汽轮机复杂套装转子内部应力分析

对核电汽轮机多级共用轮盘复杂套装转子的结构特征、温度环境和力载荷进行了研究,利用Abaqus有限元软件计算了装配套装转子的应力场及稳态运行工况的温度场和应力场,并分析了轮盘与主轴装配过盈量对转子安全运行的影响.结果表明:稳态运行时套装转子表面的最高温度可达250℃,从进口到出口,套装转子温度沿轴向逐渐降低,出口端的最后一个轮盘温度低于70℃;稳态运行工况下离心力载荷和热膨胀对接触面装配应力的影响较为明显;稳态运行时,装配初期过盈量产生的接触面应力减小幅度较大,但仍能保证套装转子在现有过盈量下安全运行.     

汽轮机转子等效应力的计算方法对比及预测分析

为提高汽轮机转子应力在线监测的计算精度,系统梳理了转子应力场和温度场的简化算法。以某300 MW级汽轮发电机组高压转子为例,采用简化算法得到冷态起动工况下的应力场和温度场,并与有限元软件模拟结果进行对比分析,同时引入修正系数预测分析转子危险部位的等效应力。结果表明：对比有限差分法和解析法的简化算法结果与有限元软件模拟结果,两者的转子外表面温度和中心温度最大偏差均出现在起动初期,外表面等效应力在起动初期和后期存在较大偏差;采用基于交叉验证的支持向量回归方法预测应力时,与模拟结果吻合良好,可满足工程实践的精度需求。     

基于有限元技术的大型汽轮机转子寿命评估系统

结合机械结构寿命评价理论和数值分析方法,对基于有限元的大型汽轮机转子寿命评估系统进行研究。采用归一化方法对复杂的转子实际换热边界条件进行处理;依据转子的运行历史数据和结构几何参数自动生成传热学、力学边界条件,利用Delaunay非结构化自动剖分算法对几何模型进行网格剖分,将载荷谱处理和损伤累积无缝嵌入有限元分析过程。在此基础上,形成了基于复杂数值方法的转子寿命评价集成化系统,该系统具备了转子稳态、瞬态温度场、应力场和应变场分析及损伤和寿命评估功能,能直观显示转子损伤场分布及其演变,克服了传统方法中一些难以处理的技术障碍。     

600MW超临界汽轮机调峰运行过程中高中压转子疲劳寿命分析

通过对某600MW超临界汽轮机高中压转子全尺寸有限元建模,根据机组实际工况的运行数据进行变工况热力计算得到准确的热力边界条件,求解不同变工况下高中压转子内部实时的温度场和应力场。计算结果表明高中压转子调节级、中压缸第一级的叶轮根部为整段转子的应力集中点。该型机组采用中压缸启动方式,冲转参数、切缸操作不当会导致调节级、中压缸第一级产生较大的寿命消耗。蒸汽温度变化的幅度和速率直接影响转子应力集中点的应力峰值大小,但是在一定范围内的温度变化对转子寿命的影响较小,在实际运行中是可以允许的。     

基于实际运行工况的转子热力状态分析

火电厂实际运行工况的载荷类型与过程较为多样,导致汽轮机转子的实际热力状态较难评估。以实际退役汽轮机转子为研究对象,结合该转子近10年运行历史工况,对汽轮机高中压转子的热力行为进行了全历史的有限元仿真计算,并分析了启停及降出力工况下转子的温度分布及应力行为。结果展示了蒸汽入口位置以及高压级前凹槽内温度、应力在降出力工况中的变化范围,发现当功率下降量超过100 MW时,蒸汽入口位置的温度变化最大值为51℃,应力变化范围最大值为165 MPa,需要考虑对应产生的疲劳损伤。研究成果可为高中压汽轮机的转子结构设计及运行调控提供参考。     

调峰汽轮机转子热应力及寿命损耗在线监测系统

依据调峰机组的实际运行数据,利用九节点有限单元法计算了汽轮机转子的温度应力场,确定了转子的危险截面和最大应力部位。在此基础上,修正了转子的一维热应力简化计算式,计算调峰汽轮机转子疲劳寿命损耗,建立了转子热应力及寿命损耗的线监测数学模型。并在Windows95/98操作基础上开发了转子应力监测软件。该监测系统对电厂的实际运行具有重要的指导意义。     

