第47卷第5期 热 力 发 电 THEI dAL POWER GENER LTION Vb1.47 NO.5 Mav2018 2018年5月 某电厂汽轮机低压缸零出力供热工况 低压末级叶片动强度分析 谷伟伟,张永海,余小兵,高 庆,高登攀,宋文希 (西安热工研究院有限公司,陕西 西安710054) [摘 要] 汽轮机低压缸零出力供热工况下,低压缸的进汽流量急剧减小,会导致低压末级叶片运行 工况严重偏离设计值而影响其安全性。本文采用有限元方法,建立了某电厂300MW汽轮 机低压末级叶片在汽流激振力下的振动方程,采用直接积分方法分别计算了叶片在设计工 况和低压缸零出力供热工况下的动应力。结果表明:设计工况下叶片的最大动应力为 5.973/VIPa,位于叶顶区域:低压缸零出力供热工况下叶片的最大动应力为1.119MPa,位 于凸肩区域,该最大动应力小于设计工况,说明低压缸零出力供热工况下叶片的动强度满 足制造厂设计要求。 [关键词] 汽轮机;低压缸零出力供热:叶片;有限元方法;振动方程;动应力 TK262[文献标识码]B FDOI编号]10.196668.rlfd.201801041 [中图分类号] [引用本文格式]谷伟伟,张永海,余小兵,等.某电厂汽轮机低压缸零出力供热工况低压末级叶片动强度分析[J】.热力发电, 2018,47(5):63—70.GUWeiwei,ZHANGYonghai,YUXiaobing,eta1.Dynamic strengthanalysisofthelowpressurelast stageblade under zero-output heating conditions oflow pressure cylinder n ia power plnta[J].Thermal Power Generation,2018,47(5):63-70. Dynamic strength analysis of the low pressure last stage blade under zero-output heating condiions tof low pressure cylinder in a power plant GU Weiwei,ZHANG Yonghai,YU Xiaobing,GAO Qing,GAO Dengpan,SONG Wenxi (xi’all Thermal PowerResearch Institute Co.,Ltd.,Xi’柚710054,China) Abstract:The steam input lfow of low pressure cylinder under zero—output heating conditions is decreased sharply, which causesthelast stagebladeto seriouslydeviatefromthedesignvalue andthen affectsits safety.Basedonthe finite element method.the vibration equation of he tlow pressure last stage blade of a 300 MW steam turbine under steaid lfow excitation force is established.The dynamic stresses of he tblade nderu he tdesign condiiton and zero- output heating conditions of low pressure cylinder are calculated separately by direct integration method.The calculation results show hatt the maximum dynamic stress nderu he tdesin gcondition is 5.973 M a.which is located i nhe ttip region ofthe blade.On he tother hand,the maximum dynamic stress under zero—output heatng iconditions of low pressre cylunder iis 1.11 9~ a.which is located in the shoulder region.The dynamic stress nder uzero- output heating condiitons of low pressre ucylinder is less than hatt nder uhe tdesin condigtion,indicatng ihatt he tdynamic strength of he bltade under zero.output heating condiitons of low pressure cylinder meets the desin grequirements of he matnufacturer. Key words:turbine,zero.output heating conditions oflow pressre ucylinder,blade,f'mite element method,vibration equation,dynamic stress 国内供热机组受热电耦合特性【1-3]、“以热定 性[8_9】的政策要求。