1000MW机组汽轮机深度调峰损伤分析三维建模技术研究

大唐华东电力试验研究院 刘俊建 王万里 上海如为电力科技有限公司 孙 轩 刘晓云

随着新能源的发展，1000MW机组未来调峰将成为常态。要想提高可再生能源的消纳能力，就要不断优化、改造深度调峰技术，这是燃煤机组后续的发展趋势[1]。汽轮机在深度调峰运行过程中，负荷降低会使蒸汽温度逐渐降低，尤其是锅炉从干态变为湿态的过程中，由于气温过热度不够，极易发生汽轮机的水冲击问题。加之鼓风摩擦等因素的影响，在一定程度上会导致蒸汽不足，无法将热量排出，不断增高低压缸内的排气温度。

深度调峰主要影响联合循环机组的安全可靠性及运行经济性。机组进行深度调峰，不可避免地会偏离设计工况点，其运行经济性会受到影响。频繁快速变负荷以及长期低负荷运行也将加速机组核心部件的寿命损耗及损伤，影响机组的运行寿命，为此深度调峰需要确保汽轮机在安全、稳定的状态下运行，使电厂的经济、社会效益大幅提升[2-3]。

为了研究机组深度调峰对汽轮机设备寿命损伤影响。需要对汽轮机高压内缸、转子和中压内缸、转子等部件进行稳态、瞬态热力耦合分析。分析其满负荷和低负荷问题，冷热态启动、正常停机和事故停机过程工况下温度场和应力场。汽轮机部件结构复杂、数量繁多，根据汽轮机厂家提供图纸只能建立大致三维模型，部件倒角、圆角等结构难以从图纸中读取。为此，为了保证计算精度，需要采用图纸和现场三维扫描结合模式。在机组停机大修期间，采用手持式激光扫描仪，对汽轮机高压缸和低压缸局部进行扫描，获取局部尺寸，用于部件精准三维扫描。

1 三维扫描技术及部件三维扫描

在三维扫描仪出现之前，复杂设备的测量难度大、周期长和精度不够。特别是电力行业高温高压设备，由于运行中承受较大压力和温度，制造精度高。通过一定时间的运行后，往往设备都会出现一定的应力释放和蠕变变形导致的形状改变。单独用常规测量工具难以得到其精准尺寸。另外，如汽轮机叶片采用的是复杂的曲面设计，常规工具根本无法测试其三维外观。三维扫描仪是一种应用于现代工业精准检测仪器，通常用于测试和分析物体形状、几何构造、外观数据（如颜色、表面反照率等性质）。测试得到的基础数据被用于进行三维重新建模计算，在计算机三维场景中创建实际物体的数字模型。

灵活定位可使操作员根据其需要的任何方式进行360°移动物体。便携式扫描仪具有体积小、携带方便的特点。便携式手持三维扫描仪，可装入普通通用手提工具箱，方便携带到作业现场或者工厂间。可以实现激光扫描技术的一些高质量数据，保持高解析度，同时在平面上保持较大三角形，从而生成较小的各种格式文件。便携式手持三维扫描仪功能多样并方便用户使用，允许在狭小空间内扫描几乎任何尺寸、形状或颜色的物体。

本项目采用线激光手持式三维扫描仪，其自带校准功能，采用高性能的红色线激光闪光灯，配有一个稳定闪光灯和两台工业级摄像机。工作时将激光线照射到被扫描物体上，两个相机快速捕捉瞬间的三维扫描数据。由于被扫描表面的曲率不同，光线照射在被扫描物体上会发生反射和折射。扫描所获取的基础数据通过数据处理程序转换为三维模型。在扫描仪移动的过程中，光线会根据移动速度、方向等进行调整，计算机系统及时识别这些变化从而快速对系统进行优化调整。在扫描过程中移动扫描仪，即使扫描时动作很快，也同样可以获得高精度的扫描数据，手持式三维扫描仪工作时使用反光型角点标志贴，与扫描软件配合使用，支持摄影测量和自校准技术。

在某1000MW机组停机检修期间，技术人员在现场对汽轮机部件进行了测绘和扫描。具体部件包括高压内外缸、高压转子和叶片、中压内外缸、中压转子和叶片、低压内外缸、低压转子和叶片。采用天远FreeScan UEPro多功能激光手持三维扫描仪进行现场扫描，其技术参数见表1。

表1 三维扫描仪技术参数

扫描结束后对扫描数据进行了对齐、优化、融合、补洞、简化、平滑等处理，得到高质量的面片模型。根据模型的曲率、特征等特性快速将面片归纳和分类为不同的集合领域，提取设计参数，自动创建草图轮廓。用基于网格的拟合算法创建了NURBUS曲面，从网格的自由形状轻松快速创建三维自由曲面体。从扫描数据创建了CAD特征，混合实体和曲面建模涵盖不同零件类型，确保模型精度。

