Thermal and stress states in unsteady conditions of operation of the rotors of ultra-supercritical parameter turbines

The paper presents the results of numerical analyses, including the steam turbine rotor, for a newly designed 900 MW power unit with ultra-supercritical steam parameters (650 oC, 30.0 MPa). With the use of preliminary design calculations and assuming the optimum structural solutions, simulations of the turbine operation in unsteady conditions are carried out. The analyses take account of the turbine start-up from the different thermal states, i.e., the cold, warm and hot states, and with different rates of increment in the steam parameters. The maps of the temperature field and the stress distributions are obtained. Based on them, the areas with the highest level of stress are identified, i.e., the rotor critical areas which have a direct impact on the life of the entire machine. The performed simulations and analyses make it possible, already at the design stage, to determine the ranges of possible values of stress amplitudes occurring in the main components of the turbine. This in turn allows a preliminary assessment of the turbine life.

W pracy przedstawiono wyniki analiz numerycznych, obejmujących wirnik turbiny parowej dla nowoprojektowanego bloku o mocy 900 MW na parametry super-nadkrytyczne (650 oC, 30 MPa). Opierając sie na wcześniej przeprowadzonych obliczeniach projektowych, po przyjęciu optymalnego rozwiązania konstrukcyjnego, przeprowadzono symulację pracy turbiny w warunkach nieustalonych. Analizy uwzględniały rozruchy turbiny zarówno z różnych początkowych stanów cieplnych, tj. zimnego, ciepłego oraz gorącego, jak i realizowanych z różnymi prędkościami przyrostu parametrów pary. Otrzymano mapy rozkładów pól temperatur oraz naprężeń. Na ich podstawie zidentyfikowano obszary o najwyższym poziomie wytężenia, tzn. obszary krytyczne wirnika, które w sposób bezpośredni będą wpływać na żywotność całej maszyny. Przeprowadzone symulacje i analizy pozwalają już na etapie prac projektowych określić zakresy możliwych wartości amplitud naprężeń występujących w głównych elementach turbiny. Pozwala to z kolei na wstępne oszacowanie trwałości turbiny.