600MW超临界机组汽轮机转子损伤及寿命计算

600MW超临界机组汽轮机转子损伤及寿命计算2009-11-211.项目背景背景：在国家节能减排政策的引导下，电力作为重点能耗行业淘汰落后“上大压小”力度空前。可以预见，国内600MW超临界机组将不可避免地参与电网调峰。机理：汽轮机转子本身在负荷变动时，金属材料内部的温度场和应力场的分布以及梯度发生较大的改变，从而使材料内外经受交变应力的作用，这种低频次大幅度的应力循环往往会引起转子表面产生疲劳裂纹（低周疲劳），裂纹逐渐扩展最终导致转子材料失效甚至断裂。此外，还有高温蠕变疲劳。1.项目背景意义：掌握600MW超临界机组参与调峰过程中的汽轮机转子温度场、应力场变化，从而分析不同变动工况下的疲劳损伤，为国内600MW超临界机组参与电网调峰中的变工况操作以及转子寿命管理提供技术参考和合理化建议。方法：【测量手段的局限性】只能依靠数值计算来获得汽轮机转子内温度场和应力场较为准确的分布，这是评估调峰过程中汽轮机转子疲劳损伤的基本前提。数值计算采用有限元法，借助大型商业计算软件求解转子的温度场、应力场，以此为基础进行调峰下的超临界汽轮机转子寿命评估。2.总体思路热力耦合计算损伤与寿命损耗优化控制策略与寿命管理３.热力耦合计算几何结构材料特性热学、力学边界条件实际运行工况通流设计参数温度场、应力场载荷谱处理疲劳损伤分析有限元建模３.热力耦合计算几何模型有限元数值计算的实质就是将连续的求解区域离散成一组有限数目的单元的组合体，利用在每一个单元内假定的近似函数分片地表示全求解域上的未知场函数。通过求解每个单元的偏微分方程，这些场函数最终得到在某特定环境和条件的解，而这些特定的环境和条件同时也是偏微分方程的定解条件，也就是所谓的边界条件。３.热力耦合计算力学边界条件叶片离心拉应力转子内部在旋转过程中受到离心力作用产生的离心应力，包括轴体本身的离心应力以及叶片根部产生的离心应力，其中叶片产生的离心拉应力较大。离心应力应以转子的中心线作为轴对称中心３.热力耦合计算导热问题的第三类边界条件调节级、压力级叶轮两侧的换热隔板汽封、轴封的换热光轴、叶轮轮缘的换热截断面、中心面的换热热学边界条件３.热力耦合计算３.热力耦合计算３.热力耦合计算３.热力耦合计算４.损伤分析４.损伤分析“雨流法”载荷谱处理局部应力应变法求损伤线性累积损伤法则(/)1iinN５.总结与展望截止到目前，项目的总体思路、技术路线都已明确，并且按计划进行项目的各前期工作；项目最核心的部分为不同工况下转子的温度场、应力场数值计算，同时也是项目的难点；（几何模型、材料模型、力学边界条件）1已完成的工作５.总结与展望有限元建模考虑到边界数目多，手工热力计算以及在有限元软件里手动设置工作量大。因此，目前已经采用matlab数学工具编制程序，实现了同时计算不同工况下，不同部位的换热边界条件，大大减小了工作量。数值计算最难的部分是转子与蒸汽换热的边界条件计算。这些边界条件的计算需要每级的静叶与动叶前后蒸汽参数，对应参数下的蒸汽导热率、粘度、密度、比热以及汽封漏气量。换热边界多达几十个，并且每个边界都随着时间变化而变化。2已完成的工作５.总结与展望热学边界条件计算“雨流”计数法和线性损伤累积准则由于需要的经验数据少，物理概念明晰、适用范围广泛等特点，在工程上得以大量应用。根据“雨流”计数法和线性损伤累积的原理进行编程，能够对实际应力谱进行处理分析。通过数值计算得到转子在不同工况下的温度场和应力场，就可以对应力谱进行谱处理，结合线性损伤累积法则将幅度随机变化载荷过程所导致的损伤，等效为若干独立载荷循环引起的损伤之和。3已完成的工作５.总结与展望载荷谱处理、损伤计算编程4已完成的工作５.总结与展望冷态启动数值计算冷态开机曲线５.总结与展望５.总结与展望下一步的工作：５.总结与展望1.对应冷态开机曲线进行的数值计算尚存在部分边界条件选取不当的问题，从而使得计算得到的最大应力达到1000MPa，远远超过转子材料30Cr1Mo1V的屈服极限；因此，热学边界条件尚需修正与优化。2.实践证明，转子应力最大的部位往往在调节级叶轮根部；机组采用喷嘴调节的配汽方式，当汽轮机负荷变化时，会引起调节级室蒸汽温度的较大波动，因此有必要对调节级进行变工况计算，得到调节级的特性曲线，从而提高高中压压力级的通流热力计算准确度。3.在掌握数值计算的同时，还要进行600MW超临界机组的调峰变负荷试验，获得实际的试验数据，从而利用数值计算对不同调峰方式下的转子损伤进行分析，以期得出最佳调峰曲线，优化运行操作。谢谢各位！欢迎批评指导！