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核电汽轮机高压转子的热应力
与疲劳寿命分析
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摘要
寿掌握与了解核电机组的起动、变负荷特点, 对核电高压转子进行各种运行
条件下的热应力计算与疲劳寿命分析。计算采用西屋传统方法
, 并对不同的热应力计算方法
所得结果进行对比讨论。
计算目的与方法
序所得的温度场进行应力计算。
核电汽轮机有着与火电机组不同的运行西屋的火电与核电汽轮机都明确规定了
条件, 起动与变负荷过程中的最大温度变化以高压转子第一级金属温度作为控制起动与
发生在高压缸。瞬态热应力的限制通常发生变负荷依据。我们利用西屋程序对高
在转子上, 而不是汽缸, 因为转子的径向厚压转子第一级盘处进行各工况下热应力的计
度要比汽缸壁厚大得多, 此外, 转子具有许算。
多应力集中区包括叶根槽、轮盘处圆角与疲劳毒命的分析基本上参照西屋的方
轮槽等。法, 包括低周疲劳曲线、应力集中系数、寿
西屋核电机组均为半速, 它提供给我们, 命期限内的各种规定工况数以及不对称循环
的起动与变负荷曲线也属半速。核的处理等。
电汽轮机为全速机组, 有着不同的结构特
点。为掌握与了解全速核电机组的起动、变热交换条件
负荷特点进行核电高压转子各种运行条件下. 起动与加负荷过程
的热应力与疲劳寿命分析。我们引用西屋提供的核电汽轮机起动与
热应力计算采用西屋的传统方法, 转子变负荷曲线以及核电汽轮机热平衡
为近似对称, 可对其一半进行计算分析。计算结果决定各工况下各级的蒸汽参数, 冷
使用西屋维有限差传热计算态起动至全负荷的高压转子各级的温度变化
程序进行瞬态与稳态轴对称热传导分析, 得表示于图。由图可见, 撮大的温度变化率
到的传热系数与转子温度场可用于应力计发生在升速至空载并网秒时从并
算。网至全负荷过程有着近似不变的温度变化
使用西屋多分支壳休程序进行率, 但低于升速时的变化率, 变工况下的最
转子热应力与离心应力计算, 它利用大温度变化发生在进汽段。
一一
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图枉电高压转于各级蒸汽温度变化净态起动与加角荷对
核电高压转子各级外表面均处于湿蒸汽结转变为沸腾。
下工作, 采用凝结和沸腾方程。计算表明, . 减负荷与停机过程
升速与加负荷过程中金属冷、蒸汽热, 均为正常的减负荷与停机过程可看作加负荷
凝结加热,在并同后的负荷保持以及稳态与起动的相反过程, 西屋推荐相同的变化
全负荷下,盘的高压侧仍凝结,但在各级盘率。各工况下有着相同的蒸汽参数, 但由于
的外圆与低压侧包括隔板汽封处出现局金属热、介质冷出现沸腾放热情况。
部沸腾。转子中心孔为封闭空间, 热量无法阀门关闭, 缸内蒸汽扩容蒸发为干蒸
外溢, 可假定为绝热表面。汽, 转子进入惰走与停转, 出现自由对流情
轴封在起动与低负荷时依靠新蒸汽节流况,介质温度逐渐下降至常温。
引入金属冷,出现凝结加热随着负荷增甩负荷下由于蒸汽参数变化速度极快,
加额定负荷高压缸内压力升高, 情况要严重得多,我们根据核电汽
蒸汽经轴封外溢, 当蒸汽温度低于金属时凝轮机超速计算结果作为分析的依据。计算选
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择了种工况变化:调节阎与低压缸前蝶阎速很低秒以后为自由对流,甩负荷后
、“低压缸前阉秒至秒为等熵膨胀过程。在低压缸前蝶
、,蝶阎阎不关下, 缸内压力连续下降至凝汽器压
全部卡涩不关简称低压缸前阎不关”。力, 凝汽器停运后回复至大气压力。我们假
甩负荷下的蒸汽温度变化见图,叫二二在甩负荷定甩二二负荷至秒为棱态沸腾秒以后为自
后~秒缸内各级压力已趋向一致。在低压由对流, 秒至秒等熵膨胀至凝汽器压
缸前蝶闵快关下,阎前蒸汽被抑制, 缸内压力甩负荷后秒凝汽器停运,后回复至
力略高于排汽压力, 以后通过蝶阎间隙泄漏大气压力, 至秒线性降温至环境温度
逐渐降压, 转子惰走约小时停转, 凝汽器℃。
停运。我们假定甩负荷至秒为核态沸腾流
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国棱电高压转子蒸汽温度变化甩垒负荷对
在甩负荷过程开始时, 轴封处金属温度成。
高于介质采用沸腾以后缸内出现负压, 介我们详细计算了冷态起动、加载至满负
质为新汽节流产生的过汽蒸汽, 采用对流传荷以及甩负荷情况。表列出各工况下高压
热。转子各段的内外径温差, 表为高压转子各
段的最大当量热应力。各工况下的热应力曲
温度场和热应力线见图~ 由表和图可见, 转子的