2 三维建模及模型测试

根据图纸和扫描处理数据，在三维建模软件中对汽轮机部件进行了建模，模型整体框架尺寸采用拼装图，局部采用三维扫描数据。如图1所示，汽轮机外缸总体长度为6000mm左右，模型中包括高压排气口、抽汽出口管、冷却蒸汽出口管、腔室压力和温度检测孔等详细部件。圆角和倒角采用手持式激光测试仪进行测试。相对于高压外缸，高压内缸对模型的要求更高。由于转子和叶片的装配，所以内缸内壁有完整的机械加工，其圆角尺寸为R12到R24之间，相对整个缸体其值较小，如果不采用激光测试仪，很难在其内部进行细节尺寸测量。在缸体没有拆除情况下，现场搭设仪器扫描平台，对所有小倒角和圆角进行了精细化扫描。

图1 高压外缸和内缸

由于叶片结构的特殊性，一般无法直接建模，通常采用三维直接扫描方法。通过三维扫描将叶片点云信息扫描出，然后通过模型处理，得出叶片的具体三维实体模型。汽轮机叶片在运行后，且在大修期会将转子调离气缸。但是叶片不会拆卸，为此叶片三维扫描只能在叶片安装状态下扫描。一般低压缸、中压和高压缸末级部分结构较大，容易进行扫描。而对于高压缸进气部分叶片，部分曲面无法扫描到。原因是扫描仪采用激光反射原理，如果两个叶片靠得近，相互会挡住激光扫描。为了克服扫描盲区，在叶片表面贴上保护层，采用具有一定黏度的保护膜材料。然后将不能扫描部位涂上快干胶，等胶干后取下成型胶。

成型后胶体较好地生成了页面的曲面，同时在参考点会有一个圆形凹槽，在凹槽处贴上和叶片参考点一样的反光点。根据反光点，再用计算扫描仪对曲面进行扫描，形成新的点云信息。根据两次扫描点云信息，结合参考点坐标，在专业工具中形成叶片的整体三维模型（如图2～图4所示）。

图2 高压转子和叶片

图3 中压外缸和内缸

图4 中压转子和叶片

汽轮机部件损伤分析采用我国自主研发鱼海仿真高性能CAE软件，鱼海CAE软件是大型通用基于结构和温度有限元分析工具，能与当前市面上现有电脑辅助设计软件接口进行模型数据的共享和交换。其将高性能CAE技术充分应用于工业系统级产品研发，实现产品性能的精准评估。汽轮机模型建立后，为了测试模型质量，需要对汽轮机部件导入到鱼海CAE中，通过鱼海CAE导入接口，实现了部件的完整导入，如图5～图7所示。

图5 高压和中压内缸模型导入

图6 高压和中压内缸模型网格划分

图7 高压和中压内缸有限元分析

同时，采用6面体单元对模型进行了网格划分，根据系统自动选择单元精度，网格划分顺利，在三维空间模型中自动生成了规则网格，没有出现错误。针对划分好的网格模型，加载了温度、重量、压力等边界条件，进行了求解和后处理，在计算和处理过程中没有出现错误。为此可以得知，所建模型具有良好的质量，可为后续汽轮机部件调峰状态寿命损伤分析打好基础。

3 结语

为了对汽轮机部件进行调峰状态寿命损伤分析，对汽轮机高压缸、中压缸、高中压转子等进行了三维现场扫描，结合建模工具和有限元分析软件，完成了如下前期工作。

收集设计、安装等资料，掌握某超超临界机组汽轮机高中低压转子体、动静叶片、汽缸等部位的基本尺寸和结构形式；结合机组检修，采用三维扫描仪对汽轮机高中低压转子、动静叶片、汽缸等部件整体进行扫描，掌握整体尺寸，精确到0.2mm；针对结构突变、叶根等容易引起应力集中或应力变化频繁部位进行精细化扫描，精确到0.1mm，以便开展服役状态应力分析。

根据三维扫描结果和图纸，建立汽轮机转子、叶片、汽缸等的总体模型，实际误差不超过0.2mm。模型具有相对光滑的曲面、规则的转角过度尺寸；对汽轮机部件导入到有限元分析软件中，通过软件导入接口，实现了部件的完整导入。同时，对模型进行了网格划分，加载了温度和重量边界条件，进行了求解和后处理，在计算和处理过程中没有出现错误。