转子温度（共4篇）
转子温度 篇1
0 引言
转子是汽轮机组的关键部件之一, 工作时承受着高温高压, 因此对其温度场进行分析是对它进行强度校核和研究其热膨胀的基础, 这对汽轮机的研发工作是十分必要的。本课题以机组为例完成了转子稳态温度场分析平台的搭建, 包括了程序扩充、模型简化、换热系数计算程序编制、边界温度选取、程序分析、有限元分析和程序输出结果可视化研究。
1 模型简化
高中压转子稳态换热分析首先需进行模型简化, 认为其温度场分布是轴对称的, 以机组为例, 简化模型如图1所示。
边界点根据换热区域计算的要求选取, 共选取144个点。
2 换热系数计算
高中压转子稳态换热分析首先需计算换热系数, 其换热系数计算分以下几种类型, 现分述如下:
2.1 无限空间中旋转圆盘
此种类型换热系数计算公式一般用于蒸汽进汽侧的第一级叶轮和排汽侧的末级叶轮, 在本分析算例中区域25~26, 64~65, 70~71, 74~75, 75~76, 85~86, 123~124, 125~126, 130~131, 132~133, 138~139, 140~141, 142~143, 17~18, 14~15, 23~24, 81~82正是此种类型。
此计算公式已编为程序, 程序名为a14.f90由程序计算区域的换热系数为:
h=123.3099Btu/ (hr·ft2·0F) (换热系数的英制单位, 如变成公制则需乘以5.82, 如下以此为准)
2.2 同轴转动圆盘
此种类型换热系数计算公式一般用于由间隙分开的2个同轴转动圆盘, 在本分析算例中区域87~88, 89~90, 91~92, 93~94, 95~96, 97~98, 99~100, 101~102, 103~104, 105~106, 107~108, 109~110, 111~112, 113~114, 115~116, 117~118, 119~120, 121~122正是此种类型。
计算公式为:
2.3 直汽封
此种类型换热系数计算公式一般用于直汽封下的转子表面, 在本分析算例中区域63~64, 60~61, 57~58, 54~55, 51~52, 48~49, 45~46, 42~43, 39~40, 36~37, 33~34, 30~31正是此种类型。
此种类型换热系数计算公式如下:
此计算公式已编为程序, 程序名为pha04.f90, 由程序计算区域的换热系数为:h=3 426.214Btu/ (hr·ft2·0F) 。
3 中压第一级轮槽处换热系数计算
在机组中压第一级轮槽处, 在本分析算例中为86~87区域, 该级动叶叶根和轮槽处存在较大间隙, 气流由此流过冷却轮槽, 该轮槽和动叶叶根的间隙近似为矩形, 可用管道中过热蒸汽的湍流流动的换热系数计算公式进行计算, 由于转子沿周向均布轮槽, 且本算例中按轴对称计算, 所以近似将所计算的换热系数乘以全部的轮槽周向长度, 再除以该处的转子圆周长度, 即得该处的平均换热系数。
管道中过热蒸汽的湍流流动的换热系数计算公式如下:
管道中过热蒸汽的湍流流动的计算公式已编为程序, 程序名为pha1.f90, 由程序计算区域86~87的换热系数为:h=1 751.255Btu/ (hr·ft2·0F) 。
4 无轴向流动的旋转同心圆柱
此种类型换热系数计算公式一般用于由间隙分开的2个旋转同轴圆柱, 间隙中无轴向流动, 在本分析算例中区域71~72正是此种类型。
此种类型换热系数计算公式如下:
此计算公式已编为程序, 程序名为ea19.f90, 由程序计算区域的换热系数为:h=245.373 100Btu/ (hr·ft2·0F) 。
T形叶根和调节级叶根的换热系数
在本分析算例中区域73~74为调节级的轮槽简化区域, 61~63, 58~60, 55~57, 52~54, 49~51, 46~48, 43~45, 40~42, 37~39, 34~36, 31~33, 28~30为高压1~12级的轮槽简化区域, 此处动叶叶根为T形叶根, 此种类型换热系数计算公式如下:
