看一看某50MW机组转子裂纹处理应力分析

摘要：本文对某电厂50MW汽轮机转子裂纹切削前后不同运行条件下的温度场、热应力场和机械应力进行了有限元分析计算。计算分析结果表明：开裂部位位于转子最大应力产生处，车削后，转子最大应力降落。计算结果对转子车削加工方案和安全性评定提供了重要的技术根据。关键词：汽轮机转子；裂纹事故分析；瞬态温度场；热应力；离心力1 引言某电厂转子运行多年后，产生多处裂纹，裂纹主要产生在高压端部汽封处。为了使转子继续投运，处理方案为采取车削转子裂纹，将弹性槽、轴肩过渡园弧增大。应力是控制高温部件结构寿命的关键因素，本计算根据电厂裂纹探伤结果对切削方案进行切削前后转子应力分析，为转子车削加工和安全性评定提供必要的理论根据。机组为上汽制造的单缸冲动凝汽式N50⑼0⑴型汽轮机，材料为P2（30Cr2MoV）钢。机组于1973年投运，1981年原转子因内部冶金缺点严重而报废，电厂重新更换了转子。自更换转子后机组运行至2002年9月，机组经扩容改造，型号改成C55－8.83／0.411，额定功率增加到55MW。汽轮机动、静叶片和隔板进行了更新，但转子大轴未换。转子改造后重新于2002年投运，2004年2月6日停机进行技改后的第1次揭缸检查，发现转子前轴封弹性槽与调理级根部前凹槽均有裂纹，裂纹为整圈开裂。裂纹照片和开裂部位见图1和图2。随后，该转子运送到制造厂对裂纹进行车削处理，前轴封弹性槽与调理级根部前凹槽的实际车削深度分别为3.5mm和7.5mm，且增加了凹槽根部R角的曲率半径。

2 计算模型2.1 基本假定本计算根据转子的具体特点做了以下假定：1) 转子可近似视为轴对称构件，计算模型取其对称横截面；2) 材料为各向同性材料遭到非法强拆后怎么办，假定材料在线弹性范围内，材料物性参数是温度的函数；3) 不考虑辐射换热，无内热源。4) 不考虑转子表面和端部内压差、装配应力、扭矩等的影响；仅考虑机械应力（主要是离心力）和温差引发的热应力两部分。2农村房子被强拆怎么办.2 几何模型由于转子调理级附近和前汽封端部的温度较高，温度变化剧烈，且包括了转子上的应力集中最明显的部位，如弹性槽、定位槽、叶轮根部过渡圆角等，是起停进程中热应力较高的危险部位。国内外运行实践证明，热应力引发的疲劳裂纹也常常在这些地方萌生和发展。因此，在计算中取第1级前（包括第1级）的部分区段转子为研究对象。所建立的几何模型经过旋转后如图3所示。

2.3 有限元模型汽轮机转子是典型的轴对称构件，在计算时采取平面轴对称单元。所划分的有限元网格如图4所示。2.4 材料物性参数转子材料是30Cr2MoV，材料的物性参数如表1所示：在计算进程中，运行温度时的材料物性参数值依照多项式插值求出。并且在计算进程中，密度（ρ=7829kg/m3）和柏松比（μ=0.277）取为定值。表1：30Cr2MoV，材料的物性参数［2］

3 计算工况及边界条件3.1 工况概述边界条件包括力边界条件和热边界条件。为了肯定车削裂纹前后汽轮机转子在不同启停工况下的热应力，必须首先计算温度场，而温度场与转子材料的物性参数、结构尺寸和运行工况有关。对肯定的汽轮机转子，材料和结构已定，温度场主要由运行工况肯定。3.2 力边界条件计算应力场时，转子轴线处取零压力条件；转子左端面（高压区）轴向束缚，限制刚体位移；右端轴向、径向都可自由膨胀。3.3 热边界条件汽轮机转子不同区段表面与蒸汽之间的对放逐热系数是肯定热力边界条件的关键。放热系数主要取决于分析对象的热力参数，如蒸汽的压力、温度、流量、速度等，和转子的结构参数。转子中心孔表面：因其径向尺寸小，又基本上处于封闭状态，因此换热系数很小，故可以近似处理为绝热边界条件。转子外表面：汽轮机转子不同区段外表面与蒸汽之间的对放逐热系数取决于各段转子的结构、转速、蒸汽的热力参数等，目前还缺少统1的计算方法，绝大多数采取经验方式。本报告参照文献[5][7]肯定的转子不同区段的放热系数，转子不同区段的划分见下图4(a)所示。轴两端放热系数：轴的两端取绝热边界条件。4 瞬态温度场和热应力计算4.1 温度场的肯定转子运行工况分为汽轮机冷态启动和热态启开工况。启动状态以下缸调理级处金属温度是否是低于150oC来肯定，低于150oC为冷态启动，高于150oC为热态启动。瞬态温度场的肯定按电厂汽轮机运行规程实际启动进程进行，计算转子从启动零时刻到到达稳态运行全部时间历程内温度场的变化。并从中肯定温度梯度最大的某时刻瞬态温度场作为温度载荷，对转子结构热应力进行分析。