工业汽轮机转子高温疲劳及寿命评估

在工业汽轮机转子材料低周疲劳试验及对实际工况下转子瞬态温度场、应力场分析的基础上,对转子的有效寿命进行预测,并研制成专用软件。实例分析表明,该软件能快速有效地达到上述目的,对工程应用有现实意义。     

基于寿命分析的600MW超临界汽轮机优化运行方式研究

采用汽轮机变工况热力计算,利用有限元方法计算某型600MW超临界机组汽轮机高中压转子在不同工况下的温度场和应力场,并得到转子应力集中部位的载荷谱,然后对不同工况进行转子疲劳寿命分析。在掌握转子疲劳寿命消耗规律之后,对该型机组的汽轮机运行方式进行优化控制,通过寿命分析得出运行优化后可以满足机组的安全性和经济性,同时也能快速响应电网的调度需求。     

启动工况下汽轮机转子疲劳寿命消耗和裂纹扩展量的计算

本文根据汽轮机转子材料30CrMoV钢低周循环疲劳和高温疲劳裂纹扩展试验,用暂态变物性温度热弹塑性有限元对冷态启动工况下的汽轮机转子进行应力场分析结果分别进行无裂纹转子疲劳寿命损耗和转子疲劳裂纹扩展估算,并对估算方法及应力强度因子计算进行了初步分析。     

基于线圈缓变失效的电磁阀故障诊断

为建立有效的电磁阀线圈故障诊断方法,设计了电磁阀线圈疲劳寿命试验,提出一种多物理场耦合作用下的线圈渐进性失效诊断方法:首先,基于有限元仿真平台(ANSYS Workbench)建立直动电磁阀三维有限元分析模型,计算电磁阀温度场;然后,在机械应力场的模型求解中引入温度载荷,得到由机械应力和热应力耦合作用下的应力场;最后,搭建线圈疲劳寿命试验平台,采集不同驱动电压载荷下温度、电流、电阻等线圈重要特征参量的全寿命周期数据,通过对比分析试验数据和数值仿真结果,得出线圈缓变失效机制。研究表明:线圈通电产生的高温易破坏包裹线圈的绝缘橡胶,同时应力的耦合效应会在橡胶间产生一定的挤压作用,当在高温条件下破损的绝缘橡胶相互挤压时,线圈将会发生短路,造成线圈阻值的3次突降和温度的3次突增,这种叠加效应会加剧橡胶的破损和线圈的短路,直至电磁阀失效。该方法可适用于其它类型电磁阀线圈的故障诊断,对提高电磁阀的可靠性具有一定意义。     

600MW汽轮机转子冷态启动热应力计算与分析

利用差分法计算亚临界600MW汽轮机转子冷态启动过程中温度场和热应力场。通过对计算结果分析,提出了对运行的建议。文中公式可直接用在汽轮机转子热应力在线监控上,与有限元法比较,数据处理快,能满足快速控制的要求。     

汽轮机转子热应力在线监测、寿命管理及优化启动的研究

建立了有中心孔的转子热应力解析递推计算法。该方法计入了放热系数的变化,对汽温非线性变化过程采用分段性叠加的分析方法,能满足在线实时监测系统对速度和存储空间的双重要求。应用雨流法实时监测和管理转子的寿命损耗。对汽轮发电机优化启动进行了初步研究,并探讨了优化启动的基本原则,拟定了一条优化启动曲线。     

Numerical modeling of heat transfer and fluid flow in rotor–stator cavities with throughflow