此计算公式已编为程序, 程序名为em1772.f90, 由程序计算区域的换热系数为:h=234.409 3Btu/ (hr·ft2·0F) 。
5 温度场分析
用大型有限元分析软件ANSYS10.0和程序PH8147分析了机组高中压转子稳态温度场, 结果如下:
5.1 程序分析
用程序分析了机组高中压转子的温度场, 求得的高中压转子中心孔表面和外表面温度沿轴向长度分布如图2所示。
5.2 ANSYS10.0分析
用ANSYS10.0分析的温度场云图如图3所示。
由图3可看出转子中压第一级轮槽处的冷却效果。
6 程序输出结果可视化研究
程序的输出结果为数据, 可输出二维坐标点及对应该坐标点的温度值。为了便于对结果进行分析处理, 本课题还进行了输出数据的可视化研究, 主要是采用Tecplot9.0软件由程序的输出结果绘制温度场云图。
Tecplot 9.0软件具有强大的结果分析能力, 可以显示二维/三维变量云图、等温线等。使用过程如下:
1) 建立*.txt文本文件, 输入格式灵活多样。例如, 输入可采用下面格式:
2) 将数据导入Tecplot中, 选择2D进行画图, 在Field菜单中选择Contour, 在Contour Plot Type中选择Line, 就可以显示等值线分布情况。采用Tecplot9.0软件绘制的机组高中压转子稳态温度场的云图如图4所示。
7 结语
本课题以机组为例完成了转子稳态温度场分析平台的搭建, 为转子稳态温度场的分析提供了系统深入的方法, 填补了我公司设计分析手段的空白, 下一步将研究转子瞬态温度场分析, 从而为转子的低周疲劳分析奠定坚实的基础。
摘要：汽轮机发电机正向着高速、重载、超临界的机组发展, 而汽轮机转子稳定温度问题备受关注, 文中主要针对转子稳定温度场进行分析。
关键词：转子稳定温度性,转子的程序计算
转子温度 篇2
近年来, 车用汽油发动机广泛采用涡轮增压器, 以达到减少燃油消耗、降低排放、提高发动机效率的目的。其工作原理为利用发动机排放废气驱动涡轮, 并带动同轴的压气机叶轮转动, 以增加进气量, 实现发动机增压[1]。车用涡轮增压器是工作在高温环境下的高速旋转机械, 由于车辆的排气温度高达700℃以上, 致使增压器转子的涡轮端温度远高于压气机叶轮温度, 在转盘和转轴上产生热传导。有关温度分布对转子振动特性的影响研究较少, 何鹏等[2]考虑转子材料弹性模量随轴向温度变化, 建立了考虑转子轴向温度分布的有限元模型, 体现轴向温度分布对转子刚度矩阵的影响。陆山等[3]采用传递矩阵法计算某型航空发动机多转子系统的热弯曲稳态响应。白晓林等[4]通过ABAQUS软件分析了热弹耦合对汽轮机转子系统固有频率及稳定性的影响。张婷婷等[5]通过ANSYS构造了航空发动机双转子温度场, 分析了温度场作用下双转子系统的临界转速和不平衡响应。
考虑温度场作用下转轴的材料参数将发生改变, 并且产生了热应力, 进而带来转轴的热弯矩, 影响转子的刚度, 对涡轮增压器转子的振动特性具有较大的影响。本文采用有限元法对涡轮增压器转子在温度场作用下的应力变化规律进行分析, 为进一步研究转子系统的动态特性提供理论基础。
1 建立涡轮增压器转子有限元模型
车用涡轮增压器转子系统主要由涡轮、压气机叶轮、转轴等组成。本文选择从制图软件UG中进行三维建模, 并通过UG三维软件与有限元软件ANSYS接口, 将模型导入到ANSYS的分析模块中来。涡轮增压器转子建模中考虑到部分圆角、倒角对网格质量有较大影响, 在不影响分析的基础上本文忽略了部分圆角、倒角的几何建模。其中转子几何模型的各参数如下:
