汽轮机起动过程温升分配对转子热应力的影响分析

刘伟

（中国船舶重工集团公司第七0三研究所，黑龙江 哈尔滨 150078）

汽轮机起动过程温升分配对转子热应力的影响分析

刘伟

（中国船舶重工集团公司第七0三研究所，黑龙江 哈尔滨 150078）

为了使汽轮机处于正常工作状态，有必要确保汽轮机在运行中的可靠性及安全性。相关研究表明：汽轮机转子在起停过程中的热应力加以减弱的情况下，能够使转子由于热疲劳而形成的裂纹得到有效控制。为了使汽轮机在起动过程中的转子热应力得到有效减弱，同时使起动时间得到有效缩短，有必要对汽轮机起动过程的温升进行合理分配。本文在对汽轮机及转子相关内容进行概述的情况下，进一步对转子温度场及应力场相关问题进行分析，并探究了汽轮机起动过程温升分配对转子热应力的影响，以此为汽轮机机组可靠、安全运行的实现提供参考。

汽轮机；起动过程；温升分配；影响

对汽轮机起停过程中转子的热应力及起动时间加以控制，能够使机组的经济性及安全性得到有效保障，同时还能够起到保护环境的作用。因此，综合考虑，对“汽轮机起动过程温升分配对转子热应力的影响”进行分析，能够进一步了解汽轮机的运行情况，进而为其运行效益的提升提供参考建议。

1 汽轮机及转子相关内容概述

1.1 转子及热效应控制分析

在汽轮机当中，转子是一大核心部件，通常在高温、高压以及高转速等环境下工作。基于冷态起动期间，转子会被蒸汽加热，从而导致转子表层温度的升高速度加快，并且在此过程中易受到压应力的作用。而在停机期间，则恰恰相反，在转子表面容易遭遇拉应力的作用。在起、停机过程中，转子表面的热应力会有拉、压变化发生，进而致使转子发生疲劳寿命损耗，在严重情况下还会使转子表面有裂纹产生，进而使机组的可靠、安全运行受到很大程度的考验。从我国现状来看，机组起动速度缓慢的情况较为多见，进而容易引发经济效益低下以及环境污染等一系列问题。所以，综合考虑，有必要对起停机过程中转子的热应力加以控制及优化，同时控制机组的起动时间，以此使机组的安全性及经济性得到有效保障，并使环境污染问题得到有效解决。

1.2 相关研究进展分析

有研究者利用有限元法起动中压缸，以600 MW的汽轮机为例，对其在超临界状态下，转子不同起停工况下的瞬态温度场以及应力场进行了分析，进一步对转子的疲劳蠕变寿命消耗进行了估算。同时，还有研究者对损伤力学方法加以应用，分析了300 MW汽轮机转子低周疲劳—蠕变非线性损伤情况。此外，国外有学者优化了某电厂汽轮机组起动曲线，在采取相应的试验策略的情况下，使得转子起动应力得到有效降低。结合诸多学者的研究，虽然取得了不同的成果，但一致认为：汽轮机起动过程温升分配会对转子热应力产生很大程度的影响。所以，从汽轮机运行的可靠性及安全性角度考虑，了解、掌握其中存在的影响非常关键。

2 转子温度场及应力场相关问题分析

对于汽轮机转子来说，属于一种典型的轴对称构建，在对其进行计算分析过程中，需采取相应的模型。而对于其中的转子温度场及应力场问题，还有待进一步探究。具体内容包括以下几点。

2.1 转子温度场计算

上述提到，汽轮机转子为一类典型的轴对称构建，所以在对其进行计算过程中，需考虑轴对称模型。在对转子非稳态温度场进行计算过程中，可将转子视为一类均匀、各向同性，且不存在内热源的一种物体，在计算过程中，将其定义为一类非定常温度函数问题的求解，在具体求解过程中，需考虑到的系数包括：其一，材料热导率；其二，材料密度；其三，材料比热容；其四，轴向坐标；其五，径向坐标；其六，时间。此外，由于转子外表面为对流换热边界的条件，也就是第三类热边界条件，因此在边界上需考虑相应的系数，即：转子表面蒸汽温度、表面传热系数以及转子表面法向。

2.2 转子应力场计算

在这里，针对汽轮机转子应力场，基于计算过程中，所采取的是弹塑性计算，并利用了双线性随动强化模型。此模型把简单拉伸试验所获取的应力应变关系曲线进行简化，主要简化为2段折线，在计算过程中，同样需要考虑到一些参数，包括：其一，弹性模量；其二，切线模量；其三，屈服应力及对应应变。同时，在应力计算过程中，如果使用双线性随动强化模型，那么值得注意的是屈服点的判断。并且，在计算期间，通常会使用Von.Mises屈服准则对材料进行判断，看其在什么时候屈服。一般情况下，在等效应力到屈服极限的情况下，材料便会进入屈服状态，进而便可以对材料进行判断，看材料是处于弹性状态，还是处于塑性状态。

3 汽轮机起动过程温升分配对转子热应力的影响探究

结合上述分析，认识到在考虑转子温度场及应力场相关问题的时候，需注意的是转子温度场及应力场的计算。近年来，不少学者研究表明，汽轮机起动过程温升分配会对转子热应力产生一定程度的影响。下面以某亚临界660 MW汽轮机高中压转子为例，其转子长度大概为8 m，高中压缸一共有12级，当中高压有7级，中压则有5级。如图1所示，为转子轴向剖面图。

TE96

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1671-0711（2016）10（上）-0093-02