某型AP1000核电汽轮机高压转子强度计算分析与优化改进

杨 宇，汪 勇，史进渊，邓志成

（上海发电设备成套设计研究院，上海200240）

为了保证某型AP1000核电汽轮机的长周期安全运行，必须对汽轮机高压转子的强度进行计算分析和研究。针对原设计方案完成了7项计算分析研究工作：额定负荷稳态工况温度场和应力场计算；冷态启动过程瞬态温度场和应力场计算；温态启动过程瞬态温度场和应力场计算；热态启动过程瞬态温度场和应力场计算；正常停机过程瞬态温度场和应力场计算；110%超速试验过程瞬态温度场和应力场计算；120%超速运行过程瞬态温度场和应力场计算。经计算分析，某型AP1000核电汽轮机高压转子原设计方案在额定负荷稳态工况下的强度设计合格；在冷态启动过程有8个部位的相对应力（σeq／Rtp0.2）超标。针对这8个部位，进行了转子结构优化改进，形成了改进方案和最终设计方案。针对改进方案和最终设计方案分别进行了额定负荷稳态工况、瞬态变工况以及超速工况的强度计算分析，结果表明：某型AP1000核电高压转子最终设计方案的额定负荷强度、应力腐蚀强度、瞬态变工况强度及超速试验强度均符合强度设计判据，强度设计合格。

1 额定稳态工况的计算与分析

1.1 力学模型和边界条件

建立轴对称有限元计算力学模型。在高压转子的轮缘、汽封部位、叶轮、光轴等外表面，施加与蒸汽强制对流换热的第三类边界条件；在轴承颈部，施加与润滑油强制对流换热的第三类边界条件；在转子联轴器端面，施加绝热边界条件，计算高压转子的温度场。

在应力场的计算中，在高压转子各级轮缘分别施加各级的动叶片离心力，高压转子施加自身旋转产生的离心力，模型的各节点上输入温度场计算结果，得出包括热应力和离心应力的复合应力计算结果。

某型AP1000核电汽轮机高压转子结构强度典型部位（应力计算结果比较大或有代表性的部位）见图1。

原设计方案、改进设计方案和最终设计方案的结构差异见表1。

表1 三个设计方案的结构区别

1.2 额定稳态工况强度设计判据

1.2.1 额定负荷稳态工况强度设计判据

根据文献［1-2］，对转子等效应力比较大的强度薄弱部位进行额定负荷稳态工况强度校核，设计判据为：

式中：σeq为额定负荷稳态工况强度关键部位的等效应力；Rtp0.2为工作温度t下转子材料的屈服极限。

1.2.2 应力腐蚀强度设计判据

只对转子与湿蒸汽接触的外表面进行应力腐蚀强度校核，根据文献［1-2］，应力腐蚀强度的设计判据为：

式中：σ1为额定负荷稳态工况转子表面部位的最大主应力。

1.3 额定稳态工况强度计算结果

在额定负荷稳态工况下，某型AP1000核电汽轮机高压转子原设计方案、改进设计方案和最终设计方案的等效应力各典型部位σeq／计算结果见图2，各典型部位σ1计算结果见图3。由图2和图3可知：额定负荷稳态工况的强度和应力腐蚀危险部位均为部位1和部位38，σeq／和σ1均不到0.2，远小于强度判据允许值。故三个方案各部位的额定负荷稳态工况强度和应力腐蚀强度均设计合格，说明某型AP1000高压转子的稳态额定负荷工况强度和应力腐蚀强度的设计是合格的。

图2 稳态等效应力相对应力条形图

图3 稳态最大主应力相对应力条形图

2 超速工况的应力计算与强度分析

2.1 超速工况强度设计判据

根据文献［1-2］，转子超速工况强度设计判据为：

2.2 超速工况应力场的计算结果

原设计方案、最终设计方案的超速110%和超速120%工况的各部位σeq／Rtp0.2的最大值分别为0.186 8、0.221 7、0.186 9、0.221 8，均小于1.0，即等效应力均小于材料的屈服极限，满足超速工况的强度设计判据。

3 原方案瞬态变工况的计算分析

3.1 瞬态变工况强度设计判据

根据文献［1-2］，转子瞬态变工况强度设计判据为：

3.2 瞬态变工况强度有限元结果

3.2.1 原方案冷态启动计算结果

计算结果表明：无论是盘车12h还是盘车48h，高压转子冷态启动过程σeq／Rtp0.2最大值均发生在2 400s时刻；等效应力最大值出现在部位7，σeq＝790.761MPa，σeq／Rtp0.2＝1.296。

冷态启动过程最危险时刻2 400s有7、8、10、23、24、29、31、32共计8个部位σeq／Rtp0.2超过了1.2，为了延长高压转子设计寿命，对这8个部位的结构进行优化。

