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中心孔对大功率核电汽轮机转子强度和稳定性的影响

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196 电力与能源 第38卷第2期 2017年4月 中心孔对大功率核电汽轮机转子强度 和稳定性的影响 冀润景 (中国电能成套设备有限公司,北京100080) 摘要:对大型整锻转子锻件开中心孔的原因和可能带来的问题进行了分析。研究分割叶轮和二次计算方 法,推导了适用于整锻转子应力计算的矩阵方程,介绍开中 fi,孔对转子强度、应力腐蚀的影响。同时,还讨论 了轴系临界转速、不平衡响应以及扭振计算方法。最后基于计算结果分析了开中 6:fL对轴系稳定性的影响。 关键词:中心孔;二次计算;强度;轴系稳定性 作者简介:冀润景(1981一),男,硕士,高级工程师,从事核电汽轮机设备监进技术及管理工作。 ’中图分类号:TK267 文献标志码:A 文章编号:2095—1256(2017)02一O196—05 Influence of Central bore on Rotor Stength and rStability for Large Capacity Nuclear Turbine JI Runjing (China Power Complete Equipment Co.,Ltd.,Beijing 100080,China) Abstract:This paper analyzes the purposes and possible problems for opening the central bore in large integral rotor forging.It also discusses the method of dividing impeller and two times calculation,derives the matrix e— quation suitable for integral rotor stress calculation,and analyzes the influence of center bore on rotor strength and stress corrosion.The calculation method of critic speed,unbalance response and torsional vibration of ro— tot assembly is discussed,and influence of center bore on the stability of rotor assembly is analyzed based on the calculation result. Key words:central bore;tWO times calculation;strength;stability of rotor assembly 对大功率核电汽轮机来说,以APIO00为例, 低压转子(不带叶片)轴身直径2 785 mm、长 11 180 mm,若采用红套转子则存在轮盘套装键 槽等部位的应力腐蚀和飞射物概率增加的风险。 若采用焊接转子方案,除焊接工艺的过程控制有 较高要求,还需解决异种钢焊接时的碳扩散以及 对转子应力分布的影响,文献[2]和[3]分别用有 限元法和解析公式对中心孔带来的转子应力变化 进行了分析;②运行中中心孔处进油进水带来的 转子涡动,文献E43和E51分别介绍了中心孔进油、 进水引起的振动故障的诊断和解决方法。 本文从工程实用方法出发,通过计算结果的 比对,分析大功率核电汽轮机低压转子开中心孔 后对轮盘强度和轴系稳定性的影响。 为提高可焊性而降低合金元素含量带来的 FATT偏高问题[1]。因此,整锻转子仍是大功率 核电汽轮机低压转子的一个主要发展方向。 对于百万千瓦级核电低压转子,钢锭质量达 到600吨级,对钢锭的偏析控制、心部压实、晶粒 度控制等工艺的提高需要一个成熟的过程。