搜索機組轉子裂紋處理應力分析
2013-06-07 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
本文對某電廠50MW汽輪機轉子裂紋切削前后不同運行條件下的溫度場、熱應力場和機械應力進行了有限元分析計算。計算分析結果表明:開裂部位位于轉子最大應力發生處,車削后,轉子最大應力降低。計算結果對轉子車削加工方案以及安全性評定提供了重要的技術依據。
來源:CAD世界網
關鍵字:應力處理 溫度 熱 分析 開裂
1 引言
某電廠轉子運行多年后,發生多處裂紋,裂紋主要發生在高壓端部汽封處。為了使轉子繼續投運,處理方案為采用車削轉子裂紋,將彈性槽、軸肩過渡園弧增大。應力是控制高溫部件結構壽命的關鍵因素,本計算根據電廠裂紋探傷結果對切削方案進行切削前后轉子應力分析,為轉子車削加工以及安全性評定提供必要的理論依據。
機組為上汽制造的單缸沖動凝汽式N50-90-1型汽輪機,材料為P2(30Cr2MoV)鋼。機組于1973年投運,1981年原轉子因內部冶金缺陷嚴重而報廢,電廠重新更換了轉子。自更換轉子后機組運行至2002年9月,機組經擴容改造,型號改為C55-8.83/0.411,額定功率增加到55MW。汽輪機動、靜葉片和隔板進行了更新,但轉子大軸未換。轉子改造后重新于2002年投運,2004年2月6日停機進行技改后的第一次揭缸檢查,發現轉子前軸封彈性槽與調節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,該轉子運送到制造廠對裂紋進行車削處理,前軸封彈性槽與調節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
本計算根據轉子的具體特征做了以下假設:
1) 轉子可近似視為軸對稱構件,計算模型取其對稱橫截面;
2) 材料為各向同性材料,假設材料在線彈性范圍內,材料物性參數是溫度的函數;
3) 不考慮輻射換熱,無內熱源。
4) 不考慮轉子表面以及端部內壓差、裝配應力、扭矩等的影響;僅考慮機械應力(主要是離心力)和溫差引起的熱應力兩部分。
2.2 幾何模型
由于轉子調節級附近以及前汽封端部的溫度較高,溫度變化劇烈,且包含了轉子上的應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,是起停過程中熱應力較高的危險部位。國內外運行實踐證明,熱應力引起的疲勞裂紋也常常在這些地方萌生和發展。因此,在計算中取第一級前(包括第一級)的部分區段轉子為研究對象。所建立的幾何模型經過旋轉后如圖3所示。
2.3 有限元模型
汽輪機轉子是典型的軸對稱構件,在計算時采用平面軸對稱單元。所劃分的有限元網格如圖4所示。
2.4 材料物性參數
轉子材料是30Cr2MoV,材料的物性參數如表1所示:在計算過程中,運行溫度時的材料物性參數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
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轉子在不同啟停工況下的熱應力,必須首先計算溫度場,而溫度場與轉子材料的物性參數、結構尺寸和運行工況有關。對確定的汽輪機轉子,材料和結構已定,溫度場主要由運行工況確定。
3.2 力邊界條件
計算應力場時,轉子軸線處取零壓力條件;轉子左端面(高壓區)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
汽輪機轉子不同區段表面與蒸汽之間的對流放熱系數是確定熱力邊界條件的關鍵。放熱系數主要取決于分析對象的熱力參數,如蒸汽的壓力、溫度、流量、速度等,以及轉子的結構參數。
轉子中心孔表面:因其徑向尺寸小,又基本上處于封閉狀態,因此換熱系數很小,故可以近似處理為絕熱邊界條件。