转轴的密度为7820 kg/m3, 材料的弹性模量为200 GPa, 泊松比为0.3, 热膨胀系数a=0.0000 125/℃, 导热系数k=5W/ (m·℃) ;压气机叶轮材料密度为2680 kg/m3, 材料的弹性模量为72GPa, 泊松比为0.33, 热膨胀系数a=0.00 001 25/℃, 导热系数k=50W/ (m·℃) ;涡轮材料密度为8000 kg/m3, 材料的弹性模量为176GPa, 泊松比为0.3, 热膨胀系数a=0.000 012 5/℃, 导热系数k=50 W/ (m·℃) 。
转子结构采用四面体单元、自由网格划分方式, 其有限元模型如图1所示。
2 稳态温度场下涡轮增压器转子的应力分布规律
考虑涡轮增压器转子的实际工作温度条件, 构造转子工作的稳态温度场。涡轮端温度为1000℃, 压气机叶轮温度为20℃。在ANSYS软件中分别输入涡轮和压气机叶轮温度后, 进行稳态热分析, 获得转子系统的稳态温度分布如图2所示。
在计算转子的稳态温度分布后, 将温度场计算结果作为体载荷施加到结构分析中, 进行热结构耦合分析。后处理阶段, 通过ANSYS内置的后处理选项能够较为方便地读取应力分析结果。由于涡轮增压器转子转速较高, 本文考虑转子转速分别为1000、5000、10000、20000 r/min时, 其应力计算云图结果如图3~图6所示。
通过不同转速条件下的涡轮和压气机叶轮应力云图, 分别得到最大等效应力结果参见表1。
由表1, 分析不同转速条件下涡轮和压气机叶轮的最大等效应力, 可知涡轮增压器转子在稳态温度场作用下, 随着转子转速的增加, 转子涡轮的最大等效应力逐渐增长, 最大应力的位置发生在叶片顶端。与之相反, 压气机叶轮的等效应力呈现较弱的下降趋势, 最大应力位置在叶轮与转轴连接处。
3 瞬态温度场下涡轮增压器转子的应力变化规律
与稳态温度场不同, 瞬态温度是指转子系统的加热或冷却过程。考虑涡轮增压器不同的运行条件, 施加压气机叶轮端恒定温度载荷为20℃, 假定施加在涡轮的温度在30 s内由700℃上升为1000℃。在ANSYS中施加温度载荷, 设定温度及时间参数, 获得涡轮增压器转子的瞬态温度分布云图如图7所示。
计算转子的瞬态温度分布后, 进行热结构耦合分析。为了便于比较, 同样分别考虑转子转速为1000、5000、10 000、20 000 r/min时, 计算涡轮与压气机叶轮的应力云图结果如图8~图11所示。
考虑瞬态温度场条件, 不同转速时的涡轮及压气机叶轮的最大等效应力计算结果, 见表2。
图8~11表明, 在不同的转速范围内, 涡轮和压气机叶轮的应力分布特点较为一致。由表2, 在瞬态温度场条件下, 分析不同转速时涡轮和压气机叶轮的最大等效应力结果, 得知随着转子转速的增加, 转子涡轮的最大等效应力逐渐增长, 这与稳态温度场作用结果规律相似, 但涡轮的最大应力的位置发生在叶片底端。不同的是, 随着转速的不断增加, 压气机叶轮的等效应力呈现增长趋势, 应力在叶轮的叶片根部存在较明显的应力集中。
图9考虑瞬态温度场的转子应力云图 (转速=5000 r/min)
图10考虑瞬态温度场的转子应力云图 (转速=10000 r/min)
图11考虑瞬态温度场的转子应力云图 (转速=20 000 r/min)
4结论
本文采用有限元软件ANSYS计算温度场作用下涡轮增压器转子的应力变化规律, 依据涡轮增压器转子的不同工作条件, 分别考虑稳态和瞬态热传递过程中的温度分布, 采用热结构耦合分析, 计算不同转速条件下涡轮增压器转子的涡轮与压气机叶轮的应力云图, 并得到最大等效应力。结果表明:1) 稳态温度载荷作用下, 转子的温度分布呈现线性关系, 这与瞬态温度分布有着明显的不同;2) 无论是稳态与瞬态温度场, 转子涡轮的最大等效应力随着转速的增加不断增大, 但压气机叶轮的应力变化规律有所区别, 稳态温度场时最大等效应力逐渐降低, 而瞬态温度场作用时, 最大等效应力随着转速增加却不断增大。
参考文献
[1]张俊红, 李志刚, 王铁宁, 车用涡轮增压技术的发展回顾、现状及展望[J].小型内燃机与摩托车, 2007, 36 (1) :66-69.
