УДК 621.165 ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОНАПРЯЖЁННОГО

УДК 621.165
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОНАПРЯЖЁННОГО СОСТОЯНИЯ КОРПУСА
ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ НА НОМИНАЛЬНОМ РЕЖИМЕ РАБОТЫ
Кляйнрок И. Ю.
Россия, Екатеринбург, УрФУ
Приведены результаты расчётного исследования температурного и термонапряжённого
состояния корпуса цилиндра высокого давления теплофикационной паровой турбины
Т-53/67-8,0 ЗАО “УТЗ” на номинальном режиме работы. Определены зоны, характеризующиеся максимальными температурными напряжениями.
The results of thermal stress state investigation of steam turbine Т-53/67-8,0 high-pressure
cylinder at the nominal operating conditions are presented in the article. Zones with maximal
thermal stresses were determined.
Известно [1], что наиболее неблагоприятными режимами работы паровой турбины с точки зрения возникновения недопустимых температурных напряжений и снижения ресурса её корпуса являются пусковые режимы. Кроме этого на ресурс корпуса
паровой турбины оказывают влияние температурные напряжения, вызванные изменениями мощности паровой турбины в процессе её эксплуатации, а также стационарные
напряжения на установившихся режимах работы. Поэтому для расчётов фактической
выработки ресурса и решения вопроса об его продлении целесообразно проводить численное моделирование температурного и термонапряжённого состояния корпуса для
всех эксплуатационных режимов работы паровой турбины.
Исследование температурного и термонапряжённого состояния корпуса цилиндра высокого давления (ЦВД) теплофикационной паровой турбины Т-53/67-8,0
ЗАО “УТЗ” (УТЗ) при пусковых режимах работы подробно рассмотрено в [2]. В настоящей статье представлены результаты аналогичного исследования для данного корпуса
на номинальном режиме работы.
Исследование термонапряжённого состояния корпуса паровой турбины представляет собой весьма сложную задачу, так как его температурное поле имеет значительную неравномерность в радиальном, окружном и осевом направлениях. Данное обстоятельство объясняется: сложной геометрической формой корпуса; наличием паропроводов, лап, крепежа, изоляции; различными температурами пара и коэффициентами
теплоотдачи в камерах по длине цилиндра.
Для упрощения задачи определения трехмерного температурного поля обычно
рекомендуется разбивать данную задачу на несколько подзадач в одно- и двухмерной
постановке [1]. Одно- и двухмерные модели являются достаточно экономичными с
точки зрения затрат вычислительных ресурсов, и могут быть реализованы на обычных
персональных компьютерах. Исследования, представленные в [3], показывают, что в
качестве одной из таких моделей может быть принята двухмерная осесимметричная
модель продольного сечения стенки корпуса ЦВД.
Термонапряжённое состояние корпуса ЦВД рассчитывалось методом конечных
элементов в CAE-пакете ANSYS [4], используя междисциплинарный последовательный анализ (стационарный анализ теплового состояниястатический анализ напряженно-деформированного состояния (НДС)).
Исходными размерами для построения геометрической модели корпуса ЦВД турбины Т-53/67-8,0 приняты размеры элементов конструкции корпуса из чертежей УТЗ.
Корпус ЦВД – одностенный
литой, выполнен из отливки стали
15Х1М1ФЛ (см. рис. 1). Для установки первой обоймы переднего концевого уплотнения (ПКУ) и образования камеры отсоса пара после первого отсека переднего концевого
Рис.1. Корпус ЦВД теплофикационной паровой уплотнения в корпус вваривались Гобразные полукольца, к которым
турбины Т-53/67-8,0
приваривался козырёк.
Двухмерная осесимметричная модель максимально приближена к реальной геометрии корпуса в CAD-пакете КОМПАС и импортирована в ANSYS в символьном
формате данных ACIS. Данный формат файлов позволяет полноценно переносить параметры геометрической модели в ANSYS.
Для решения тепловой задачи выбран элемент PLANE 77. Данный элемент
определяется восьмью степенями свободы и температурой в каждом узле и может быть
использован в качестве осесимметричного элемента. При переходе на структурную задачу автоматически выбирается элемент PLANE 82. Данный элемент используется в
качестве осесимметричного элемента двухмерного моделирования конструкций с объемным НДС. Элемент определяется восьмью узлами, имеющими две степени свободы в
каждом узле: перемещения в направлении осей X и Y узловой системы координат, и
имеет такие свойства, как пластичность, ползучесть, увеличение жесткости при наличии нагрузок, большие перемещения и деформации
Механические и теплофизические свойства стали задавались в соответствии
с [5]. При задании характеристик металла считаем его изотропным и линейно-упругим.