The present study considers the numerical modeling of the turbulent flow in a rotor–stator cavity subjected to a superimposed throughflow with heat transfer. Numerical predictions based on one-point statistical modeling using a low Reynolds number second-order full stress transport closure are compared with experimental data available in the literature [E.M. Sparrow, J.L. Goldstein, Effect of rotation and coolant throughflow on the heat transfer and temperature field in an enclosure, J. Heat Transfer 98 (1976) 387–394; M. Djaoui, A. Dyment, R. Debuchy, Heat transfer in a rotor–stator system with a radial inflow, Eur. J. Mech. B – Fluids 20 (2001) 371–398; S. Poncet, M.P. Chauve, R. Schiestel, Batchelor versus Stewartson flow structures in a rotor–stator cavity with throughflow, Phys. Fluids, 17(7) (2005).]. Considering small temperature differences, density variations can be here neglected which leads to dissociate the dynamical effects from the heat transfer process. The fluid flow in an enclosed disk system with axial throughflow is well predicted compared to the velocity measurements performed at IRPHE [S. Poncet, M.P. Chauve, R. Schiestel, Batchelor versus Stewartson flow structures in a rotor–stator cavity with throughflow, Phys. Fluids, 17(7) (2005)] under isothermal conditions. When the shroud is heated, the effects of rotation and coolant outward throughflow on the heat transfer have been investigated and the numerical results are found to be in good agreement with the data of Sparrow and Goldstein [E.M. Sparrow, J.L. Goldstein, Effect of rotation and coolant throughflow on the heat transfer and temperature field in an enclosure, J. Heat Transfer 98 (1976) 387–394]. Their results have been extended for a wide range of the Prandtl number. We have also considered the case of an open rotor–stator cavity with a radial inward throughflow with heat transfer along the stator, which corresponds to the experiment of Djaoui et al. [M. Djaoui, A. Dyment, R. Debuchy, Heat transfer in a rotor–stator system with a radial inflow, Eur. J. Mech. B – Fluids 20 (2001) 371–398]. Our results have been compared to both their temperature measurements and their asymptotic model with a close agreement between the different approaches, showing the efficiency of the second order modeling. An empirical correlation law is given to predict the averaged Nusselt number depending on the Reynolds and Prandtl numbers and on the coolant flowrate.     

汽轮机转子温度场和热应力的动态分析

将空心的汽轮机转子简化成长圆筒壁模型,在一定的假设条件下得到了描述其导热特性的微分方程。利用复频域分析方法求解了长圆筒壁的一维动态导热特性,并根据热弹性理论得到了转子温度场和热应力的传递函数。进而对内表面绝热、外表面为阶跃温度输入和内、外表面都为阶跃温度输入的两种情况下转子温度场和热应力的变化进行了计算和分析。计算结果表明,采用对转子内、外表面同时加热或冷却的方法,能够在不增加热应力的条件下,加速转子达到温度平衡状态,有利于缩短汽轮机组的开停机时间,并提高跟踪机组负荷变化的灵活性。     

基于热固双向耦合模型的二次再热超超临界汽轮机超高压转子热应力研究

为准确预估二次再热汽轮机转子在启动、停机过程中的热应力,推导了轴对称结构热固双向耦合计算模型。采用热固单、双向耦合模型和有限元法,计算了二次再热超超临界660 MW汽轮机超高压转子在冷态启动过程中的瞬态温度场和热应力场,对启动曲线进行了优化。研究表明,在冷态启动时双向耦合模型最大热应力值比单向模型计算值小4%,热冲击越大,两者计算值相差也越大,热固双向耦合模型比单向模型计算精度高,但计算时间长。采用优化后的启动曲线,转子最大热应力比原最大值降低了27%,实际机组运行也表明采用优化启动曲线,机组运转良好。     

600MW汽轮机转子疲劳寿命计算

采用电厂实际启、停机曲线对６００ＭＷ汽轮机组的高、中压转子分别进行了三维瞬态温度场及非线性应力场分析,并采用３０Ｃｒ１ＭｏＶ低周疲劳曲线对机组在实际启、停过程中的寿命损耗进行了估算。温度场及应力场的计算采用轴对称有限元法。     

基于参数化建模的转子有限元剖分

分析汽轮机转子的结构特点,将汽轮机转子结构参数化,提出了汽轮机转子参数化建模的方法,提高了转子原始几何模型的输入效率和准确性。利用有限元网格生成的Delaunay三角化方法,得到了汽轮机转了二维有限元计算模型,生成的有限元网格大小均匀,疏密过渡平滑,没有奇异单元,从而保证了转子温度场和热应力有限元分析计算的精度。