[2]何鹏, 刘占生, 刘镇星, 考虑杨氏模量随轴向温度分布变化的转子有限元建模方法研究[J].振动与冲击, 2012, 31 (14) :22-26.
[3]陆山, 赵明, 任平珍, 等.某型发动机转子热弯曲变形及其影响数值分析[J].航空动力学报, 1997, 12 (3) :243-246.
[4]白晓林, 荆建平, 谢帆, 等.变工况下主汽轮机转子热弹耦合特性研究[J].汽轮机技术, 2012, 54 (1) :26-28.
转子温度 篇3
28Cr Mo Ni V钢是杭州汽轮动力集团公司引进西门子反动式系列工业汽轮机转子锻件的重要材料,其长期在高温、高压、低温、潮湿等恶劣工况下高转速运行,需具有足够的高温持久强度、合理的强韧性匹配及较低的脆性转变温度。为防止转子发生脆性损伤,要求转子服役时始终处于韧性状态,即要求机组运行温度应高于转子的脆性转变温度。随着能源紧张和环保压力的日益突出,工业汽轮机组日益呈现出高参数、高功率和大型化的发展趋势,与此同时机组的进汽压力和温度不断提高,排汽压力和温度进一步降低,转子的尺寸不断增大,服役环境也更加恶劣,因此对转子材料的质量,特别是脆性转变温度提出了更高的要求。脆性转变温度作为转子材料重要的质量指标,综合体现了转子钢内在的质量水平,在一定程度上反映了生产厂家的制造实力。国内外对汽轮机转子材料的研究主要集中在转子锻件的生产、质量评定以及高性能转子材料开发等方面［1-3］,关于工业汽轮机转子钢脆性转变温度的正确评定以及影响因素却未见报道。
笔者研究工业汽轮机转子用钢28Cr Mo Ni V在不同试验温度下的冲击韧性,结合对冲击吸收功、脆性断面率和断口形貌的分析,评定该转子钢的脆性转变温度,并对转子钢脆性转变温度的主要影响因素进行研究,为生产厂家进一步提高转子钢的质量提供理论参考依据。
1试验材料和方法
试验用转子钢28Cr Mo Ni V的制造采用电渣重熔钢锭,运用合理优化的锻造及热处理工艺: 锻造比大于4. 5,锻后预备热处理采用正火+ 回火的方式,正火温度为900 ℃ ~ 920 ℃ ,回火温度为640 ℃ ~660 ℃ ,调质热处理淬火温度为940 ℃ ~ 950 ℃ ,采用水淬油冷的技术,高温回火温度为660 ℃ ~ 670 ℃ 。试样取自转子锻件的轴身切向,其成品化学成分如表1 所示。
(单位:wt.%)
试验按照《GB /T229—2007 金属材料夏比摆锤冲击试验方法》中规定的方法进行,利用“系列温度冲击试验法”测定该材料的脆性转变温度,夏比V型缺口冲击试样为标准试样10 mm × 10 mm × 55 mm。本研究在ZBC-2302N-2 型摆锤冲击试验机上分别进行-100 ℃ ~ 20 ℃ 温度的夏比冲击试验,温度间隔为20℃ ,每个试验温度点采用3 个试样。低温控温介质为无水乙醇和液氮混合物,为保证试样内、外温度一致,试样在规定温度溶液中保温时间≥5 min,用TES-TO735-1 型低温热电偶测试温度。本研究采取缩短间隔时间和补偿温度损失的方法,尽量保证冲击时试样温度为预定温度。冲击后的试样经无水乙醇浸泡,并迅速吹干,利用SM-5600LV型扫描电镜( SEM) 观察断口形貌,并将试样经过磨削-抛光-腐蚀,利用Axiovert200MAT金相显微镜观察其显微组织。
2实验及结果分析
2. 1 夏比冲击试验结果
试样在不同试验温度下的测试结果如表2 所示。可看出,试验钢在室温时有较高的冲击韧性,随着温度的降低,冲击吸收功下降,脆性断面率上升,特别是试验温度由- 40 ℃ 降到- 60 ℃ 时,冲击吸收功急剧减小,脆性断面率急剧增加。
2. 2 断口形貌分析