Для формирования условий теплообмена, средствами конечноэлементоного
комплекса ANSYS, на поверхности модели корпуса накладывались граничные условия
III рода (коэффициенты теплоотдачи и температуры пара) соответствующие номинальному режиму работы паровой турбины.
Температуры пара, омывающие поверхности корпуса, определялись на основе
заводского расчета турбины на номинальный режим работы и представлены в таб. 1.
Коэффициенты теплоотдачи на различных поверхностях ротора рассчитывались
по критериальным уравнениям [6]. При расчете предполагалось наличие идеальной
изоляции на наружных поверхностях корпуса, то есть коэффициенты теплоотдачи на
изолированной поверхности принимались равными нулю.
Таблица 1.
Параметры свежего пара по ступеням ЦВД теплофикационной паровой турбины Т-53/67-8,0
Наименование
величин
Расход пара через
ступень G, т/ч
Давление P0, МПа
Температура t0, С
1
211,8
2
7,46
486
6,67
471
Сводные данные по ступеням ЦВД
3
4
5
6
7
8
209,9
5,94
455
5,29
439
4,69
423
4,16
407
3,67
391
3,24
375
9
10
2,85
359
2,09
342
Температурное поле корпуса ЦВД на номинальном режиме работы теплофикационной паровой турбины Т-53/67-8,0 представлено на рис. 2.
Из рисунка видно, что в корпусе ЦВД имеется значительная неравномерность
температурного поля в осевом направлении, однако, область паровпуска прогрета достаточно равномерно. Также можно отметить отсутствие градиентов температур по
толщине стенки корпуса (разности температур по толщине стеки равны нулю практически для всех сечений).
Рис. 2. Температурное поле корпуса ЦВД на номинальном режиме работы паровой турбины
При задании краевых условий задачи моделирования термонапряжённого состояния корпуса, в качестве объемной нагрузки задавалось рассчитанное температурное
поле и ограничения на перемещения по осям X, Y в зоне горизонтального разъёма корпуса.
Для учёта всех компонентов поля напряжений (нормальных и касательных) в
анализе было использовано эквивалентное напряжение по Мизесу (von Mises stress).
Напряжение по Мизесу характеризует общее напряженное состояние в точке модели.
Расчет температурных напряжений при статической нагрузке (установившемся
температурном поле) номинального режима работы паровой турбины показал, что максимальные температурные напряжения в корпусе ЦВД возникают в зоне приварки Гобразных полуколец и составляют 1=118 МПа. Также высокий уровень температурных напряжений отмечен в зоне радиусного перехода стенки корпуса (2=110 МПа) и в
изгибе полукольца в камере отсоса пара после первого отсека ПКУ (3=96 МПа).
Анализ полученных результатов показал, что на номинальном режиме работы
теплофикационной паровой турбины Т-53/67-8,0 в корпусе ЦВД не возникает температурных напряжений, превышающих предел текучести стали 15Х1М1ФЛ, равный
0,2=240 МПа. Наиболее “критической” зоной с точки зрения возникновения максимальных температурных напряжений является зона приварки Г-образных полуколец к
корпусу турбины.
Полученные, таким образом, результаты могут быть использованы при расчёте
фактической выработки ресурса корпуса ЦВД.
Литература
1. Плоткин Е.Р., Лейзерович А.Ш. Пусковые режимы паровых турбин энергоблоков.
– М.: Энергия, 1980. – 192 с.
2. Кляйнрок И.Ю., Голошумова В.Н., Бродов Ю.М. Исследование термонапряженного
состояния корпуса ЦВД паровой турбины Т-53/67-8,0 ЗАО “УТЗ” для ПГУ-230 //
Надежность и безопасность энергетики. – 2011. – № 3. – С. 65-69.
3. Кляйнрок И.Ю., Голошумова В.Н., Бродов Ю.М. Выбор геометрической модели при
исследовании теплового состояния корпусов паровых турбин // Материалы V Всероссийской научно-практической конференции “Повышение эффективности энергетического оборудования”. – Иваново: ГОУ ВПО Ивановский государственный Энергетический университет, – 2011. – С. 94-97.
4. Басов К.А. ANSYS: Справочник пользователя. – М.: ДМК Пресс, 2005. – 640 с.
5. Масленков С.Б., Масленкова Е.А. Стали и сплавы для высоких температур: Справ.
изд. в 2-х кн. Кн. 1. – М.: Металлургия, 1991. – 383 с.
6. Зысина-Моложён Л.М., Зысин Л.В., Поляк М.П. Теплообмен в турбомашинах. – Л.:
Машиностроение, 1974. – 335 с.
Кляйнрок Иван Юрьевич, аспирант ФГАОУ ВПО “Уральского федерального университета имени первого Президента России Б.Н. Ельцина”, Екатеринбург, 620014, Маршала
Жукова 11-78, [email protected], +79126424543.