3.2.2 原方案温态启动计算结果

某型AP1000核电汽轮机的高压转子原设计方案的温态启动过程最危险时刻为900s。温态启动过程部位24的等效应力最大，σeq＝217.612 MPa，Rtp0.2＝596.888MPa，σeq／Rtp0.2＝0.365＜2，远小于瞬态变工况强度设计判据，表明温态启动过程中原设计方案的某型AP1000核电汽轮机转子的瞬态强度合格。

3.2.3 原方案热态启动计算结果

某型AP1000核电汽轮机的高压转子原设计方案的热态启动过程最危险时刻为600s。热态启动过程600s时刻部位1等效应力最大，σeq＝125.2MPa，Rtp0.2＝607.286MPa，σeq＜Rtp0.2，表明原设计方案热态启动过程的瞬态变工况强度是合格的。

3.2.4 原方案正常停机计算结果

某型AP1000核电汽轮机的高压转子原设计方案的正常停机过程最危险时刻为5 698s，正常停机过程5 698s时刻部位7等效应力最大，σeq＝94.422MPa，Rtp0.2＝600.767MPa表明原设计方案正常停机过程的瞬态变工况强度是合格的。

3.2.5 原方案瞬态工况强度计算小结

根据对原设计方案某型AP1000高压转子盘车12h冷态启动、盘车48h冷态启动、温态启动、热态启动和正常停机过程的瞬态结构有限元计算结果表明：原设计方案最危险时刻发生在盘车12h冷态启动过程的2 400s时刻，等效应力最大值出现在部位7，σeq＝790.761MPa，σeq／Rtp0.2＝1.296。冷态启动过程最危险时刻2 400s有7、8、10、23、24、29、31、32共计8个部位σeq／Rtp0.2超过了1.2，为了延长转子的设计寿命，应对这8个部位进行结构优化改进。

3.3 改进和最终方案变工况计算

根据原设计方案的额定负荷稳态和瞬态变工况强度计算结果，针对原设计方案冷态启动过程2 400s相对应力超过1.2的8个部位进行了结构改进，并形成了改进设计方案和最终设计方案。

原设计方案、改进设计方案和最终设计方案在冷态启动2 400s时刻各典型部位σeq／Rtp0.2见图4。

图4 盘车12h冷态启动2 400s相对应力

由图4可归纳得到表2，原设计方案有8个部位σeq／Rtp0.2超过1.2，改进设计方案有6个，最终设计方案各部位σeq／Rtp0.2均小于1.2，表明某型AP1000核电高压转子的结构优化改进达到了降低应力的效果。

表2 三个方案冷态启动2 400s危险部位相对应力

4 结语

（1）经稳态工况温度场与应力场的有限元数值计算及强度分析，某型AP1000汽轮机高压转子原设计方案、最终设计方案在额定负荷稳态工况强度和应力腐蚀强度均符合强度设计判据，该转子额定负荷稳态工况强度和应力腐蚀强度的设计是合格的。

（2）经某型AP1000汽轮机高压转子原设计方案的盘车12h冷态启动、盘车48h冷态启动、温态启动、热态启动和正常停机5个过程的瞬态变工况温度场与应力场的有限元数值计算及强度分析，其中盘车12h冷态启动过程中在2 400s时刻有8个部位σeq／Rtp0.2＞1.2。根据冷态启动的计算结果对原设计方案进行了结构改进，形成了改进设计方案和最终设计方案。

（3）改进设计方案和最终设计方案分别提出8个部位的改进措施，针对这两个方案分别进行了盘车12h冷态启动、盘车48h冷态启动、温态启动、热态启动和正常停机5个过程的瞬态变工况温度场与应力场的有限元数值计算及强度分析。最终设计方案中各工况、各部位、各时刻的相对应力均小于1.2，达到了增大强度设计安全裕量的作用。由此表明某型AP 1000核电汽轮机高压转子的最终设计方案瞬态变工况强度设计是合格的，结构优化改进有利于延长设计寿命。

（4）针对原设计方案和最终设计方案分别进行了超速110%和超速120%工况的强度计算，分析表明，原设计方案和最终设计方案超速工况下各部位相对应力均小于1，符合强度设计判据，超速工况的强度设计均合格。

综上所述，某型AP1000核电高压转子最终设计方案的额定负荷强度、应力腐蚀强度、瞬态变工况强度及超速试验强度均符合强度设计判据，其强度设计合格，将有利于汽轮机长周期安全运行。

［1］史进渊，杨宇，邓志成，等 .汽轮机零部件强度有限元分析的设计判据［J］.热力透平，2011，40（1）：22-27.

［2］史进渊，杨宇，邓志成，等 .大功率电站汽轮机寿命预测与可靠性设计［M］.北京：中国电力出版社，2011.