低压缸零出力供热技术是一种将 绝大部分中压缸排汽用于供热,极少量排汽通入低 压缸,带走低压叶片鼓风热量的供热技术。该技术 实现了低压缸零出力运行,从而提高机组供热能力 电”[4—6】运行方式及低压缸冷却蒸汽流量限值的 影响,其深度调峰[7】能力明显不足,与国外供热机 组存在较大差距,无法满足国家关于火电机组灵活 收稿日期:2018.01.12 第一作者简介:谷伟伟(1982—),男,博士,工程师,主要研究方向为叶轮机械的强度与振动特性分析,guweiwei@tpri.corn.ca。 热力发 电 和电调峰能力,而且能够实现供热机组在抽汽凝汽 式运行方式与高背压运行方式之间灵活切换,使机 组同时具备高背压机组供热能力大、抽汽凝汽式供 热机组运行方式灵活的特点。 汽轮机低压缸零出力供热运行后,低压缸的进 汽流量急剧减小,低压叶片长期在小容积流量工况 运行,严重偏离设计。研究表明,在小容积流量工 况低压末级叶片易发生颤振 12】,导致动应力[13_I6】 解,时间步长取3.55×10—6 S。计算时施加的边界条 件有约束叉型叶根销钉孔,约束叶片凸肩接触面, 约束围带接触面。 增大而影响其安全性。对于服役多年的机组,目前 很难根据叶片动应力计算结果评估其剩余疲劳寿 命和动强度。因此,本文基于有限元方法建立某电 厂300IVlW汽轮机低压末级叶片的有限元模型,采 用直接积分方法分别计算了其在设计工况和低压 缸零出力供热工况下的动应力,对比分析低压缸零 出力供热工况下的叶片的动强度。 图1叶片有限元模型 1动应力计算方法 采用有限元方法建立了某电厂低压末级长叶 片的振动方程 Fig.1 Finite element model of the blade 眵O O 2设计工况的叶片动应力 勤 “ E l 拍 0 5 MX(t)+cx(t)+xx(t)= (f) 式中: (1) 设计工况下低压缸进汽流量为600 t/h,在汽流 为质量矩阵;K为刚度矩阵;C为阻尼矩 力作用下末级长叶片在1个周期l0个不同时刻的 变形量如图2所示。由图2可见:在3/4叶高出汽 边区域叶片的变形量最大,约为0.057 3 an];1/r2叶 高出汽边区域叶片也存在较大的变形量,最大约为 0.0l2 2mm。 阵; f)为振动响应;F(O为汽流力,通过对低压末 级叶片内部流场进行全三维非定常计算流体力学 分析获得。 叶片的有限元网格如图1所示,其中包含了 20.42万单元和4.75万节点,在叶片叶型进汽边、 出汽边、下倒圆和上倒圆、叉型叶根销钉孔、凸肩 接触面和围带接触面等应力易集中的部位,对网格 进行了加密处理。 设计工况下在汽流力作用下末级叶片在1个周 期10个时刻的蒸汽弯应力如图3所示。由图3可 见,在叶片进汽边与叶根平台倒圆区域、叶片出汽 边与叶根平台倒圆区域、1/4叶高出汽边区域、凸肩 区域、3/4叶高区域、叶顶区域存在较大的蒸汽弯应 力和动应力。 受形量J.m -0 采用直接积分方法对叶片的振动方程进行求 变形量/m 1 0 0.1 5OE一05 0.3OlE一05 变形量im 一0 变形翳.m _0 0.213E 05 O.426E 05 0.639E 05 0.852E 05 0.107E 04 O.128E 04 0.149E-04 0.170E 04 0.192E 04 0.298E 05 0.596E一05 O.895E一05 0.346E一05 0.692E 05 0.104E一04 0.138E一04 0.451E 05 O.6O1E一05 O.75 lE一05 0.902E 05 0.1O5E一04 0.120E一04 0.119E一04 O.149E一04 0.179E一04 0.209E一04 0.239E 04 O.268E一04 0.173E一04 O.208E一04 0.242E一04 0.277E一04 0.3l2E一04 0.135E—O4 http://www.rlfd.com.cn 第5期 变形量/m 0 谷伟伟等某电厂汽轮机低压缸零出力供热工况低压末级叶片动强度分析 变形量/m 0 65 变形量/m (1 变形晕 m lO 变形翳/m ●0 0 4l9E一05 0.839E—O5 0.5 12E一05 0.102E 04 0.154E一04 0.595E一05 0.1l9E一04 0.178E 04 0.238E一04 0.297E一04 0.636E 05 O.127E一04 O.19lE一04 0.254E一04 0.6l6E 05 O.123E一04 0.185E一04 0.246E一04 0.308E 04 0,369E 04 O.126E一04 0.168E一04 O.2l0E一04 0.252E一04 0.205E一04 0.256E一04 0.307E一04 0.358E一04 O.3l8E-04 0.382E一04 0.294E一04 0.335E 04 0 416E一04 