利用扫描电镜观察到的不同试验温度对应的冲击断口形貌如图1 所示。试验温度为20 ℃和0 ℃ 时,试样断口表面有大量的韧窝,呈典型的韧性断裂特征,如图1( a) 、1 ( b) 所示。试验温度下降到- 20 ℃ 和- 40 ℃ 时,断口表面的韧窝数量和尺寸都在减小,韧窝较为浅平细小且分布不均匀,断裂方式还是以韧性断裂为主,如图1 ( c) 、1 ( d) 所示。试验温度低于- 60 ℃ 后,断口表面的韧窝数量急剧减少,呈现出典型的解理断口形貌,如图1( e ~ g) 所示。可以看出,随着试验温度的降低,试样由韧性断裂逐步转变为脆性断裂,韧性转变温度应在- 40 ℃与- 60 ℃之间。
冲击试样在温度分别为20 ℃ 和- 60 ℃ 时断口形貌的局部放大图如图2 所示。
在图2( a) 中可观察到断口形貌呈典型的等轴韧窝特征,韧窝数量较多且分布均匀,在部分韧窝的窝底可看到强化第二相小颗粒,可见断裂前发生了较大的塑性变形。
而图2( b) 中可观察到断口表面有大量的扇形解理花样,并出现脆性滑移平台。
2. 3 脆性转变温度确定
金属材料的脆性转变温度可通过脆性断面率到达规定百分数( 如FATT50) 或冲击吸收功到达上、下平台区间规定百分数( 如ETT50) 来确定。大量的试验数据表明［4-5］,脆性断面率和冲击吸收功与温度之间的关系曲线均呈S形。即在低温区时,试样的冲击吸收功较低( 脆性断面率较高) ,随着温度的升高,冲击吸收功逐渐升高( 脆性断面率逐渐降低) ,当到达转变温度区间时,冲击吸收功迅速上升( 脆性断面率迅速下降) ,随后逐渐平缓形成水平线,关系曲线大致可分为下平台区,转变温度区和上平台区3 个阶段。
在实际操作中,由于无法使脆性断面率或冲击吸收功的结果刚好满足转变点要求,且实验的数据离散度较大,得到典型的S型曲线非常困难,通常需要采用曲线拟合方法来确定。
大量的研究与实践表明［6-8］,采用Boltzmann函数对冲击功( 或脆性断面率) 和温度的关系进行拟合回归分析时,温度和冲击功( 或脆性断面率) 的关系得到较好的阐述,其温度和冲击功( 或脆性断面率) 具有较好的关联性及较小的误差,且各物理参数的意义明确,是最为合适的试验数据处理方法:
式中: t—温度,℃; A1—下平台能,J; A2—上平台能,J;t0—脆性转变温度,℃; Δt—转变温度区的温度范围,℃( Δt越小,转变温度区的温度范围越窄,即材料越易由韧性向脆性转变) 。
冲击断口脆性断面率和冲击吸收功与试验温度的关系拟合曲线图如图3 所示。
由图3 可见明显的冲击功上、下平台及脆性断面率上、下平台,脆性断面率为50% 时所对应的温度FATT50为- 55 ℃,冲击吸收功为上、下平台区间50%时所对应的温度ETT50为- 52 ℃,两种方法确定的韧脆性转变温度相差不大,这也与观察到的冲击断口形貌特征相符。 结合断口形貌分析,最终确定28Cr Mo Ni V的脆性转变温度t0= - 52 ℃ 。
3脆性转变温度的影响因素
根据西门子引进技术标准,该转子钢的脆性转变温度要求为≤85 ℃,而该试验测定的转子钢脆性转变温度明显低于该数值。通过研究分析,本研究认为该28Cr Mo Ni V转子钢锻件脆性转变温度较低的原因主要有以下几点。
3. 1 化学成分的影响
