喷嘴组截面简化为圆柱模型，然后采用解析方法计算出热应力。在汽轮机的启动、停机和变负荷过程中，圆柱任意半径r处的径向热应力σr、切向热应力σθ和轴向热应力σz的计算公式分别为[4]：

式中：α为工作温度下材料的线膨胀系数；E为工作温度下材料的弹性模量；μ为工作温度下材料的泊松比；θm为圆柱体积平均温度；t为圆柱半径r处的工作温度。

1.3 几何模型

建模时将600MW超超临界汽轮机进汽室及喷嘴组截面作为研究对象。按结构图纸取进汽室内半径0.075m，外半径0.13，喷嘴截面长 0.08m，进口高 0.043m，出口高 0.032m，划分网格后的几何模型如图1所示。

图1 有限元模型网格划分

2 计算实例

2.1 材料物性参数的确定

采用有限元模拟调节级进汽室及喷嘴的温度场和应力场时，材料的物理性能参数的选取直接影响到温度场和应力场计算结果的准确性。材料的物性参数如导热系数及热膨胀系数等均是依赖于温度的，其值随着温度而改变，但由于材料在高温下的导热实验数据不易获得，因此本文分析过程中将其作为常量处理，即不考虑材料对温度的非线性效应。

根据该汽轮机相关资料，得到调节级喷嘴室及喷嘴材料为CrMoVNbN合金钢，其主要物性参数中密度为7750kg/m3，弹性模量为2.06×1011Pa，泊松比为0.3。

2.2 初始条件的确定

根据机组运行数据得到不同负荷时调节级金属对应的温度作为初始条件，如表1所示。

表1 调节级温度与机组负荷值记录

2.3 应力场分布

图2 机组负荷为600MW时的等效应力场分布图

调节级喷嘴室和喷嘴受到热冲击时会发生体积和形状的改变，故应根据第四强度理论判断其应力水平。ANSYS中的等效应力(Von Mises stress)是程序根据第四强度理论计算获得的[5]。因为在实际中很难找到真正的单轴拉压的情况，一般结构的受力都没有这么简单，所以在分析的时候需要用等效应力来将各主应力进行转化，因此应该用等效应力来描述应力集中的现象，来绘制各工况下的等效应力图。图2为600MW负荷时的等效应力场分布图。

同理计算各工况下调节级喷嘴室和喷嘴的最大、最小应力和平均应力水平，统计数据如表2所示，应力单位为Pa。