转子各截面上最大温差时刻略有差异，选择内外表面最大温差Δtmax对应的时刻tc，可以计算出最大温差截面上的最大热应力，同时其它部位计算的热应力接近最大值。因此我们仅关注tc时刻的温度场及相应的热应力。为了捕获转子在冷态、热态启动两种工况下的tc时刻，在计算进程中，跟踪记录了若干截面，截面的划分参见图2，各计算截面附近是结构尺寸突变的高应力集中部位。图5、6为转子原结构冷态启动各截面外表面与内表面的温差随时间的变化曲线，机组在冷态启动下转子车削前温度场散布见图7。4.2 热应力的计算转子在各种工况时的tc时刻、截面位置和相应的最大等效应力和相应的分量列于表2 中。机组在冷态启动下转子车削前危险部位的热应力散布见图8。4.3 转子应力分析的说明计算结果最大虚拟应力与最大许用应力比较可见，转子危险部位（前轴峰弹性槽）的最大应力已超过材料的屈服强度。但是这类高应力散布局限于靠近调理级前轴封的弹性槽内的微小区域内，当局部材料屈服后，产生的局部材料流会消减应力峰值，故宏观上转子材料仍处于弹性范围。5 离心力应力计算5.1 离心力应力计算表2：转子外内表面tc时刻的最大温差、最大等效应力

汽轮机在高速旋转时在转子内产生很高的离心应力，转子离心应力场计算结果为：转子在每分钟3000转时的最大等效应力为123Mpa，位于调理级前过渡圆角处，其应力分量分别为：径向σr=134.2MPa，轴向σz=21.6MPa，环向σθ=89.8MPa；内孔最大等效应力为106Mpa，位于调理级下方内孔，其应力分量分别为：径向σr=9.5MPa，轴向σz=⑼.0MPa，环向σθ=104.5MPa。离心应力的散布见图9。

6 转子经车削修复对轴向推力的影响转子轴向推力由3部分组成即：叶片推力，叶轮推力和汽封档推力（包括平衡活塞）。转子修复方案保持汽封平均直径不变仅沿深度方向和轴向进行，因此，仅仅使得转子推力增加了F1和F2。如图10所示，由于F1，F2大小相等方向相反，所以进行转子修复加工对转子轴向推力没有影响。7 结论及建议· 转子的热应力显著较大的两个部位分别是前轴封弹性槽和调理级叶轮前根部；· 机组在稳态运行条件下转子的较大离心应力部位在调理级下方内孔和转子外表面靠近调理级前根部倒角处；· 裂纹转子车削后，改变了调理级和轴封热弹性槽结构形状，其应力集中程度降落。车削后应力水平较车削前有所降落；· 计算转子应力最大部位与电厂转子实际开裂部位相1致，计算结果可用于转子的疲劳、蠕变寿命分析；· 建议减少没必要要的起停次数，避免参与调峰；减缓启动速率，降落启动进程中温度变化率，尽量采取滑参数启动方式；· 本计算将转子处理为轴对称结构，忽视轴向压力差、过盈配合产生的装配应力，故对本部分应力计算偏于守旧。[参考文献][1] 丁有宇等，汽轮机强度计算，北京水利电力出版社，1985.[2] 山西安电子科技大学力工业局，汽轮机设备运行技术，水利电力出版社，1985.[3] 李益民，李中华，西固热电厂BT⑸0⑵和51⑸0⑴型汽轮机转子温度场及热应力有限元分析，国电热工研究院房子被强拆后房屋所有权还在吗，1998.[4] 国电150电厂50MW机组汽机运行规程.[5] 李益民，王必宁，国电150厂裂纹转子寿命评估，国电热工研究院技术报告，2004.[6] 王必宁，国电150厂裂纹转子温度场及热应力有限元分析，国电热工研究院技术报告，2004.[7] 李益民，李中华，某电厂50MW汽轮机气缸温度场及热应力有限元分析，热力发电，2003.[8] 高苑辉，康豫军，杨百勋，汽轮机气缸开裂强度分析，热力发电，2003.(end)资讯分类行业动态帮助文档展会专题报道5金人物商家文章