O 476E—1)4 0.445E 04 0.509E 0"4 ‘).572E一04 0.492E 04 0.377E 04 n卜0.6T gl卜0 7, 0.554E一04 J)f T 图2设计工况下不同时刻叶片的变形 Fig.2 Blade deformations at different times under the design condition /Pa 428 4 丑]J/Pa 1.g36 36 5.878 32 O.1lOE+07 0.220E十07 弯应力/Pa l2.26l 7 O.1l9E+07 0.238E+07 O.357E{07 0.476E+07 ()275E+O7 O.104E}07 0.187E·O7 O.28lE 07 O.375E*07 0.469E+07 0.562E+07 O.5l8E十07 0.622E+O7 O.55lE+07 0.66lE十O7 O.77lE+07 0 7l4Et‘)7 0.688E+07 ().825E+07 0.725E十07 0.750E+07 0.844E,07 0.829E{07 0.933E十07 b f=O.27’ 0.833E 07 0.952E 07 0.107Et08 0.963E 07 0.88lE+07 0.99lE fu07 c1t 0.31 0.124E+08 e1 f 0.51 —● 立力/Pa 68.598 8 O.172E 07 0.344E一07 4 弯应力:Pa 1 壹力 Pa 84 278 8 ●73.032 5 79.145 4 0 234E+07 0.21 lE+07 0.422E·07 0.633E+O7 0.240E 07 0 481E+07 0.721E+O7 70.247E+07 0.467E+07 0.742E+07 O.5l5E+07 0.687E一07 0.859E+07 O.1O3E*08 0.844E十07 O.1O6E+08 O.127E+08 O.148E+08 O.169E+08 0.190E 08 0 120E+08 O.144E e08 0.168E+08 O.990E+07 0.124E-08 0.148E+08 0.934E+07 O.1l7E 08 0.12OE+O8 0 137E+08 0.155E+O8 O.173E{08 O.198E+08 0.223E+08 0.164E+08 0.187E{-08 0.2l0E+08 O.192E+O8 O.2l6E+08 g)f 0.7l j)r:Y 图3设计工况下不同时刻叶片的蒸汽弯应力 Fig.3 Steam bending stresses of the blade at different times under design condition 设计工况叶片不同部位的动应力如图4和表1 所示。由图4和表1可见:叶片进汽边与叶根平台 下倒圆区域节点5756的蒸汽弯应力和动应力最大, 分别为3.122、3.096 MPa:叶片出汽边与叶根平台 http://www.rlfd.corn.cn 热力发电 2018焦 下倒圆区域节点663的蒸汽弯应力和动应力最大, 分别为3.921、2.778 M]3a;1/4叶高出汽边区域节点 \ 需 5.353]VIPa;3/4叶高区域节点25046的蒸汽弯应力 和动应力最大,分别为2.176、2.040 MPa;叶顶区 1 1060的蒸汽弯应力最大,为3.768 MPa;节点50175 的动应力最大,为2.680]VIPa;凸肩区域节点 20450的蒸汽弯应力和动应力最大,分别为5.987、 域节点9788的蒸汽弯应力和动应力最大,分别为 6.967、5.973 a。因此,在设计工况下叶片的最大 动应力出现在叶顶区域,最大动应力为5.973 MPa。 ——…一……节点5208 节点5201 节点5184 时间/10 s 时间/10’s \ 需 a1进汽边与叶根平台下倒圆区域 b)出汽边与叶根平台下倒圆区域 山 毯 俘 蒋 蜷 时间/10 s 时间/10 s c)1/4叶高出汽边区域 d)凸肩区域 8.0 对 6·O 囱 謦 4.0 臀 2.0 O 时间/10 8 e)3/4叶高区域 图4设计工况下叶片的动应力 Fig.4 Dynamic stresses of the blade under design condiion thttp://www.rlfd.com.cn 第5期 谷伟伟等某电厂汽轮机低压缸零出力供热工况低压末级叶片动强度分析 67 3低压缸零出力供热工况叶片动应力 低压缸零出力供热运行时,低压缸只通入l6 t/h 的冷却蒸汽。该工况下,在汽流力作用下末级叶片 在1个振动周期1O个不同时刻的变形量如图5所 示。由图5可以看出,该工况下叶片在3/4叶高出 变形量/m O 0.129E一06 O.258E一06 汽边区域变形量最大,约为0.008 5 mill。 低压缸零出力供热工况下,在汽流力作用下末 级叶片在1个振动周期l0个时刻的蒸汽弯应力如 图6所示。由图6可以看出,在叶片凸肩区域、3/4 叶高区域、叶顶区域蒸汽弯应力变化明显,动应力 较大。 