对于 最初制造的几根转子,从汽轮机厂家以及技术引 1 中心孔对叶轮强度的影响 1.1叶轮应力计算方法 对叶轮的微元体,以位移为未知量,由弹性力 学可得叶轮应力基本计算公式 : +( 一dy 1dR 2 I 、 Y dR Tl 一R)/ dR+  } (卫 一 ) + 一0 RY dR R …… 进方角度,都希望通过打中心孔来消除锻件中心 部位的薄弱部分,并可对中心部分的质量进行评 估。 对转子开中心孔带来的问题主要体现在:① 冀润景:中心孔对大功率核电汽轮机转子强度和稳定性的影响 l97 A一 (1一 )/E (1) 式中R——叶轮某截面的半径; , ——[L (  川一),Y/Jy/ 1Y+ i+  ̄一 ) 1 ”E, 。 ”, 一] ( 4) 式中 ,——第J段的厚度。 至此,给定叶轮边界应力值,即可按式(3)和 式(4)直接计算出叶轮各部位的应力值。 在进行叶轮计算时,需要确定边界条件,叶轮 外表面的径向应力 是有叶片离心力及叶根与 (5) 半径R处径向位移和叶轮厚度; ,p,E——材料泊松比、密度和弹性模量; 叫——叶轮角速度。 求得位移后,根据虎克定律以及应变几何方 程,按式(2)写成矩阵方程求得各点的应力值。 『l 儿d 1]『 R R 罟]J 一AE  。]-r (2) 轮缘连接部分的离心力引起,可按式(5)计算: 一,, (ZFB q- F 。 )/2 7cR y 式中 、0"0——径向、切向应力。 除等厚度叶轮外,按这些方法直接求解微分 方程比较困难,在工程实际中常用近似方法计算。 以式(1)为基础,结合等厚度叶轮的计算方法,建 立矩阵方程,使得方程更为简明,计算过程更为方 便。 将转子沿轴向分割为多个单独的叶轮,再将 叶轮沿径向近似分为若干等厚度段,分段数越多 计算越精确,工程上认为一般9~1O段可满足需 要,每段的厚度改变量不宜大于10 ~20 。相 邻两段的应力示意图见图1。 +】 l 图1相邻两段的应力不意图 在图1中, 、t7 、 分别表示第J分 段的内外表面的径向、切向应力,J一1、2…a,a为 分段数。则对第 段,可按等厚度叶轮处理,对式 (1)、式(2)经推导,可得矩阵方程: ,, ,门 一Br rIJ 。, C] (3) B一 L母:。 ],是系数矩阵,各系数由m t c 值查表可得, 是该段的内外半径比。 c一( ),R 是第 段的外径,,z是转速。 相邻两段间的应力传递也可写成矩阵方式 [盯 .L口r.,+1+  仃 。a 0.H H j1]T—  一 式中R ,y ——叶轮外径、外缘厚度; F ,F…——叶片、半径R。以上轮缘部分 的离心力; Z——叶片数量; ——系数。 对空心转子的内表面,径向应力 一0,对实 心转子,则中心零半径上的径向、切向应力相等, ,i ,z o 1.2基于应力叠加原理的简化计算 叶轮任意半径上的应力是由 、 以及叶 轮质量离心力3部分组成。根据应力叠加原理, 这3部分载荷互相 ],因此可采用二次计算 法,使计算过程更为简化。 以空心叶轮为例,由内向外计算。第一次计 算时 已知, 未知,可假设 , 为任一值,通过 式(3)、式(4)求得各点的径向、切向应力 、 5。 由于第一次计算值与真实值的偏差仅由载荷 , 与真实载荷 引起的应力引起,因此第二次计 算时,令 , 一0, 一0,仅给定 为任一值,求得 、 ,其结果完全由载荷外表面载荷 。引起。 按应力叠加原理,对第二次计算应力值进行修正, 得到真实应力计算结果: 一 r+忌 I (6) 。一 +忌 f 式中k一( 。一 I。)/ ,是修正系数。 对于实心叶轮,两次计算分别给定 一 , 可以为任意值, 分别为工作转速和0。 1.3 中心孔对转子叶轮强度的影响计算分析 以某百万千瓦级核电汽轮机低压转子为例, 该转子为整锻转子,末级叶片长1 375 Iilm,最大 半径5 550 mm,其余尺寸、结构见图2。 分别按开中心孔(直径305 ram)和实心转子 进行稳态工况下的强度校核,同时考虑到核电汽 轮机的蒸汽参数以及转子直径,特别对应力腐蚀 198 冀润景:中心孔对大功率核电汽轮机转子强度和稳定性的影响 图2大功率核电汽轮机转子结构示意图 进行校验,见图3、图4、图5。