汽轮机转子的热应力分析和疲劳寿命研究

摘要

自从中国实行改革开放以来，中国的经济发展越来越快，当今世界各国普遍面临着能源紧张的局面。因此，电力的生产和消费在能源领域占据重要的地位。近年来，随着电网投产机组容量增多，发电设备也越来越完善，汽轮机也时刻处于更新换代的时候，对其的研究势在必行。 由于转子是汽轮机最重要的部位，在对其的寿命评估过程中，转子的损伤是一个逐步累积的过程，主要由温度和应力随时间的变化而造成的，所以对转子的温度场和应力场以及转子的疲劳损伤和蠕变损伤的研究和分析具有重要的意义。因此，本文利用有限元软件计算了汽轮机高压转子的温度场和应力场，在此基础上，深入研究了疲劳损伤和蠕变损伤等问题。最后以鞍山第二发电厂1号机组的汽轮机转子为依据，对计算结果进行了检验，结果表明利用此种方法计算工程实际问题是可行的。 本文主要工作有：推导出了汽轮机转子各个部位的放热系数计算公式，并用FORTRAN语言编制了计算程序，得到了汽轮机转子各个部位放热系数；利用ANSYS有限元软件计算了汽轮机转子中叶轮的离心力；得到了汽轮机转子强迫启动和停机过程中的温度场和应力场的即时变化规律；在转子温度场和应力场的计算结果基础上，对汽轮机转子进行了疲劳损伤和蠕变损伤分析，得到了转子产生断裂的疲劳次数和转子正常运行下的高温蠕变损伤百分比，为今后对转子的寿命评估提供了重要参数；推断出了汽轮机在实际运转过程中由于温度变化引起应力集中的主要部件，提出了延长汽轮机转子运行寿命的改进建议。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1汽轮机转子寿命评估的背景和意义

1.2国内外在汽轮机转子寿命评估方面的研究工作综述

1.2.1国内对汽轮机转子寿命评估研究

1.2.2国外对汽轮机转子寿命评估研究

1.3目前存在的问题

1.4研究的主要内容

1.5研究的目标和手段

2应力和热应力分析的有限单元法

2.1有限元的基本问题

2.1.1有限元的思想

2.1.2有限元的热分析

2.1.3有限元的疲劳分析

2.2小结

3汽轮机转子的有限元模型

3.1汽轮机转子

3.1.1汽轮机的工作原理

3.1.2转子的力学特性

3.1.3鞍山发电厂转子结构

3.2汽轮机转子ANSYS模型的创建

3.3单元类型选择和网格划分

3.3.1单元类型的选择

3.3.2网格划分

3.4设置材料属性

3.5小结

4汽轮机转子温度场计算

4.1计算转子温度场的假设

4.2边界条件的确定

4.2.1温度场边界条件的确定

4.2.2放热系数边界条件的确定

4.3温度场的放热系数的施加

4.4温度场的计算结果及分析

4.4.1转子温度场的计算结果

4.4.2转子温度场的计算结果分析

4.5转子温度场的理论计算

4.5.1转子温度场的数学模型

4.5.2理论值和有限元值的比较

4.6小结

5汽轮机转子的应力场计算

5.1温度场和应力场的耦合分析

5.1.1 ANSYS分析中的直接法和间接法

5.2应力场的有限元计算

5.2.1应力场的边界条件

5.2.2载荷的施加

5.2.4转子热应力的计算结果及分析

5.3应力场的理论计算

5.3.1转子应力场的数学模型

5.3.2理论值和有限元值的比较

5.4对转子结构的改进建议

5.5小结

6汽轮机转子的疲劳损伤和蠕变损伤分析

6.1金属疲劳机理概述

6.2转子的失效机理分析

6.3转子的损伤分析

6.3.1疲劳损伤计算及结果

6.3.2转子的蠕变损伤计算分析及结果

6.3小结

7结论与展望

参考文献

在学研究成果

致 谢