超超临界汽轮机转子高温强度分析

 超超临界汽轮机转子高温强度分析

杨再兴

中国大唐集团有限公司广东分公司     广东省广州市    510335

摘要：为探究超超临界汽轮机转子在高温状态下的结构力学性能，对转子高温应变理论展开了分析。结合相关理论，采用有限元分析法对转子高温强度展开分析，在5.2MPa/600℃等参数条件下对结构应力分布情况和蠕变影响进行了探究，发现转子在稳态蠕变速率将完成应力重新分配，给结构损伤带来一定影响，能够转子研发提供参考。

关键词：超超临界；汽轮机转子；高温强度

引言：利用超超临界汽轮机进行火力发电，能够达到更高热效率，并减少二氧化碳排放，满足清洁生产需求。但在蒸汽温度较高的情况下，汽轮机转子材料容易出现高温蠕变失效问题，长时间运转容易发生脆性断裂。因此，应加强超超临界汽轮机转子高温强度研究，能够确定结构应力与蠕变变形的关系，为转子研发提供必要的材料分析数据，为转子获得关键性能提供保障。

1超超临界汽轮机转子的高温应变

研究超超临界汽轮机转子高温强度，在转子运行温度不超400℃时，只需要结合线弹性本构关系完成材料强度程度校核。而超出400℃，意味着材料将发生蠕变，对转子施加的应力比弹性极限较低，容易因塑性变形引发结构失效问题。在高温下迅速旋转，材料变形将持续增加，蠕变划分为速率降低、稳态蠕变、速率剧增三个阶段，最终引发结构断裂。从结构受力上来看，包含传递扭矩的剪应力、自重引发的交变拉压应力，相较于离心力均可忽略[1]。在转子运动过程中，通过叶片旋转产生离心力，施加至叶根槽承力面。而在转子与蒸汽换热时，需要通过光轴、汽封和叶根槽传热。利用Abaqus有限元软件分析结构高温应变，可以采用简化二维轴对称模型，完成叶根槽等传热与受力位置实施网格加密。建立蠕变本构方程，可知影响蠕变应变速率的参数是与温度相关的材料常数，然后按照塑性应变理论进行分析，确定蠕变与应力关系。此外，在转子研发期间，需要保证其结构强度能够达到服役要求，在使用温度达到600℃时依然能够维持持久强度，应对高温蠕变引发的变形，确保转子使用寿命达到设计要求。因此在高温应变分析时，需要确认材料因为连续蠕变产生的累积损伤程度，确认结构是否会发生过大疲劳损伤。

2超超临界汽轮机转子高温强度分析

2.1参数设置

在实践分析时，超超临界汽轮机转子再热进汽设置为5.2MPa/600℃，使用拥有良好热稳定性的12%Cr钢材料。转子额定转速为3000r/min，可以达到2×105h稳定运行时间。采用Norton-Bailey修正方法进行蠕变应力分析，可以对结构受力进行非线性分析，在每次平衡迭代中完成刚度矩阵修改。在维持平衡迭代过程中，并不会修正矩阵。实际采用该方法对转子蠕变强度进行分析，需要保证参数得到合理设置，保证结算结果准确的同时，方法能够快速收敛。通过开展收敛性验证，能够得到67596个网格。由于结构受力复杂，转子蠕变将产生多轴性。在材料存在微孔洞等缺陷的情况下，才会在高温状态下因为材料变形发生蠕变断裂，得到：

式中，FCA指的是多轴度因子，为单轴蠕变和多轴蠕变发生的失效应变比值，sinh则为双曲正弦函数，n为蠕变试验Norton指数，σm为静水应力，σe为等效应力[2]。多轴度因子越大，说明发生的多轴效应越显著，将引发更大的蠕变损伤。在模型中输入厂家提供的转子结构参数、蒸汽参数等各项参数，将支撑边界设置为轴承座位置，能够对结构应力展开分析。