从计算结果看,相 同条件下,实心转子开中心孔后,局部最大应力水 平和整体应力水平大大提高,但均满足强度要求。 5 4 Ⅱ 古篓s2  l O 5O lOO l5O 200 250 300 350 局部最大应力/MPa D许用应力 菌空心转子应力 ■实心转子应力 图3局部最大应力计算结果 5 4 , 吉2 l O 50 l00 15O 2oo 250 平均切向应力/MPa 里 里壁垄 曼皇: 鏊王生查 !壅尘整王堕查 图4平均切向应力计算结果 叶轮s = s 叶轮 ==] 0 lO0 200 300 400 5o0 600 等效应力/M ̄pR 图5典型部位应力腐蚀校验情况 空心叶轮的径向应力从外表面开始,随叶轮 半径减小不断增大,到达最大值后开始减小,直到 内孔处减小至0,而切向应力则随半径减小不断 增大,到内孔处达到最大。而实心叶轮的径向、切 向应力随半径减小增大,到中心处两者达到最大 值并相等。因此说,空心转子的应力水平高的主 要由切向应力贡献,这与很多文献记载的规律相 同 ]。 2 中心孔对汽轮机轴系稳定性的影响 轴系稳定性计算包括临界转速、不平衡响应、 扭振等内容。以下对低压转子开中心孔后,轴系 稳定性的计算进行分析。 2.1 中心孔对轴系临界转速的影响 无质心偏移的变截面转子自由振动的阵型方 程: (肼 )一pFY( ===。(7) 式中 j、F一一横截面惯性矩 E——横截面面积; Y(z)——挠度。 直接求解式(7)是不可能的,工程上采取试凑 方法,主要有初参数法和传递矩阵法。传递矩阵 法实质上就是初参数法的矩阵算法,具有程序简 单、数值稳定性高并且维数不随自由度增大而增 大_8],在工程上广泛应用。 传递矩阵法的原理是将轴系离散为圆盘、轴 段、支撑等若干部件,建立部件两端截面状态向量 间传递关系,利用连续条件求得任意截面与初始 截面间的关系,并通过边界条件进行涡动频率搜 索得到临界转速。对任一截面i构建状态向量z 一Ey Mi Q ] ,其中Y 、 、Mi、Q 分别是 截面i处的挠度、斜率、弯矩和切力。 对带有弹性支撑的刚性薄圆盘,有: Z 一D zl, (8) 1 0 0 0 0 1 O O D。一 O ( 。一 d)(cJ。 1 0 砌 一K. 0 O 1 式中D ——一圆盘传递矩阵; z ,zl—一圆盘i右、左端状态向量; J。,J ——圆盘极转动惯量和轴转动惯量; m——圆盘质量; K、——支撑总刚度系数。 对无质量的等截面弹性轴段,有: Z +1一H Z (9) 冀润景:中心孔对大功率核电汽轮机转子强度和稳定性的影响 199 z H 一 0 O O 1 Z 0 0 O 1 式中H ——轴段的传递矩阵; Z——轴段长度; ——材料剪切变形系数; z…,z ——轴段右、左截面状态向量。 结合式(8)一式(9)可以看出,任意截面i的 状态向量都可以表示为初始截面状态向量各元素 的线性组合,考虑到初始截面一般是自由端,切力 和弯矩为0,则任意截面i状态向量Z : zl_wr (1O) 式中w ——系数矩阵,由传递矩阵的乘积求 出。 显然对末端面』v,可得出: [ ]=w,w[ ] 式中w ——系数矩阵,由传递矩阵求出。 而末端面同样是自由端面,MN一0,Q 一0, 则w 为0时的转速,就是轴系临界转速。由于 轴系结构、质量、支撑刚度等均为已知,w 中各 系数仅为叫的函数。可选定初始角速度和适当 的增量,通过试算确定临界转速。 以百万千瓦级核电汽轮机组为例,其轴系由 1根高压转子、3根低压转子和1根发电机转子组 成,每根转子由2个轴承支撑。低压转子开孑L前 后的轴系弹性临界转速计算对比如表1所示。 表l临界转速计算值 r/rain 从表1计算结果看,开孔前后临界转速计算 值除低压2号转子略有差异外,其余完全相同,并 且均满足1O 的额定转速避开率,这说明开中心 孔对轴系临界转速几乎没有影响。分析其原因, 在进行传递矩阵计算时,开孔对计算结果的影响 体现在.,。、J 一的计算上,由于开孔直径305 mm 与转子直径相比很小,在计算时均为内外径比值 的4次方,对结果的影响则更小。 