[发明专利]一种汽轮机低压通流区长叶片安全性校核的计算方法

说明书

本发明公开了一种汽轮机低压通流区长叶片安全性校核的计算方法，该方法在计算低压通流区非定常流场的同时考虑了蒸汽和固体部件之间的流动换热以及固体内部导热作用，因此能够直观获得更加准确的长叶片部件的温度、压力分布。通过高精度数据差值方法，将传热分析得到的固体表面温度传递到有限元模型对应表面作为载荷进行热分析，在求解得到部件整体温度场的基础上进一步耦合结构分析得到了热应力分布。最后，传递耦合传热分析得到的固体表面非定常流场下的压力分布并添加转速以分别考虑汽流力和离心力的作用，获得了长叶片综合等效振动应力分布，并基于局部应力应变法和动应力计算结果，最终对低压通流区长叶片的工作安全性进行评估。

技术领域

本发明属于火力发电领域，具体涉及一种汽轮机低压通流区长叶片安全性校核的计算方法。

背景技术

目前受电力调峰等因素的影响，火电汽轮机组常运行于部分负荷工况。随着机组负荷率降低，汽轮机低压缸进汽参数随之降低，容积流量大大减少。研究表明，机组在小容积流量条件下运行时，主要存在以下运行安全性问题。

首先，原气动设计流场将被破坏,末级动静叶沿叶高的热力参数将重新分布，并在叶顶区域形成大尺度回流涡。同时气流通过次末级、末级时不再推动叶片做功，将在叶片旋转扇动作用下以鼓风流态通过叶栅通道。鼓风流态的出现，将使气流温度升高，严重者会导致气缸升温变形，引发动静碰磨，造成振动隐患。

其次，部分负荷工况下，汽轮机低压末级叶片工作在湿蒸汽区，易发生水蚀。末级叶片的水蚀损伤无论发生在进汽侧还是在出汽侧，都是受蒸汽凝结过程中携带的小水滴对叶片的水冲刷连同水滴中所含化学杂质对叶片的腐蚀作用的结果。在叶片顶部进汽边的水蚀是在正常工作条件下无法回避的，因而在设计上采用局部的各种硬化处理加以防护，其中广泛应用镶焊司太立合金片；而在叶片出汽侧以及进汽侧发生大范围的水蚀损伤，通常则是由于汽轮机长期在低负荷工况下运行所引起的。严重的水蚀将大大缩短叶片的使用寿命。

最后，机组长期低负荷运行时，末级及次末级静叶出口处的气流将以负攻角的形态冲击在动叶吸力面处，随后在绕过动叶前缘在压力面处产生脱落回流涡，当脱落涡频率与叶片固有频率接近时，会产生动应力而激发了叶片的振动，形成叶片颤振。低负荷时叶片的动应力较设计工况处于较高水平，会缩短叶片的高周疲劳寿命，严重影响叶片安全性。

已有研究表明，面对火电汽轮机组部分负荷工况运行时,由小容积流量引起的鼓风温升、叶片水蚀问题分别可以通过后缸喷水系统优化改造以及叶片表明金属抗蚀涂层处理的方式进行有效控制，而长叶片颤振问题的解决将成为决定机组能否安全运行的主要因素。

因此，精准计算分析不同工况下低压通流区长叶片振动应力，找出应力峰值区域，确定安全运行流量边界，对火电机组的常态化深度调峰运行的安全性保障具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种汽轮机低压通流区长叶片安全性校核的计算方法，能够直观获得长叶片部件的温度、压力分布，并且能够得到热应力分布，获得综合等效振动应力分布。

为了达到上述目的，本发明包括以下步骤：

步骤一，根据汽轮机组的实际结构，建立具有低压缸进口导管、出口导流环以及低压缸全部通流区域全尺寸三维整圈叶片的计算流体动力学计算模型；

步骤二，采用多块结构化网格对流体计算域进行网格剖分，通过剖分拓扑块自顶向下建立拓扑块与几何的映射，并根据实际物理规律设置静止和旋转计算域以及进口和出口的边界条件；

步骤三，通过三维粘性可压缩非定常控制方程组能够求解已知边界条件的研究区域的相关参数，三维粘性可压缩非定常控制方程组通过连续方程、动量方程和能量方程所组成；