合金元素对钢的脆性转变温度有着明显的影响。Mn可改善钢的韧性,C是重要的脆化元素,碳化物大部分是脆性相,裂纹源,在钢的标准化学成分范围内,随着Mn /C比的增加,可提高钢的冲击韧性［9］。Ni不形成碳化物,几乎完全溶入铁素体,从而起到固溶强化的作用,Ni可以改善材料的塑性和韧性,尤其是材料低温时的冲击性能,从而降低脆性转变温度。除Mn、Ni外,铁素体形成元素均有促进钢脆化的倾向［10］。Si是非碳化物形成元素,固溶于钢中起到固溶强化作用,随着Si含量的增加,钢的抗裂性能降低,脆性转变温度升高,Mo、V是提高热强度重要的元素,但都使韧脆性转变温度升高［11］。P和S等杂质易于在晶界上偏聚,降低晶界表面能,弱化了晶界,增大了沿晶脆性断裂的倾向,是使钢致脆的最主要元素,降低P、S等杂质含量可有效提高钢的韧性［12-14］。
该试验用材料28Cr Mo Ni V钢冶炼时采用电渣重熔技术,通过先进的冶炼工艺,精准控制各类元素化学成分,具有纯净度高,非金属夹杂物低等特点。在实际生产中,本研究在标准范围内合理提高Mn /C比,同时尽可能的降低Si、P、S等元素的含量,使杂质元素含量远低于标准要求值,从而有效地降低了试验钢的脆性转变温度。
3. 2 微观组织的影响
钢的脆性转变温度与其微观组织有密切关系。相关研究表明［15-16］,淬火时采用水淬油冷等激冷的方式,获得较多的马氏体组织,有利于韧性的提高; 回火后组织中碳化物及第二相颗粒越细小均匀,则越有利于脆性转变温度的降低。
试验用28Cr Mo Ni V钢进行调质处理时,淬火采用水淬油冷的工艺得到马氏体组织,再通过高温回火获得回火索氏体,其金相组织如图4 所示。
由图4 可以看出,试样组织致密均匀,细小的碳化物及第二相颗粒呈弥散均匀分布,降低了脆性转变温度,此外还存在呈条束状且尺寸十分细小的针状铁素体,裂纹在扩展过程中会受到这些彼此咬合、互相交错分布的细小的针状铁素体的阻碍,从而有效地提高了其强度和韧性,针状铁素体内部的高密度位错和亚晶界结构也在很大的程度上提高了韧性,降低了钢的脆性转变温度。
3. 3 晶粒尺寸的影响
钢中的晶粒尺寸对脆性转变温度有显著的影响。派齐方程［17］描述了晶粒尺寸与脆性转变温度的关系,晶粒越细小,脆性转变温度越低,如下式所示:
式中: β,B,C—常数; d—晶粒尺寸; Tt—脆性转变温度。
28Cr Mo Ni V钢通过锻造、正火等工艺细化了晶粒组织。晶粒细化后,单位体积内晶粒数目增多,细晶粒受到外力发生塑性变形时,可分散在更多的晶粒内进行,使变形更为均匀,同时降低应力集中。此外,晶粒细化增加了晶界的总面积,使晶界更为曲折并增加裂纹扩展的难度,晶界总面积的增加还可降低晶界上P、S等杂质元素的浓度,使晶界表面能增加,减少沿晶脆性断裂的倾向,从而提高钢的韧性,降低脆性转变温度［18］。由图4 可以看出,整个组织呈弥散分布、较为细小,细小的晶粒使得28Cr Mo Ni V转子钢具有较高的冲击韧性,并降低了脆性转变温度。
可见,转子用28Cr Mo Ni V钢脆性转变温度的降低是化学成分、微观组织以及晶粒尺寸等综合作用下的结果。
4结束语
本研究基于工业汽轮机转子用钢28Cr Mo Ni V在不同温度下的冲击试验,运用扫描电镜技术、Boltz-mann函数模型拟合等方法,定性分析了转子钢在不同温度下冲击吸收功及脆性断面率对应的断口形貌变化情况,评定了转子钢的脆性转变温度,并通过对影响转子钢脆性转变温度因素进行的分析,得出了该转子钢脆性转变温度明显低于标准值的原因。
转子温度 篇4
关键词：汽轮机,转子,调节级,ANSYS,瞬态温度场