交形量/m 0 变形量/m O 变形量/m O 变形影m 0 0 18lE 06 0.362E—O6 0.543E一06 0.725E一06 0.906E O6 0.258E一06 O.517E 06 0.775E一06 O.103E一05 0 129E一05 0.349E一06 0.698E一06 0.105E一05 0.453E 06 0.907E O6 0.136E一05 O.386E—O6 O.515E—O6 0.644E一06 0.773E—O6 0.902E—O6 O.1O3E一05 0.140E一05 O.174E一05 0.209E一05 O.18lE O5 05 05 O5 05 0.109E~05 O.127E一05 0.155E—O5 O.18lE—O5 0.207E一05 0.233E 05 c',=0.31’ 0.244E一05 0.279E—O5 0.3 l4E一05 0.145E-.05 0.163E O5 O.1l6E—O5 a1 0.11’ 05 c、, b)t-0.27 d)t=0.4T http://www.rlfd.corn.Cl-i 68 热力发 电 蔓形量/m 笾形基 m _0 2018年 ●。■ ■■ .0.668E一06 0.174E一05 0.946E~06 O.189E—O5 0.284E一05 ■0■ ■●■■●■■■■■■■ 0 0 0 O O 260E一05 _0■ E。。o5 434E 0 0.378E一05 0.473E一05 0.567E—O5 够0 ●■■■●●■■■IE影 “ 6 7 6 5 3 n " E O 6 E O 5 E O 5 F 0 5 0.352E—O5 O 5 E fl lIl o 。o.608E 05 0.4lOE—O5 0.469E一05 0.528E—O5 O.662E一05 0.757E—O5 0.85lE—O5 ■o■ 694E一05 .■0■ 78lE 05 .g)t=0.71 曩 ,隐图5低压缸零出力供热工况不同时刻叶片的变形 Fig.5 Blade deformations at diferent imes tunder zero-output heating conditions of low pressure cylinder 匀/Pa 074 723 O 127 679 0.255 358 O.383 036 0.5l0 7l5 638 394 0.766 072 ).893 751 O.1O2E+07 O.115E+07 力/Pa 0.368 l82 O.159690 0.3l9 379 0.479 O69 0.636 758 应力IPa O 力/Pa 2.099 36 丽■ O 548 785 O 0 隧曩需淹骑0 O —■■■■ O 0 0.774 351 0 l726l7 ;45 234 51 7 85 ).199882 O 399764 2.220 523 2 441(’44 2.661 564 0.799 527 863 083 0.12OE+07 I2IE+07 2.882085 0.798 448 0.958 l37 0.1l2E+07 O.128E+07 O.144E+07 0.132E+07 _啊 0.140E 07 0.160E+07 0.18OE+O7 曩:_》,:O O ■6 6 6 0.154E+07 Ol38E}07 0.176E+07 0.198E+07 5 0.155E+07 立力/Pa 4.864 58 4.318 237 立力/Pa 5.402 5 5.377 433 /Pa 541 68 冒======二==二== 二== ==j壹力/Pa 6.795 48 6.407 243 6.8l4480 5 748 861 4.954 702 0.112E+07 O.1 50E"-07 122E+07 63E+07 0.163E十O7 0.204E+07 l27E+07 0.159E+07 O.19lE+07 I85E4 07 21 IE+()7 0.225E+07 0.262E+07 0.300E+O7 0.337E 07 245E+07 0.244E+07 0.285E+07 0.326E+07 0.367E+O7 223E+07 0.255E+07 ).286E+07 286E+07 0.327E+07 0 367E+07 237E+07 g)t=0.71 图6低压缸零出力供热工况不同时刻叶片的蒸汽弯应力 Fig.6 Steam bending stresses of the blade at different times under zero—output heating conditions of low pressure cylinder http://www.rlfd.corn.cn 第5期 谷伟伟等某电厂汽轮机低压缸零出力供热工况低压末级叶片动强度分析 69 低压缸零出力供热工况叶片不同部位的动应 力如图7和表2所示。 出力供热工况下,叶片的最大动应力出现在凸肩区 域,最大动应力为1.119 a。 