汽轮机转子热应力实时监测系统

摘要

汽轮机转子热应力实时监测系统，涉及机械工程领域。本发明是为了解决现有的计算转子热应力的软件，存在计算资源大、无法实现温度及应力的实时监测和工作效率低的问题。温度传感器组用于测量温度；转子温度计算模块，用于根据主蒸汽温度和主蒸汽压力得到转子启机过程中的瞬态温度，根据瞬态温度得到惯性环节时间常数，再将传感器检测温度及惯性环节时间常数带入惯性环节方程中，获得不同位置的转子温度，对其求平均值得到转子体的平均温度；转子热应力获得模块用于将同一时刻的转子体的平均温度和传感器检测的温度输入到三维热力学模型中，得到不同位置的转子热应力，对其求平均值得到转子体平均热应力。用于实时监测转子热应力。

说明书

技术领域

本发明涉及汽轮机转子热应力实时监测系统。属于机械工程领域。

背景技术

在国内关于汽轮机转子热应力实时监控软件领域尚处于空白，主要原因是：在汽轮机运行工况下，转子表面温度无法直接测量；对于转子的热传导模型大多以经典一维热传导理论为基础，转子模型被大规模简化，因此计算结果精度较低；有限元软件ANSYS及ABAQUS虽然能较为准确的计算出转子各径向截面的温度，但所需的计算资源较大，无法实现温度及应力的实时监控；DEH中数据都做了加密及封装处理，难以向外传递；大部分实时监控系统都基于单片机，难以直接传递至计算机内进行二次开发；由于计算分析人员的编程思路不同，同类软件缺少相关行业标准，准确性和计算效率参差不齐，难以实现提高工作效率和大范围应用。

发明内容

本发明是为了解决现有的计算转子热应力的软件，存在计算资源大、无法实现温度及应力的实时监测和工作效率低的问题。现提供汽轮机转子热应力实时监测系统。

汽轮机转子热应力实时监测系统，它包括温度传感器组、压力传感器、转子温度计算模块、转子热应力获得模块和实时图像显示模块，

温度传感器组，用于测量内杠内壁、汽封内壁和主蒸汽的温度；

压力传感器，用于测量主蒸汽压力；

温度传感器组和压力传感器布置在一根转子上；

转子温度计算模块，用于根据主蒸汽温度和主蒸汽压力得到转子启机过程中的瞬态温度，根据瞬态温度得到惯性环节时间常数，再将内杠内壁温度或汽封内壁温度或主蒸汽温度及惯性环节时间常数带入惯性环节方程中，获得不同位置的转子温度，对不同位置的转子温度求平均值，得到转子体的平均温度，

转子热应力获得模块，用于将同一时刻的转子体的平均温度和内杠内壁温度、汽封内壁温度或主蒸汽温度输入到三维热力学模型中，得到不同位置的转子热应力，对不同位置的转子热应力求平均值，得到转子体平均热应力，

实时图像显示模块，用于对转子体平均热应力进行实时显示。

本发明的有益效果为：

本申请利用惯性环节方程及三维热力学模型，最终获得转子热应力并进行显示，该系统操作简单，并且工作效率高。该系统可以是一套基于X86平台通用系统运行的单用户、单任务转子热应力监测系统，可以在各种符合系统要求的PC机上进行各类型汽轮机组转子热应力的实时监测任务。监测结果以图像及数据库方式记录，易于用户理解、实时查看与保存。

附图说明

图1为具体实施方式一所述的汽轮机转子热应力实时监测系统的原理示意图；

图2为转子体温度变化曲线图，附图标记1表示转子外表面温度，附图标记2表示转子体的平均温度，附图标记3表示转子中心温度；

图3为热应力和热应限值变化曲线图，附图标记4表示热应力，附图标记5表示应力限值。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1至图3具体说明本实施方式，本实施方式所述的汽轮机转子热应力实时监测系统，它包括温度传感器组、压力传感器、转子温度计算模块、转子热应力获得模块和实时图像显示模块，