国家经济的快速发展, 人们用电量逐步增加, 致使扩大了电网容量和增大了日常的峰谷差值, 同时也增加了建造高参数容量大的火电厂数量, 在经济安全运行方面, 对发电厂的要求也提到了一定高度。为满足用户用电的需求, 发电机组在一些时候需要调峰, 使得机组启停次数大量增加, 负荷波动幅度也更加强烈, 机组运行状况的改变造成缸体温度场分布发生改变并且热应力也相应的产生。我们找到了处理复杂物理场的方法——有限元电脑分析方法, 这个方法效果非常好, 它是在计算机软件和数值计算相结合的条件下孕育产生的, 它不仅能生成结构复杂的几何结构, 还能准确地对多种边界条件进行处理。以前分析复杂的结构和边界条件都选用解析方法, 对于温度和应力分布很难准确地进行分析。本文选取320MW汽轮机组作为研究对象, 使用有限元单元化方法仔细分析转子的温度应力场, 分析应力场的基础是对温度场的分析, 且汽轮机组启停及运行的关键分析是调节级) , 在实际生产中研究调节级温度的真实分布对300MW机组实际运行过程进行优化打下理论之基。
1 分析软件ANSYS的介绍
目前针对有限元分析通用分析数值软件之一就是ANSYS, 强大的计算分析功能使得在前后处理方面, 求解和数据库多场统一分析一体化方面拥有出众的表现。它的分析非线性功能, 可以同时使得求解器计算拥有多种, 可以划分多个用户网格, 总体来说, 它十分强大, 有点突出。
有限元分析法则是数值分析中的其中一种, 它能很好地处理形状条件复杂的物体, 并且可以随意变换它的单元形状和密集程度, 为了达到很好的相似而采取比较少的节点, 所以能很好的分析汽轮机转子的温度场和受力应力场。
2 为320MW汽轮机转子建模型
2.1 汽轮机模型参数
汽轮机参数为:N320-16.7/537/537 (合缸) , 亚临界中间次再热二缸两排汽凝汽式机组, 汽轮机转子, 总长6.98米, 0.73米的轴向长度, 调节级处半径为0.55米, 半径为0.1米的中心孔, 半径为0.3米的光轴, 其中高中压是整锻铸造, 高温耐热, 30Cr1Mo V的材料。为了减少机组运行时的轴向推力, 该320MW机组对称合缸布置, 在设计制造上轴向推力在一定程度上得到了相应的减少。根据建模的要求, 图示1简图所示, 高中压转子依次标注 (从左到右) , 我们把该转子抽象简化成一个轴对称三维立体图形, 没有内部热源, 各个方向性质相同, 在不稳定的条件下, 也是均匀的模型。
建立几何模型——1/4汽轮机高中压转子三维模型, 图2所示。
我们取调节级部分:见图3。
选取10°的模型并进行网格化分:见图示4与5。
3 解决模型温度场问题
3.1 为模型的温度场分布创建数学构架模型
引用文献[2], 由于该汽机转子模型在实际运行中的温度场不稳定, 我们假设该转子, 无内部热源, 个方向性质相同并且均匀, 我们列出偏微分方程式:
属于解轴对称温度函数问题, 在D区域内温度t (z, r, τ) 中是一个温度函数关系, 非定常, 并且轴对称, 从而可以获得求解。
注:ρ—材料的密度
Cp—材料的比热
λ为材料的导热率
3.2 计算传热系数
传热学理论告诉我们, 传导、对流和辐射是热量传递过程三种方式。在本模型中, 我们主要是传导和对流两种传热方式, 辐射忽略不计。在现有文献中, 对汽机转子的轴封位置、光轴位置, 利用换热系数公式计算所得。在机组实际的运行工况中, 只有知道了转子外界流质的换热系数和流质温度, 才能分析瞬时状态的温度场。我们选取不同时刻一系列的点的调节级处汽室温度, 各个抽汽蒸汽段的压力与温度, 按照这种方式对边界元的换热系数进行求解, 之所以这样来确定, 是因为它的表面换热系数是随时间、不同部位变化的, 不是固定的。各个部分的换热系数的确定, 要在分析瞬间状态温度场的时候仔细分析各个状态的边界条件, 不能简单的应用T, P或t相关的解析式来进行简单处理, 因为它们存在相当复杂的函数关系, 对于一段时间负荷的变化是无规律的, 随着负荷的变化蒸汽温度也是瞬时变化的, 所以对于换热系数要详尽的进行分析。
