機(jī)組轉(zhuǎn)子裂紋處理應(yīng)力分析

2013-06-07  by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM  來源:仿真在線

本文對某電廠50MW汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子裂紋切削前后不同運行條件下的溫度場、熱應(yīng)力場和機(jī)械應(yīng)力進(jìn)行了有限元分析計算。計算分析結(jié)果表明:開裂部位位于轉(zhuǎn)子最大應(yīng)力發(fā)生處,車削后,轉(zhuǎn)子最大應(yīng)力降低。計算結(jié)果對轉(zhuǎn)子車削加工方案以及安全性評定提供了重要的技術(shù)依據(jù)。
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關(guān)鍵字:應(yīng)力處理 溫度 熱 分析 開裂

1 引言

某電廠轉(zhuǎn)子運行多年后,發(fā)生多處裂紋,裂紋主要發(fā)生在高壓端部汽封處。為了使轉(zhuǎn)子繼續(xù)投運,處理方案為采用車削轉(zhuǎn)子裂紋,將彈性槽、軸肩過渡園弧增大。應(yīng)力是控制高溫部件結(jié)構(gòu)壽命的關(guān)鍵因素,本計算根據(jù)電廠裂紋探傷結(jié)果對切削方案進(jìn)行切削前后轉(zhuǎn)子應(yīng)力分析,為轉(zhuǎn)子車削加工以及安全性評定提供必要的理論依據(jù)。

機(jī)組為上汽制造的單缸沖動凝汽式N50-90-1型汽輪機(jī),材料為P2(30Cr2MoV)鋼。機(jī)組于1973年投運,1981年原轉(zhuǎn)子因內(nèi)部冶金缺陷嚴(yán)重而報廢,電廠重新更換了轉(zhuǎn)子。自更換轉(zhuǎn)子后機(jī)組運行至2002年9月,機(jī)組經(jīng)擴(kuò)容改造,型號改為C55-8.83/0.411,額定功率增加到55MW。汽輪機(jī)動、靜葉片和隔板進(jìn)行了更新,但轉(zhuǎn)子大軸未換。轉(zhuǎn)子改造后重新于2002年投運,2004年2月6日停機(jī)進(jìn)行技改后的第一次揭缸檢查,發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子前軸封彈性槽與調(diào)節(jié)級根部前凹槽均有裂紋,裂紋為整圈開裂。裂紋照片以及開裂部位見圖1和圖2。隨后,該轉(zhuǎn)子運送到制造廠對裂紋進(jìn)行車削處理,前軸封彈性槽與調(diào)節(jié)級根部前凹槽的實際車削深度分別為3.5mm和7.5mm,且增加了凹槽根部R角的曲率半徑。

2 計算模型

2.1 基本假設(shè)

本計算根據(jù)轉(zhuǎn)子的具體特征做了以下假設(shè):

1) 轉(zhuǎn)子可近似視為軸對稱構(gòu)件,計算模型取其對稱橫截面;

2) 材料為各向同性材料,假設(shè)材料在線彈性范圍內(nèi),材料物性參數(shù)是溫度的函數(shù);

3) 不考慮輻射換熱,無內(nèi)熱源。

4) 不考慮轉(zhuǎn)子表面以及端部內(nèi)壓差、裝配應(yīng)力、扭矩等的影響;僅考慮機(jī)械應(yīng)力(主要是離心力)和溫差引起的熱應(yīng)力兩部分。

2.2 幾何模型

由于轉(zhuǎn)子調(diào)節(jié)級附近以及前汽封端部的溫度較高,溫度變化劇烈,且包含了轉(zhuǎn)子上的應(yīng)力集中最明顯的部位,如彈性槽、定位槽、葉輪根部過渡圓角等,是起停過程中熱應(yīng)力較高的危險部位。國內(nèi)外運行實踐證明,熱應(yīng)力引起的疲勞裂紋也常常在這些地方萌生和發(fā)展。因此,在計算中取第一級前(包括第一級)的部分區(qū)段轉(zhuǎn)子為研究對象。所建立的幾何模型經(jīng)過旋轉(zhuǎn)后如圖3所示。

