火力发电机组汽轮机高温部件变形及蠕变寿命的研究

论文摘要

我国的一次能源以煤为主,火力发电机组总装机容量占全国总装机容量的75%以上,而火力发电机组年总发电量占全国年总发电量的80%以上,火力发电机组的安全运行对于工业发展和人民生活具有重要的意义。随着我国电网已进入到了以超高压、大容量、自动化为标志的新阶段,对发电机组自动化控制技术的发展提出了更高的要求,提高发电自动化控制和实现发电机组实时在线监测对保证机组的安全、经济运行具有重要意义。汽轮机是火力发电机组最重要的部件之一,本论文围绕汽轮机高温部件的变形和蠕变寿命开展研究。定义了等效对流换热系数,在圆筒壁非稳态导热理论的基础上,首次推导出内、外壁均为第三类非齐次边界条件、蒸汽温度非线性变化时二维圆筒壁温度分布的解析模型,该模型具有求解精度高、可以直接应用于实时分析系统的特点。提出了复杂结构有限子结构计算方法,应用二维圆筒壁非稳态导热解析模型,解决了汽缸、转子等复杂结构的温度场解析求解问题。针对有限子结构中非稳态温度分布,定义了反映不同形状下各段汽缸膨胀的特征值——膨胀特征温度,用来表征不规则物体的变形和膨胀能力,由膨胀特征温度计算各段的变形量,使得在线监测汽轮机各级轴向胀差成为可能。提出了胀差裕度的定义,通过胀差裕度的在线计算结果,调整机组启动过程中温升率的变化,保证汽轮机在胀差满足要求的条件下快速启动,提高了机组启动过程的安全性,给电网的安全运行提供了保障。汽轮机通流部分胀差在线监测与变温度速率控制系统实现了对汽轮机轴向胀差在线监测与闭环控制。根据单轴及多轴蠕变实验数据,运用ANSYS用户编程特性UPFs（User Programming Features）,对缺口试件高温蠕变进行研究。研究结果表明缺口喉部骨架点（Skeletal Point）应力受到结构和加载的影响,与选用的蠕变方程无关。高温蠕变引起缺口喉部应力的再分布,给出了等效骨架点应力的定义,根据金属蠕变寿命曲线,确定不同结构下多轴蠕变寿命。引入应变阈值,结合Norton-Kachanov蠕变方程,改进了蠕变损伤模型,模型更准确描述蠕变全过程,修改有限元软件子程序,模拟了螺栓的蠕变过程。结果表明,螺栓蠕变断裂并不是在应力集中的螺纹处,而是在螺杆处,有限元计算结果与试验结果吻合较好。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 圆柱体系导热问题的研究
• 1.2.2 汽缸轴向膨胀的研究
• 1.2.3 高压内缸变形研究现状
• 1.2.4 转子温度场及热应力的研究现状
• 1.2.5 材料的蠕变寿命损耗模型研究状况
• 1.3 本文主要的工作内容
• 第二章 圆柱坐标系下瞬态二维温度场数学模型
• 2.1 有限长圆筒壁二维非稳态导热数学模型的建立
• 2.1.1 非稳态导热方程
• 2.1.2 边界条件
• 2.1.3 数学模型的求解
• 2.1.3.1 分离变量法求解导热微分方程
• 2.1.3.2 特征函数、特征值和范数
• 2.2 有限长圆筒壁二维温度场解析解
• 2.2.1 内壁为第三类边界条件、外壁绝热
• 2.2.1.1 圆筒壁初始温度分布为常数
• 2.2.1.2 圆筒壁初始温度为已知分布函数
• mp 递推公式'>2.2.1.3 C_mp递推公式
• 2.2.2 外壁为第三类边界条件、内壁绝热
• 2.2.2.1 圆筒壁初始温度分布为常数
• 2.2.2.2 圆筒壁初始温度为已知分布函数
• mp 递推公式'>2.2.2.3 C_mp递推公式
• 2.2.3 内、外壁均为第三类边界条件
• 2.2.3.1 圆筒壁初始温度分布为常数
• 2.2.3.2 圆筒壁初始温度为已知分布函数
• mp 递推公式'>2.2.3.3 C_mp递推公式
• 2.3 本章小结
• 第三章 非稳态导热数学模型的验证与结果分析
• 3.1 内壁第三类边界条件、外壁绝热数学模型
• 3.2 内壁、外壁均为第三类边界条件数学模型
• 3.3 内壁绝热、外壁为第三类边界条件数学模型
• 3.4 本章小结
• 第四章 汽轮机轴向胀差在线监测与控制
• 4.1 汽轮机汽缸轴向变形的计算
• 4.1.1 汽缸子结构分解
• 4.1.2 子结构变形的计算
• 4.1.3 汽缸轴向变形模型的验证
• 4.2 汽轮机轴向胀差变温度速率控制
• 4.3 本章小结
• 第五章 汽轮机汽缸紧固螺栓高温蠕变断裂的研究
• 5.1 蠕变及蠕变破坏的机制
• 5.2 骨架点等效应力的研究
• 5.2.1 等效应力
• 5.2.2 硬化－损伤蠕变模型
• 5.2.3 参数的确定
• 5.2.4 多轴应力作用下模型验证
• 5.2.5 骨架点应力大小、位置与蠕变模型的关系
• 5.2.6 骨架点等效应力与蠕变寿命
• 5.3 汽缸紧固螺栓蠕变断裂
• 5.3.1 蠕变损伤模型
• 5.3.2 实验方法
• 5.3.3 实验结果及参数的确定
• 5.3.4 螺栓高温蠕变断裂
• 5.4 汽缸紧固螺栓疲劳-蠕变断裂
• 5.4.1 耦合损伤Chaboche粘塑性统一本构方程
• 5.4.2 实验及结果
• 5.4.3 疲劳蠕变损伤公式参数的确定
• 5.4.4 螺栓疲劳－蠕变结果
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论
• 6.1 本论文取得的主要成果
• 6.2 有待进一步开展的工作
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 攻读博士学位期间参加的科研工作