3.3 定解条件的确定
(1) 模型的热边界条件确定。转子模型如上图示2, 在计算过程中, 转子模型左端和右端 (轴承中心面和联轴器横截面) 我们认为绝热, 以此来处理简化, 即
注:α-蒸汽与转子表面的换热系数
tf-为与转子表面接触的汽温
(2) 转子内表面 (中心圆孔处) 作绝热边界处理。50℃作为恒定温度。转子轴颈处温度取70℃ (比轴承回油温度高) , 这个模型假设是第一类边界条件, 它已知边界温度的。而转子外表面的温度边界条件则是第三类边界条件 (即对流边界条件) 。
初始条件的运用, 求解式 (1) 的初始条件我们写为:
这两种情况下, 本文所涉及的初始条件, 每个条件的第一时刻和相应的边界条件, 根据稳态分析计算转子温度场在很短的时间内为初始状态。本文仅选择一个力矩和载荷步加载模拟汽轮机转子调节级。
(3) 对模型加载边界条件。我们运行计算机软件ANSYS对模型进行加载时进行简化处理, 但不是简单的拟合, 我们要运用关于其他参数边界条件化的瞬时分析。具体方法是:首先, 通过对温度场的计算在很短的时间内为初始条件, 边界条件的稳态分析对应边界条件。然后, 转子第一次加载边界条件对应的模型, 对于这段时间设定载荷步结束的时间, 为了计算第一个瞬态温度场。在第二周期计算, 与转子模型重新加载相应的边界条件, 此时, 载荷步的结束时间前两小时间段, 依次同理, 这样反过来进行重复加载, 直到最后一个采样周期结束时计算在整个工作条件下的瞬态温度场计算结果。由于边界是更复杂的, 所以这个繁琐过程使用加载读取程序指令进行。
4 在调节级处根据实际加载负荷 (图示6) 并且得到仿真结果 (图示7)
5 模型软件仿真的总结
在汽轮机实际生产启动过程中, 暖机前一段时间, 汽机转子内温度场在参数的变化下也不固定变化, 中心孔的温度和外表温度之间的差值也是呈增大趋势变化, 在暖机过程中转子温度场变化则趋于平稳, 在形状不规则的边界地带上分布折复杂的等温线, 这两者之间的温度差慢慢减小。在机组冷启动阶段中, 很明显, 转子是一个被蒸汽加热的过程, 温差的存在造成热应力的产生, 在控制温差率的前提下, 就相应控制了应力变化。我们通过控制部件间的温差, 我们可以在暖机过程中着手, 从图示7可以明显看出, 在启动的前期转子上出现温度差最大的时刻, 即调节级根部是最危险的部位。为了确保在最短的时间安全启动, 我们可以通过对冷启动过程的仿真并计算和实践, 合理安排各个阶段的启动时间来达到母的。
汽轮机在运行生产中, 各级是在不同的参数的蒸汽下转动, 而调节级是最重要的。在对调节级温度模拟仿真完成的基础上, 其他部位同样可以运用相同原理进行构建模型仿真分析, 对该汽机转子整体的温度场分布和应力场分布的情况进行研究, 运行电脑运行分析, 从而进行对实际运行状况的理论指导。
6 对此次实践论证的结论
(1) 温度场的有限元法计算汽轮机转子可以很好地模拟复杂的边界形状, 计算的结果更准确。协助于ANSYS有限元分析软件建立转子几何模型, 将有限元网格划分程序, 可以方便, 快速完成有限元网格生成与转子加密解决方案区域, 有限元网格模型的满足各种求解器的选择, 同时保证有限元结果的精度。
(2) 本文选择从电厂工况的实际运行条件的计算, 使计算结果更接近实际的操作, 而且在理论上为汽机转子温度场分布和应力的计算、汽机寿命损耗管理提供了有力的参考。
参考文献
[1]刘涛, 杨凤鹏.精通ANSYS[M].北京:清华大学出版社, 2002.
[2]剪天聪.汽轮机原理[M].北京:水利电力出版社, 1986.