2.3 有限元模型

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子是典型的軸對稱構(gòu)件,在計算時采用平面軸對稱單元。所劃分的有限元網(wǎng)格如圖4所示。

2.4 材料物性參數(shù)

轉(zhuǎn)子材料是30Cr2MoV,材料的物性參數(shù)如表1所示:在計算過程中,運行溫度時的材料物性參數(shù)值按照多項式插值求出。并且在計算過程中,密度(ρ=7829kg/m3)和柏松比(μ=0.277)取為定值。

表1:30Cr2MoV,材料的物性參數(shù)

3 計算工況及邊界條件

3.1 工況概述

邊界條件包括力邊界條件和熱邊界條件。為了確定車削裂紋前后汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子在不同啟停工況下的熱應(yīng)力,必須首先計算溫度場,而溫度場與轉(zhuǎn)子材料的物性參數(shù)、結(jié)構(gòu)尺寸和運行工況有關(guān)。對確定的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子,材料和結(jié)構(gòu)已定,溫度場主要由運行工況確定。

3.2 力邊界條件

計算應(yīng)力場時,轉(zhuǎn)子軸線處取零壓力條件;轉(zhuǎn)子左端面(高壓區(qū))軸向約束,限制剛體位移;右端軸向、徑向均可自由膨脹。

3.3 熱邊界條件

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子不同區(qū)段表面與蒸汽之間的對流放熱系數(shù)是確定熱力邊界條件的關(guān)鍵。放熱系數(shù)主要取決于分析對象的熱力參數(shù),如蒸汽的壓力、溫度、流量、速度等,以及轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

轉(zhuǎn)子中心孔表面:因其徑向尺寸小,又基本上處于封閉狀態(tài),因此換熱系數(shù)很小,故可以近似處理為絕熱邊界條件。

轉(zhuǎn)子外表面:汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子不同區(qū)段外表面與蒸汽之間的對流放熱系數(shù)取決于各段轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)速、蒸汽的熱力參數(shù)等,目前還缺乏統(tǒng)一的計算方法,絕大多數(shù)采用經(jīng)驗方式。本報告參照文獻(xiàn)[5][7]確定的轉(zhuǎn)子不同區(qū)段的放熱系數(shù),轉(zhuǎn)子不同區(qū)段的劃分見下圖4(a)所示。

軸兩端放熱系數(shù):軸的兩端取絕熱邊界條件。

4 瞬態(tài)溫度場以及熱應(yīng)力計算

4.1 溫度場的確定

轉(zhuǎn)子運行工況分為汽輪機(jī)冷態(tài)啟動和熱態(tài)啟動工況。啟動狀態(tài)以下缸調(diào)節(jié)級處金屬溫度是否低于150oC來確定,低于150oC為冷態(tài)啟動,高于150oC為熱態(tài)啟動。瞬態(tài)溫度場的確定按電廠汽輪機(jī)運行規(guī)程實際啟動過程進(jìn)行,計算轉(zhuǎn)子從啟動零時刻到達(dá)到穩(wěn)態(tài)運行整個時間歷程內(nèi)溫度場的變化。并從中確定溫度梯度最大的某時刻瞬態(tài)溫度場作為溫度載荷,對轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力進(jìn)行分析。

轉(zhuǎn)子各截面上最大溫差時刻略有差異,選擇內(nèi)外表面最大溫差Δtmax對應(yīng)的時刻tc,可以計算出最大溫差截面上的最大熱應(yīng)力,同時其它部位計算的熱應(yīng)力接近最大值。因此我們僅關(guān)注tc時刻的溫度場及相應(yīng)的熱應(yīng)力。為了捕獲轉(zhuǎn)子在冷態(tài)、熱態(tài)啟動兩種工況下的tc時刻,在計算過程中,跟蹤記錄了若干截面,截面的劃分參見圖2,各計算截面附近是結(jié)構(gòu)尺寸突變的高應(yīng)力集中部位。圖5、6為轉(zhuǎn)子原結(jié)構(gòu)冷態(tài)啟動各截面外表面與內(nèi)表面的溫差隨時間的變化曲線,機(jī)組在冷態(tài)啟動下轉(zhuǎn)子車削前溫度場分布見圖7。