轉子外表面:汽輪機轉子不同區段外表面與蒸汽之間的對流放熱系數取決于各段轉子的結構、轉速、蒸汽的熱力參數等,目前還缺乏統一的計算方法,絕大多數采用經驗方式。本報告參照文獻[5][7]確定的轉子不同區段的放熱系數,轉子不同區段的劃分見下圖4(a)所示。
軸兩端放熱系數:軸的兩端取絕熱邊界條件。
4 瞬態溫度場以及熱應力計算
4.1 溫度場的確定
轉子運行工況分為汽輪機冷態啟動和熱態啟動工況。啟動狀態以下缸調節級處金屬溫度是否低于150oC來確定,低于150oC為冷態啟動,高于150oC為熱態啟動。瞬態溫度場的確定按電廠汽輪機運行規程實際啟動過程進行,計算轉子從啟動零時刻到達到穩態運行整個時間歷程內溫度場的變化。并從中確定溫度梯度最大的某時刻瞬態溫度場作為溫度載荷,對轉子結構熱應力進行分析。
轉子各截面上最大溫差時刻略有差異,選擇內外表面最大溫差Δtmax對應的時刻tc,可以計算出最大溫差截面上的最大熱應力,同時其它部位計算的熱應力接近最大值。因此我們僅關注tc時刻的溫度場及相應的熱應力。為了捕獲轉子在冷態、熱態啟動兩種工況下的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構尺寸突變的高應力集中部位。圖5、6為轉子原結構冷態啟動各截面外表面與內表面的溫差隨時間的變化曲線,機組在冷態啟動下轉子車削前溫度場分布見圖7。
4.2 熱應力的計算
轉子在各種工況時的tc時刻、截面位置以及相應的最大等效應力和相應的分量列于表2 中。機組在冷態啟動下轉子車削前危險部位的熱應力分布見圖8。
4.3 轉子應力分析的說明
計算結果最大虛擬應力與最大許用應力比較可見,轉子危險部位(前軸峰彈性槽)的最大應力已超過材料的屈服強度。但是這種高應力分布局限于靠近調節級前軸封的彈性槽內的微小區域內,當局部材料屈服后,產生的局部材料流會消減應力峰值,故宏觀上轉子材料仍處于彈性范圍。
5 離心力應力計算
5.1 離心力應力計算
表2:轉子外內表面tc時刻的最大溫差、最大等效應力
汽輪機在高速旋轉時在轉子內產生很高的離心應力,轉子離心應力場計算結果為:轉子在每分鐘3000轉時的最大等效應力為123Mpa,位于調節級前過渡圓角處,其應力分量分別為:徑向σr=134.2MPa,軸向σz=21.6MPa,環向σθ=89.8MPa;內孔最大等效應力為106Mpa,位于調節級下方內孔,其應力分量分別為:徑向σr=9.5MPa,軸向σz=-9.0MPa,環向σθ=104.5MPa。離心應力的分布見圖9。
6 轉子經車削修復對軸向推力的影響
轉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)。轉子修復方案保持汽封平均直徑不變僅沿深度方向和軸向進行,因此,僅僅使得轉子推力增加了F1和F2。如圖10所示,由于F1,F2大小相等方向相反,所以進行轉子修復加工對轉子軸向推力沒有影響。
7 結論及建議
· 轉子的熱應力顯著較大的兩個部位分別是前軸封彈性槽和調節級葉輪前根部;
· 機組在穩態運行條件下轉子的較大離心應力部位在調節級下方內孔以及轉子外表面靠近調節級前根部倒角處;
· 裂紋轉子車削后,改變了調節級和軸封熱彈性槽結構形狀,其應力集中程度降低。車削后應力水平較車削前有所降低;
· 計算轉子應力最大部位與電廠轉子實際開裂部位相一致,計算結果可用于轉子的疲勞、蠕變壽命分析;
· 建議減少不必要的起停次數,避免參與調峰;減緩啟動速率,降低啟動過程中溫度變化率,盡量采用滑參數啟動方式;
· 本計算將轉子處理為軸對稱結構,忽略軸向壓力差、過盈配合產生的裝配應力,故對本部分應力計算偏于保守。
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