2.2 中心孔对不平衡响应的影响 不平衡响应的计算是通过按规定对各轴段施 加不平衡量,采用传递矩阵计算求得转子振动的 幅频响应,得到转子的各阶阻尼临界转速。其频 幅曲线的峰值越高,带宽越窄,则不平衡响应越敏 感,稳定性越差(见表2)。各汽轮机厂对轴系不 平衡响应的评价不完全相同,我国习惯用对数衰 减率 做判据,而日本习惯采用Q因子准则 。 表2不平衡响应计算结果 结构 计算项 发电机 低压1低压2低压3 高压 0.29(1st) ——o.32 o.30 o.28 o.69 空心0.56(2st) 籽Q因子 s …. …ss 对于不平衡响应的判定,目前尚无统一标准。 一般来说最小对数衰减率应至少大于0,其中国 内有厂家要求大于0.2,西门子则要求大于0.1。 从表2的计算结果看,均能满足。另外,开孔前后 对数衰减率的计算值几乎没有差别,说明开中心 孔对转子的不平衡响应影响甚小。开孔后各转子 Q因子分布如图6所示。 \ 、 ’ ~ Il 、~ 、、 、、 I ~ 、 f ’、 ■ 、^ f 、、 、 、 围 设计允许I-  程值; ¨ . ~ ’、~ 允 午Q目 日子 围 I- { ? 一 O ×l0o 设计转递 图6开孔后各转子Q因子分布 对Q因子的判定,如果在图6中曲线I以 下,认为稳定性是好的;在曲线I和Ⅱ之间,也可 认为稳定性是良好的;在Ⅱ以上,则认为稳定性较 差。表2的计算结果说明开中心孔对Q因子的 计算影响甚小,与对数衰减率的情况相同。事实 上,不难发现,对数衰减率与Q因子成反比,乘积 为 ,因此两者的计算受开孔的影响情况相同。 从图6看,开孔后各转子的Q因子均分布在曲线 200 冀润景:中心孔对大功率核电汽轮机转子强度和稳定性的影响 I以下,说明开孔后稳定性是好的。 2.3 中心孔对扭振及剪切应力计算的影响 对运行中的轴系,当发生超速或发电机两相 短路时,会发生扭振频率与工频或倍频耦合,以及 短路应力问题。扭振计算同样采用传递矩阵法, 一般仅进行二相短路工况计算,扭振频率的计算 受轴系长度、惯性直径、附加转动惯量以及轴系扭 转阻尼特性等影响。通过计算可得出,开中心孔 对扭振频率的影响不大_l ,原因与横振临界转速 的情况一样,开孔后轴系各阶扭振频率满足以下 避开要求:45 Hz<A算<55 Hz,93 Hz>,计算> 108 Hz。二相短路剪切应力计算结果见表3。 表3二相短路剪切应力计算结果 转子 高 低1 低2 低2 发 萌 ■— —丁—了—了— — — — _ 直径/mm 560 785 785 785 785 785 785 750 许用强度/MPa 358 358 358 358 358 358 358 379 实心转子/MPa 218 80 12l 122 158 156 232 254 空心转子/MPa 218 8O 121 125 161 155 231 253 由表3可以看出,开孔对二相短路应力的计 算影响不大,开孔前后二相短路应力计算值均满 足许用要求。 3 结语 (1)针对整锻转子应力计算,对分割叶轮计算 方法和基于应力叠加原理的二次计算方法进行了 深人探讨,推导出矩阵计算公式,不仅方便计算, 而且工程实用性强。 (2)对某大功率核电汽轮机低压转子开中心 孑L前后的转子应力计算结果表明,开孔后应力水 平大幅提高,但通过强度校核和应力腐蚀校核,仍 在允许范围。造成开孔后应力高的原因在于空心 叶轮内表面径向应力为0,切向应力达到最大。 (3)对轴系临界转速、不平衡响应和稳定性、 扭振及剪切应力计算方法进行了深入探讨。计算 结果表明开中心孔对轴系振动特性影响很小,工 程上可以不考虑。原因在于中心孔直径与转子直 径相比很小,对计算影响不大。 (4)对于大型整锻转子锻件,当受到热加工工 艺制约必须开中心孔时,应确保其强度通过校核。 参考文献: [I] 冀润景.核电汽轮机选型中需关注的几个问题分析[J]. 发电设备,2015,29(3):220—224. 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