4.2 熱應(yīng)力的計算

轉(zhuǎn)子在各種工況時的tc時刻、截面位置以及相應(yīng)的最大等效應(yīng)力和相應(yīng)的分量列于表2 中。機(jī)組在冷態(tài)啟動下轉(zhuǎn)子車削前危險部位的熱應(yīng)力分布見圖8。

4.3 轉(zhuǎn)子應(yīng)力分析的說明

計算結(jié)果最大虛擬應(yīng)力與最大許用應(yīng)力比較可見,轉(zhuǎn)子危險部位(前軸峰彈性槽)的最大應(yīng)力已超過材料的屈服強(qiáng)度。但是這種高應(yīng)力分布局限于靠近調(diào)節(jié)級前軸封的彈性槽內(nèi)的微小區(qū)域內(nèi),當(dāng)局部材料屈服后,產(chǎn)生的局部材料流會消減應(yīng)力峰值,故宏觀上轉(zhuǎn)子材料仍處于彈性范圍。

5 離心力應(yīng)力計算

5.1 離心力應(yīng)力計算

表2:轉(zhuǎn)子外內(nèi)表面tc時刻的最大溫差、最大等效應(yīng)力

汽輪機(jī)在高速旋轉(zhuǎn)時在轉(zhuǎn)子內(nèi)產(chǎn)生很高的離心應(yīng)力,轉(zhuǎn)子離心應(yīng)力場計算結(jié)果為:轉(zhuǎn)子在每分鐘3000轉(zhuǎn)時的最大等效應(yīng)力為123Mpa,位于調(diào)節(jié)級前過渡圓角處,其應(yīng)力分量分別為:徑向σr=134.2MPa,軸向σz=21.6MPa,環(huán)向σθ=89.8MPa;內(nèi)孔最大等效應(yīng)力為106Mpa,位于調(diào)節(jié)級下方內(nèi)孔,其應(yīng)力分量分別為:徑向σr=9.5MPa,軸向σz=-9.0MPa,環(huán)向σθ=104.5MPa。離心應(yīng)力的分布見圖9。

6 轉(zhuǎn)子經(jīng)車削修復(fù)對軸向推力的影響

轉(zhuǎn)子軸向推力由三部分組成即:葉片推力,葉輪推力和汽封檔推力(包括平衡活塞)。轉(zhuǎn)子修復(fù)方案保持汽封平均直徑不變僅沿深度方向和軸向進(jìn)行,因此,僅僅使得轉(zhuǎn)子推力增加了F1和F2。如圖10所示,由于F1,F2大小相等方向相反,所以進(jìn)行轉(zhuǎn)子修復(fù)加工對轉(zhuǎn)子軸向推力沒有影響。

7 結(jié)論及建議

· 轉(zhuǎn)子的熱應(yīng)力顯著較大的兩個部位分別是前軸封彈性槽和調(diào)節(jié)級葉輪前根部;
· 機(jī)組在穩(wěn)態(tài)運行條件下轉(zhuǎn)子的較大離心應(yīng)力部位在調(diào)節(jié)級下方內(nèi)孔以及轉(zhuǎn)子外表面靠近調(diào)節(jié)級前根部倒角處;
· 裂紋轉(zhuǎn)子車削后,改變了調(diào)節(jié)級和軸封熱彈性槽結(jié)構(gòu)形狀,其應(yīng)力集中程度降低。車削后應(yīng)力水平較車削前有所降低;
· 計算轉(zhuǎn)子應(yīng)力最大部位與電廠轉(zhuǎn)子實際開裂部位相一致,計算結(jié)果可用于轉(zhuǎn)子的疲勞、蠕變壽命分析;
· 建議減少不必要的起停次數(shù),避免參與調(diào)峰;減緩啟動速率,降低啟動過程中溫度變化率,盡量采用滑參數(shù)啟動方式;
· 本計算將轉(zhuǎn)子處理為軸對稱結(jié)構(gòu),忽略軸向壓力差、過盈配合產(chǎn)生的裝配應(yīng)力,故對本部分應(yīng)力計算偏于保守。

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