表2低压缸零出力供热工况各节点的蒸汽弯应力和动应力 Table 2 Steam bending stresses and dynamic stresses of the blade under zero-output heating conditions of low pressure cyfinder 看 恶 蜷 矗 盏 ‘ 幅 骚 4结论及建议 1)设计工况下,该低压末级长叶片在凸肩区域 时间/10~s b)3/4叶高区域 和叶顶区域存在较大动应力,最大动应力分别为 5.353、5.973 MPa;低压缸零出力供热工况下,叶片 在凸肩区域和叶顶区域存在较大的动应力,最大动 应力分别为1.119、1.008 MPa。由于低压缸零出力 时 山 羔 供热工况下叶片的最大动应力小于设计工况,所以 判断低压缸零出力供热工况下叶片的动强度满足 制造厂设计规范要求。 蜷 2)低压缸零出力供热机组,每次机组切除低压 缸的过程中,低压叶片均会经历小容积流量工况。 建议电厂控制切缸过程的时间,减少或避免颤振对 末级叶片的损害。 3)低压缸零出力供热工况下,低压末级叶片通 图7低压缸零出力供热工况下叶片的动应力 Fig.7 Dynamic stresses on the blade under zero-output heating condiions tof low pressure eyHnder 流区域的蒸汽湿度会显著增加,导致叶片水蚀加 剧。建议电厂在每次机组检修时加强末级叶片的金 属监督,对水蚀严重的叶片及时进行修复或更换。 [参考文献] MW抽汽供热 [1] 李秉正,贾勤劳,宁哲,等.超临界600 汽轮机组在工业供热中的应用分析[J].热力发电, 2008,37(1 1):15-17. LI Bingzheng,JIA Qinlao,NING Zhe,et a1.Analysis about application supercritical 600 MW extraction steam 由图7和表2可以看出:叶片凸肩区域节点 20460的蒸汽弯应力和动应力最大,分别为1.169、 1.119 MPa;叶片3/4叶高区域节点25046的蒸汽弯 应力和动应力最大,分别为0.376、0.347 MPa;叶 片叶项区域节点13628的蒸汽弯应力和动应力最 大,分别为1.239、1.008 MPa。因此,在低压缸零 turbine for heating in industry[J].Thermal Power Generation,2008,37(11):15-17. http://www.dfd.corn.ca 70 热力发电 2018证 E2] 闰森,王伟芳,蒋浦宁.300 Mw汽轮机供热改造双低 压转子互换技术应用[J].热力发电,2015,44(1):10—12. YAN Sen。、)l(ANG Weifang.JIANG Puning.Application ofdouble LP rotor interchangeable technology for heating [10]张扬军,李克俭,陶德平.叶片间相角对蒸汽轮机叶 片颤振的影响[J].航空动力学报,1994,9(3):277.280. zHANG Yangian.LI Kejin。TAO Depiang.Effect of interblade phase nglae on blade lfutter ofsteam turbine[J1. Journal ofAerospace Power,1994,9(31:277.280. improving in 300 Mw steam turbines[J].Thermal Power Generation,2015,44(1):10.12. [3]江浩,黄家驷,王浩.200 Mw高背压循环水供热机组 热力特性研究[J].热力发电,2015,44(4):17.21. JIANG Hao.HUANG Jiasi.WANG Hao. Thermodynamic characteristics of a 200 MW unit with [11]姜伟,谢诞梅,陈畅,等.基于时域分析法的汽轮机末 级叶片颤振预测及分析[J].振动与冲击,2015,34(11): 194.199. JIANG W_ei,XIE Danmei,CHEN Chang,et a1.Flutter prediction and analysis for a steam turbine last.stage blade high back pressure circulating water heating[J].Thermal Power Generation,2015,44f4):17.21. based on time domain analysis method[].JJournal of Vibration nd Shock,2015,34(11):194.199.a [4]吴斌,邵志跃,胡欣,等.215 MW机组工业抽汽供热 改造[J】.热力发电,2015,44(5):87.90. WU Bin,SHAO Zhiyue,HU Xin.et a1.Heat supply [12]王仲博.小容积流量下汽轮机末级长叶片可靠性的试 验研究[J].中国电机工程学报,1987,7(4):43.49. 