温度传感器组，用于测量内杠内壁、汽封内壁和主蒸汽的温度；

压力传感器，用于测量主蒸汽压力；

温度传感器组和压力传感器布置在一根转子上；

转子温度计算模块，用于根据主蒸汽温度和主蒸汽压力得到转子启机过程中的瞬态温度，根据瞬态温度得到惯性环节时间常数，再将内杠内壁温度或汽封内壁温度或主蒸汽温度及惯性环节时间常数带入惯性环节方程中，获得不同位置的转子温度，对不同位置的转子温度求平均值，得到转子体的平均温度，

转子热应力获得模块，用于将同一时刻的转子体的平均温度和内杠内壁温度、汽封内壁温度或主蒸汽温度输入到三维热力学模型中，得到不同位置的转子热应力，对不同位置的转子热应力求平均值，得到转子体平均热应力，

实时图像显示模块，用于对转子体平均热应力进行实时显示。

本实施方式中，温度传感器组包括5个温度传感器，其中的2个温度传感器设置在内缸上，用于测量内杠内壁温度；

另外2个温度传感器设置在汽封上，用于测量汽封内壁温度；

最后1个温度传感器和1个压力传感器分别设置在主阀内部，分别用于测量主蒸汽温度和主蒸汽压力。

得到的温度数据及压力数据以动态数据交换方式通过局域网传递至计算机系统，计算机系统对数据进行解码及整理，形成标准数据，发往中心数据库，该数据库中的数据用在转子温度计算模块中。

本申请还包括结果输出和存储模块，结果输出和存储模块用于以时间为维度实时显示转子表面温度、中心温度、转子体平均温度、转子热应力及应力限值，并绘制应力历程及温度历程图像，给出实时应力裕度，每秒刷新一次数据，实时监控汽轮机转子运行情况。计算结果数据既可以以图形、数据表格等形式即时查看，也可以文本文件及图片等格式进行保存。

汽轮机在启动过程中，高温蒸汽与转子外表面不断地进行对流传热，以加热转子外表面，热量不断的由转子高温的外表面向低温的转子内部传递，由于热阻及热容的存在，转子中心温度的升高始终滞后于转子外表面，转子体平均温度始终介于转子外表面温度与转子平均温度之间。

转子启动时的加热过程特性与控制理论中一阶惯性环节的特性非常吻合。一阶惯性环节是控制系统的典型环节，其输出变量与输入变量之间的关系用以下一阶微分方程描述：

式中，T为惯性环节的时间常数，τ为时间，x为某时刻温度测点测量数据，y为转子某时刻温度。

一阶惯性环节的输出量不能立即跟随输入量变化，存在时间延迟，时间常数越大，环节的惯性越大，延迟的时间越长。据此可得：

y(τ)＝x(τ)(1-e^-τ/T)

在汽轮机工程应用中，通常有T/τ_a>10，对公式进行泰勒展开，得：

通过上式就可以应用上一刻的转子温度及这一刻的蒸汽温度计算出这一刻的转子温度。应用转子瞬态温度场有限元分析结果建立惯性环节，根据温度测点历史数据库修正惯性环节，并应用惯性环节将实时缸壁温度测点数据转换为该时刻转子表面温度，实现不可测温度估算功能。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的汽轮机转子热应力实时监测系统作进一步说明，本实施方式中，它还包括应力限值分析单元，

应力限值分析模块，用于对不同位置的转子热应力进行疲劳测试，获得不同位置的转子热应力限值，不同位置的热应力限值为不同位置的转子强度。

本实施方式中，对于一般结构来说，低周疲劳的考核方法大多都是应用等应变幅的疲劳曲线来判定强度的。但实际上，在汽轮机启停过程中，由于温度的延时效应，转子会长时间保持在一个较高的应力水平上，在此过程中转子会发生蠕变现象，导致转子实际的变形量要比理论计算的数值大，这样无延时的S-N曲线就不再适用于汽轮机转子低周疲劳寿命评估计算。为模拟转子启停过程，应用材料驻时20分钟的疲劳实验数据设置转子应力限值，计算转子实时安全裕度，并对转子的实时强度进行考核。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的汽轮机转子热应力实时监测系统作进一步说明，本实施方式中，惯性环节时间常数为：

