基于ANSYS对300MW汽轮机组转子温度场的仿真探究

摘 要：单机汽轮机组功率日趋增大，为了适应电网要求和用电的峰谷差值，要求机组在安全运行的前提下保证经济参数是运行人员努力的方向。由于大容量机组参与调峰运行，必然在负荷变化或启动或停运机组时，造成机组蒸汽参数大幅变动，必然使汽机部件温度场发生强烈变化，并会有很大的热应力产生。为了确保安全经济运行的火电厂汽轮机组运行，在轴对称弹性理论的基础上，考虑材料随温度的变化的物理性能，使用ANSYS有限元结构分析电脑软件，对300MW机组的调节级根部进行温度场仿真模拟，从而为进一步研究在实际运行工况下整个高中压转子瞬时温度场分布变化情况及转子在不同工况下的热应力分析提供理论基础。

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0.34米的光轴，其中高中压是整锻铸造，高温耐热，30Cr1MoV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.

[3]王建梅.国产200MW机组调峰运行的应力和寿命损耗在线监测[D].硕士学位论文，1998.

作者简介：司群（1985—），男，河北东光人，本科，助理工程师，电厂集控运行。