2.2应力分布

通过有限元分析，可以发现在温度超出400℃的情况下，转子将进入到蠕变应变场。对比增加多轴效应前后的转子各部位蠕变效应变化情况可知，叶根槽和蒸汽入口位置的数值将发生明显变化。对结构应力场展开分析可以发现，材料发生蠕变，将造成晶界位置的孔洞变大，局部发生严重变性，引发蠕变率变化，继而导致结构应力需要重新分配。对照转子尚未运行时的结构应力分布情况可知，在高温状态下材料发生蠕变，最初最大应力位于叶根槽位置，应力最大能够达到603MPa。从具体位置应力变化情况来看，叶根槽下端位置（A点）和圆角位置（B点）变形量不断增加，同时蒸汽入口位置（C点）和转子芯部（D点）也发生了变形，结构应力发生不同程度变化。如图1所示，在1×104h阶段，叶根槽下端应力从162MPa变为94MPa，呈现出减小趋势，在3×104h阶段达到91MPa，并且维持稳定。在靠近圆角附近的位置，材料应力23MPa提升至44MPa，提升幅度较小。在入口位置，尽管材料发生变形，但应力变化不到。在转子芯部，应力从80MPa下降至62MPa。由此可见，在材料钢开始发生蠕变后，转子结构应力已经进入到重新分配阶段。出现这一情况，主要是由于汽轮机启停期间，转子将发生剧烈的温度变化，并且产生较大热应力。叶根槽等位置属于过渡区，相比较而言温度较高，容易出现应力集中问题，因此需要当成是重点分析对象，考虑材料蠕变给转子结构疲劳寿命带来的影响，确保转子高温强度能够得到最大限度把控，有针对性的解决转子研发问题。

图 1 转子关键位置应力变化情况

2.3蠕变影响

为确定蠕变给转子结构引发的损伤情况，需要对各位置损伤度进行分析。根据多轴度因子和蠕变损伤度关系，调取相应函数进行分析，选择三轴度因子确定不同位置在不同时刻的蠕变损伤程度。从分析结果来看，除了叶根槽圆角位置，其余位置损伤程度都在初期得到了迅速积累，随后增长速度有所减小，直至达到稳定状态。在超出稳定状态后，损伤程度又有所增加。而圆角位置损伤程度从开始呈现出缓慢增长态势，在稳态蠕变阶段达到稳定。考虑到损伤程度累积情况与结构应力密切相关，可知在应力增加的情况下，损伤程度累积速率有所增长。在多轴效应变大的情况下，也会造成同样的效果。由于叶根槽下端位置初期应力减小，同时多轴效应并未发生显著变化，因此损伤程度累积速率有所下降。在圆角位置，初期结构应力变化速度较快，造成损伤程度快速增长，发展至后期因为应力稳定，损伤程度变化也有所放缓。而累积得到的损伤程度较大，将造成结构发生蠕变疲劳，出现使用寿命下降的问题。所以在超超临界汽轮机转子设计时，需要考虑到高温部件不仅受到蠕变应力引发的结构破坏，也需要因工况变化引发的损伤度累积问题产生疲劳损伤。在综合分析的基础上，保证结构高温强度足够，能够应对各种损伤，才能保证转子维持长时间稳定运行，不会发生高温断裂问题。此外，针对各关键位置，在研究蠕变损伤程度变化趋势时，需要考虑结构应力重新分配问题，保证结构使用寿命得到科学分析。实际在材料研究过程中，需要引入该因素建立结构损伤程度分析模型，对结构使用寿命进行预测，以免分析结果出现偏大或偏小问题，给转子材料高温强度研究带来偏差。

结论：在超超临界汽轮机研发的过程中，转子为重要组成部分，需要保证材料在高温条件下依然拥有足够强度，保证转子结构稳定，不会发生脆性断裂等问题。在实践分析过程中，采用有限元分析法建立蠕变应力分析模型，通过合理设置参数加强结构应力分布分析，并确认蠕变给材料性能带来的影响，能够把握材料在高温状态的性能变化规律，为新型转子研究提供指导。

参考文献：

[1]聂义宏,白亚冠,金嘉瑜,等.700℃先进超超临界汽轮机转子锻件用铁镍基合金的高温组织稳定性研究[J].动力工程学报,2019,39(08):661-665.

[2]肖国华,韩学文,田晓,等.国产和进口10Cr转子钢高温持久性能和组织演化[J].钢铁研究学报,2018,30(10):836-845.