、)l NG Zhongbo.Research and experiment of reliability transformation for four 215 MW units using steam oflast blades ofsteam urtbine at small volumetric lfow[J]. Proceedings ofthe CSEE,1987,7f4):43.49. extraction[J1.Thermal Power Generation,2015,44f5): 87—90. [5]王漪,薛永锋,邓楠.供热机组以热定电调峰范围的 研究[J】.中国电力,2013,46(3):59.62. Ⅵ NG Yi.XUE Yong ̄ng.DENG Nal1.Study on heat. [13]朱宝田,吴厚钰.汽轮机叶片动应力计算方法的研究 [J].西安交通大学学报,2000,34(1):26—29. ZHU Baotian.WU Houyu.Dynamic stress calculation of 1oad.based peak regulation for cogeneration units[J]. Electric Power,2013,46(3):59.62. steam turbine blade[J].Journal of Xi’an Jiaotong University,2000,34(1):26—29. [6]王漪,薛永锋,张敏,等.基于能量平衡法的以热定电 数学模型研究[J】.汽轮机技术,2014,56(2):150.152. 、7l NG Yi,XUE Yong ̄ng,ZHANG Min,et a1.Research [14]仲梁维,陆龙云.叶片动应力计算的重要改进及其在 不调频叶片设计上的应用[J】.动力工程,2003,23(2): 226】.2265. ZHONG Liangwei.LU Longyun.Important improvement on mathematical model of ordering power by heat based of the calculation in the blade dynamic stress and application of the design in the blades of the various on energy—balance method[].J 56r21:150.152. ine Technology,20 14. satges[J].Power Engineering,2003,23(2):2261-2265. [7]王宏伟,冯壶飞,冯林魁,等.供热机组调峰性能试验 rJ1.热力发电,2014,43(4):106-109. WANG Hongwei。FENG Yaofei。FENG Linkui。et a1. Experimental study on peaking capability of a heating [15]谷伟伟,常东锋,江浩,等.大容量汽轮机不同阀序工 况下调节级叶片的动应力数值分析[J].汽轮机技术, 2016,58(1、:20.22. GU Weiwei.CHANG Dongfeng,JIANG Hao,et a1. Numerical analysis ofthe governing stage dynamic stress of a large capacity turbine under different valve operating unit[J1.Thermal Power Generation,2014,43(4 :106.109. [8]马佳燕.火电机组运行灵活性及高效宽负荷技术综述 热力透平,2017,46(2):108.11O. .conditions[J]. ne iTechnology,2016.58(11:20.22. MA Jiayan.A review of flexible operation and high ef五ciency technology witll wide load in thermal power [16]常东锋,谷伟伟,徐自力.大容量汽轮机阀序改造后 调节级叶片强度安全性分析[J].汽轮机技术,2016, 58(4):245.247. CHANG Dongfeng,GU Weiwei.XU Zili et a1.Strength analysis ofthe governing stage ofa lrge capaciaty urbitne niuts[J1.Thermal Turbine,2017,46(2):108.1 10. [9]龚胜,石奇光,冒玉晨,等.我国火电机组灵活性现状 与技术发展[J】.应用能源技术,2017(5):1-6. G0NG Sheng。SHI Qiguang。MAO Yuchen,et a1.Present siuatiton and development of flexible technology of after valve sequence modiifcation[J].Turbine Tecnolhogy, 2016,58f4):245.247. thermal power units in China[盯.Applied Energy 1 hnology,2017f51:1-6. (责任编辑刘永强) http://www.rlfd.com.ca