張瑞青

（沈陽工程學院能源與動力工程系 遼寧 沈陽 110136）

高參數(shù)機組調節(jié)級噴嘴葉柵熱應力分析

張瑞青

（沈陽工程學院能源與動力工程系 遼寧 沈陽 110136）

隨著超臨界機組甚至是超超臨界機組應用越來越廣泛，在變工況條件下，調節(jié)級部分的工作環(huán)境變得更加惡劣。本文以某600MW超超臨界汽輪機為例，應用ANSYS建立了調節(jié)級噴嘴室的有限元分析模型，得到了變工況下應力分布規(guī)律，模擬出整個調節(jié)級噴嘴室、噴嘴的應力分布圖，了解噴嘴室、噴嘴葉柵應力最高的部分，為研究機組變工況下熱應力的分析提供了理論基礎，并為機組的啟動優(yōu)化提供了參考。

調節(jié)級；噴嘴組；熱應力；溫度場

0 引言

超超臨界汽輪機具有大容量、高參數(shù)的特性，進汽蒸汽的溫度超過600℃，壓力達27MPa。機組配汽方式為噴嘴配汽，其調節(jié)級分為幾個噴嘴組，每一組各由一個調節(jié)汽門控制，蒸汽要經(jīng)過幾個依次開啟或關閉的調節(jié)汽門，以改變調節(jié)級的通流面積控制進入汽輪機的蒸汽量。但汽輪機在啟停以及變負荷運行等非穩(wěn)定工況時，噴嘴調節(jié)方式會導致主要部件溫度梯度較大，引起高壓缸各級相當大的熱應力和熱變形，致使機組壽命損耗[1-2]。本文采用有限元分析方法，通過對汽輪機調節(jié)級熱應力場進行分析，模擬出整個調節(jié)級噴嘴室的應力分布圖，以便了解噴嘴熱應力最高的部分，并為機組的變工況運行提供參考。

1 調節(jié)級噴嘴的應力場模型

1.1 溫度場模型

在計算穩(wěn)定工況下調節(jié)級噴嘴的溫度場時，可認為進汽室和噴嘴組壁面是一個均勻、各向同性并且內(nèi)無熱源的模型，屬于解軸對稱定常溫度函數(shù)問題，溫度滿足下列偏微分方程[3]：

式中，τ 為時間間隔，s；r、z分別為徑向、軸向坐標軸，m；λ為材料的導熱率，W/（m.℃）；ρ為材料的密度，kg/m3；Cp為材料的比熱，J/（kg.℃）。

求解該微分方程的初始條件為物體邊界上的溫度函數(shù)已知的第一類邊界條件，即：

其中，Γ 為物體邊界；為已知溫度；f（r，z，t）為已知溫度函數(shù)

噴嘴組其外表面可作為已知放熱系數(shù)及介質溫度的第三類邊界條件，即：

其中，tf為流體介質的溫度，℃；h為蒸汽與噴嘴組放熱系數(shù)，W/（m2.℃）。

1.2 應力場模型

將進汽室及噴嘴組截面簡化為圓柱模型，然后采用解析方法計算出熱應力。在汽輪機的啟動、停機和變負荷過程中，圓柱任意半徑r處的徑向熱應力σr、切向熱應力σθ和軸向熱應力σz的計算公式分別為[4]：

式中：α為工作溫度下材料的線膨脹系數(shù)；E為工作溫度下材料的彈性模量；μ為工作溫度下材料的泊松比；θm為圓柱體積平均溫度；t為圓柱半徑r處的工作溫度。

1.3 幾何模型

建模時將600MW超超臨界汽輪機進汽室及噴嘴組截面作為研究對象。按結構圖紙取進汽室內(nèi)半徑0.075m，外半徑0.13，噴嘴截面長 0.08m，進口高 0.043m，出口高 0.032m，劃分網(wǎng)格后的幾何模型如圖1所示。

