600MW汽轮机末级叶轮载荷特性与轮缘疲劳寿命研究

摘要

随着汽轮机单机功率的增大，末级叶轮的直径显著增大，末级叶片的长度大幅度增加，从而导致汽轮机末级叶轮槽处受到的离心力也越来越大，汽流在叶片上产生的弯矩大幅度增加，加上末级叶轮处于湿蒸汽区，运行环境极其恶劣，在多种交变载荷的共同作用下，这些区域极易产生疲劳裂纹，甚至有断裂的危险。因此，末级轮盘-叶片结构的安全是电厂安全、稳定生产的前提之一。 在汽轮机末级轮盘-叶片结构接触状态分析和疲劳裂纹扩展分析方法中，三维有限元计算方法可以克服其它方法存在的不足。因此，需要探索汽轮机组轮盘-叶片结构的三维几何建模与有限元计算方法，为轮盘-叶片结构的可靠性设计和在役机组的缺陷诊断提供指导。 本文针对国产600MW汽轮机轮盘-叶片结构，建立其实际尺寸的三维模型，并采用有限元方法对汽轮机末级轮盘-叶片结构接触状态进行分析，对汽轮机末级轮盘-叶片结构进行疲劳裂纹扩展分析。 首先，根据动力学原理简化汽轮机叶片结构，提出了一种汽轮机叶片简化建模方法。并采用SolidWorks软件建立了600MW汽轮机末级轮盘-叶片结构模型，其组成部分包括叶身、拉金、围带和轮盘。 然后，用有限元软件ANSYSWorkbench分析了该型机组末级轮盘-叶片的应力分布。经数值模拟发现:最大应力处位于轮盘与叶片的接触区域，应力值已达到塑性变形区域，但未达到屈服极限;轮盘和叶片的最大应力随着转速增加而呈近似线性增加;轮盘与叶片的接触区域既是高应力区域，也是升速过程中应力变化最大的区域;离心力对叶轮应力变化的影响要远大于汽流力。本文的计算结果可以作为汽轮机末级叶轮疲劳寿命预测的依据。 最后，采用ABAQUS软件对国产某600MW汽轮机末级轮盘-叶片结构进行裂纹扩展分析，获得了该型机组末级轮盘-叶片结构的应力分布，以及轮缘应力最大处的疲劳裂纹扩展规律。本文研究中考虑了交变汽流力载荷对轮缘疲劳裂纹的影响，在交变汽流力载荷作用下，通过模拟计算获得了3000rpm和3300rpm两种转速下轮缘最大应力处疲劳裂纹的扩展规律。通过模拟得到了疲劳裂纹扩展循环次数与端面裂纹长度的定量关系曲线，比较了在循环1e6次后两种转速工况下裂纹扩展长度，得出如下结论:超速工况下不仅容易造成轮缘裂纹扩展，而且扩展速率较额定转速工况也要快。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1课题来源

1．2国内外研究进展

1．2．1国内研究进展

1．2．2国外研究进展

1．3研究目的及意义

1．3．1研究目的

1．3．2研究意义

1．4本文研究内容与思路

1．4．1主要研究内容

1．4．2研究工作思路

第二章有限元基本理论和计算方法

2．1有限元分析理论简介

2．1．1弹塑性有限元分析理论简介

2．1．2扩展有限元分析理论简介

2．2接触问题的描述模型及其在ANSYSWorkbench中的实现

2．2．1接触问题的描述模型

2．2．2接触问题在ANSYSWorkbench中的实现策略

2．3裂纹扩展的描述模型及其计算方法

2．3．1裂纹扩展的描述模型

2．3．2裂纹扩展的计算方法

2．4本章小结

第三章低压转子末级轮盘-叶片结构三维实体建模

3．1大型汽轮机低压转子结构特性分析

3．2低压转子末级叶片的三维实体建模

3．2．1长扭叶片的绘制方法

3．2．2拉金围带等部件的处理

3．3低压转子末级轮盘的三维实体建模

3．4本章小结

第四章末级轮盘-叶片结构接触状态有限元分析

4．1有限元模型的前处理

4．1．1模型简化

4．1．2网格划分

4．1．3载荷与边界条件处理

4．2轮盘-叶片结构接触状态应力与转速的定量关系分析

4．3轮盘-叶片结构接触状态应力与负荷的定量关系分析

4．4本章小结

第五章末级轮盘-叶片结构疲劳裂纹扩展分析

5．1．2网格划分

5．1．3载荷与边界条件处理

5．1．4结果分析

5．2局部应力子模型裂纹扩展分析

5．2．1分析前处理

5．2．2结果与分析

5．3疲劳裂纹扩展分析

5．3．1分析前处理

5．3．2结果分析

5．4本章小结

总结与展望

1．研究成果

2．创新点

3．研究展望

参考文献

致谢

附录