式中，T为惯性环节的时间常数，R为转子半径，T_m为转子瞬态温度，A_i为惯性环节时间常数的系数。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一或3所述的汽轮机转子热应力实时监测系统作进一步说明，本实施方式中，将内杠内壁温度或汽封内壁温度或主蒸汽温度及惯性环节时间常数带入惯性环节方程中，获得不同位置的转子温度，具体为：

将内杠内壁温度、汽封内壁温度和主蒸汽温度分别带入惯性环节方程：

得到不同位置的转子温度y_n，

式中，x_n为当前时刻的内杠内壁温度、汽封内壁温度或主蒸汽温度，τ_a为时间，y_n-1为前一时刻的转子平均温度。

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一所述的汽轮机转子热应力实时监测系统作进一步说明，本实施方式中，将同一时刻的整个转子体的平均温度和内杠内壁温度、汽封内壁温度或主蒸汽温度输入到三维热力学模型中，得到不同位置的转子热应力，具体为：

根据三维热力学模型：

获得不同位置的转子热应力σ_th，对不同位置的转子热应力求平均值得到转子体平均热应力σ_ave，式中，E为材料的弹性模量，Fo为傅立叶系数，T_m为转子体的平均温度，T为内杠内壁温度、汽封内壁温度或主蒸汽温度，β为材料的线膨胀系数，μ为材料的泊松比，

根据真实的热应力公式：

获得真实的转子体热应力σ_true，

式中，n为诺顿指数模型系数，α_k为名义应力集中系数。

本实施方式中，借鉴西屋公司汽轮机转子热力学模型的大量工程参数，对于汽轮机轴对称转子，简化后的转子热传导方程为：

其中，a＝λ/ρc为导温系数。

差分方程为：

式中，t_i为内部节点温度，△r为转子分段长度，△τ为时间间隔，t′_i为时间间隔△τ后的内部节点温度，

将傅立叶数代入公式2为：

t′_i＝C_nt_i+1+D_nt_i-1+Et_i公式3，

式中，E＝1-2Fo

为满足收敛条件，须Fo≤1/2

按绝热边界条件建立节点间温度关系，节点B代表转子内孔表面，有

t'_B＝Ft₁+(1-F)t_B

式中，

按对流放热边界条件建立节点间温度关系，节点o代表转子外表面，节点n代表转子外面最近的转子分段，则有：

t'_o＝G(t_n-t_o)+H(t_f-t_o)+t_o

式中，为毕渥数，t_f为蒸汽温度。

根据热应力基本方程：

式中，T_m为转子体的平均温度，T为计算点温度。

通过以上转子温度梯度，计算转子实时热应力。

材料存在两个不同的本构关系：弹性本构及弹塑性本构。一般来说，为得到转子在瞬态过程中准确的应力值，应该应用弹塑性本构方程，才能保证计算结果的准确性，如果用纯弹性本构进行计算，会导致计算结果偏大。但弹塑性本构在计算中经常会出现不收敛的现象，很难用有限元求解出整个瞬态过程的结果，因此根据西屋对于瞬态计算的资料，可以用弹性本构计算名义应力，再通过Neuber法对计算出的应力进行修正得到真实应力。

Neuber法计算步骤如下，首先用弹性本构计算出的名义应力和名义应变计算名义应力集中系数，再对名义应力集中系数进行Neuber修正，最后计算出真实应力。计算方法为：

式中：σ_ave为截面平均应力，σ_true为应力集中处真实应力，n为诺顿指数模型系数，对于槽口取n＝5-8，对于转子材料来说，n＝5，α_k为名义应力集中系数，

式中：α_k为名义应力集中系数，σ_max为名义峰值应力，σ_ave为截面平均应力。

将名义应力转换为真实应力后，再根据周期性本构方程能够求解启停过程转子的应变幅。