圖1 有限元模型網(wǎng)格劃分

2 計算實例

2.1 材料物性參數(shù)的確定

采用有限元模擬調節(jié)級進汽室及噴嘴的溫度場和應力場時，材料的物理性能參數(shù)的選取直接影響到溫度場和應力場計算結果的準確性。材料的物性參數(shù)如導熱系數(shù)及熱膨脹系數(shù)等均是依賴于溫度的，其值隨著溫度而改變，但由于材料在高溫下的導熱實驗數(shù)據(jù)不易獲得，因此本文分析過程中將其作為常量處理，即不考慮材料對溫度的非線性效應。

根據(jù)該汽輪機相關資料，得到調節(jié)級噴嘴室及噴嘴材料為CrMoVNbN合金鋼，其主要物性參數(shù)中密度為7750kg/m3，彈性模量為2.06×1011Pa，泊松比為0.3。

2.2 初始條件的確定

根據(jù)機組運行數(shù)據(jù)得到不同負荷時調節(jié)級金屬對應的溫度作為初始條件，如表1所示。

表1 調節(jié)級溫度與機組負荷值記錄

2.3 應力場分布

圖2 機組負荷為600MW時的等效應力場分布圖

調節(jié)級噴嘴室和噴嘴受到熱沖擊時會發(fā)生體積和形狀的改變，故應根據(jù)第四強度理論判斷其應力水平。ANSYS中的等效應力(Von Mises stress)是程序根據(jù)第四強度理論計算獲得的[5]。因為在實際中很難找到真正的單軸拉壓的情況，一般結構的受力都沒有這么簡單，所以在分析的時候需要用等效應力來將各主應力進行轉化，因此應該用等效應力來描述應力集中的現(xiàn)象，來繪制各工況下的等效應力圖。圖2為600MW負荷時的等效應力場分布圖。

同理計算各工況下調節(jié)級噴嘴室和噴嘴的最大、最小應力和平均應力水平，統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表2所示，應力單位為Pa。

表2 各工況下應力水平統(tǒng)計(×106Pa)

從表2看出，隨著負荷的增加，調節(jié)級噴嘴室和噴嘴本體整體的熱應力也會隨之增加。整個噴嘴本體的熱應力比較大，并且隨著蒸汽流動方向上逐漸變大，呈不均勻分布，最大熱應力出現(xiàn)在了噴嘴出口處，最小熱應力出現(xiàn)在噴嘴蒸汽節(jié)流后和噴嘴外壁上下兩端；噴嘴汽室熱應力分布沿厚度方向從內(nèi)到外逐漸降低，呈不規(guī)則分布。

3 結論

3.1 本文模擬了調節(jié)級進汽室和噴嘴葉柵在不同工況下的穩(wěn)態(tài)熱應力場，分析結論與傳熱學理論推論一致，說明模型的簡化和邊界的處理基本合理。

3.2 通過有限元分析的結果可以用于調節(jié)級噴嘴葉柵熱應力場分布分析，為汽輪機熱應力在線系統(tǒng)的監(jiān)測提供了有力的依據(jù)，為縮短停啟機時間和提高調峰的靈活性提供了一種手段。

［1］李勇,聶玉火.不同配汽方式下汽輪機調節(jié)級后轉子的熱應力分析[J].汽輪機技術,2009,51（4）：272-275,244.

［2］支小牧,寇可新,曹向秋.汽輪機轉子熱應力在線監(jiān)測、壽命管理及優(yōu)化啟停的研究[J].動力工程,2001,20(1):543-547.

［3］楊世銘,陶文銓.傳熱學[M].北京：高等教育出版社,2006.

［4］史進淵,楊宇,鄧志成,等.基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡的汽輪機轉子等效應力的在線計算方法[J].動力工程，2009,29（4）：316-319,325.

［5］王澤鵬,張秀輝,胡仁喜.ANSYS12.0熱力學有限元分析從入門到精通[M].北京：機械工業(yè)出版社,2010.

本文的研究成果受到沈陽工程學院科技基金項目（LGQN-1013）資助。

張瑞青（1975—），女，漢族，山西大同人，研究生，講師，從事電廠汽輪機經(jīng)濟性診斷研究。

王靜］