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根據(jù)國內(nèi)外軸系破壞事故調(diào)查結果的統(tǒng)計顯示，汽輪機軸系破壞主要原因之一是在機組運行中突然產(chǎn)生轉(zhuǎn)子彎曲導致大不平衡引起的。因此，非常有必要針對轉(zhuǎn)子彎曲對轉(zhuǎn)子溫度場及應力場的影響進行深入的研究，使運行人員明確不平衡的影響結果，為確定消除中壓轉(zhuǎn)子彎曲技術方案提供科學依據(jù)。針對超臨界汽輪機組開展轉(zhuǎn)子彎曲問題對機組安全性影響的研究，對機組實際運行中發(fā)生振動最大的中壓轉(zhuǎn)子進行了溫度場及應力場進行強度分析。本研究所選取2臺俄制500MW超臨界汽輪發(fā)電機組中壓轉(zhuǎn)子均在第2次A級檢修中發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子彎曲嚴重超標，并都進行了直軸處理。同類機組的調(diào)研也發(fā)現(xiàn)了中壓轉(zhuǎn)子在機組投運一段時間后普遍存在著不同程度的彎曲。因此，通過中壓轉(zhuǎn)子應力場的計算研究，研究該機型中壓轉(zhuǎn)子彎曲的根本原因，分析該機型中壓轉(zhuǎn)子彎曲對軸系安全性的影響，為確定消除中壓轉(zhuǎn)子彎曲技術方案提供科學依據(jù)。
由于實際的轉(zhuǎn)子模型結構復雜，細微結構眾多，不可能完全建模分析，需要對其進行一定的簡化處理，本研究根據(jù)簡化處理對計算結果的影響較小而可以忽略的原則，進行了以下處理：由于各級輪盤氣動載荷及轉(zhuǎn)子自身重力對轉(zhuǎn)子的靜強度影響很小，忽略了轉(zhuǎn)子自身重力及軸向氣流力的影響，只考慮轉(zhuǎn)子離心力、溫度載荷及不平衡離心力；由于實際模型葉片眾多，且葉片模型復雜，接觸關系眾多，無法完全建模模擬，因而將轉(zhuǎn)子輪盤計算外半徑取為輪盤的實際外徑處，并綜合考慮氣流對葉片及葉片平臺等的換熱，在計算半徑處取綜合等效換熱系數(shù)來模擬，將葉片的離心力載荷等效為均布徑向壓力施加在輪緣處；簡化對計算結果影響很小的圓角等細小結構；為了較好地模擬軸承對轉(zhuǎn)子彎曲變形的約束作用，左右兩端取為軸承的軸向中分面，即忽略了軸承軸向上中分面以外的轉(zhuǎn)子結構。在專業(yè)的三維建模軟件中建立了該中壓轉(zhuǎn)子的實體模型，然后導入到ANSYS中進行相應處理后得到了轉(zhuǎn)子的簡化實體模型，如圖所示。采用20節(jié)點的三維實體結構單元Solid186來模擬應力場，采用相應的20節(jié)點的實體熱單元Solid90來模擬溫度場。為了保證結果的準確性，采用了足夠精密的網(wǎng)格，整個轉(zhuǎn)子的單元數(shù)為162729，節(jié)點數(shù)為720800，其有限元模型如圖所示。
由于實際轉(zhuǎn)子的支撐主要是通過軸承來實現(xiàn)，為了較好地模擬軸承對轉(zhuǎn)子彎曲變形的約束作用，本研究通過簡單實例的有限元分析及理論計算的對比分析，最終確定采用ANSYS中的Surface Based Constraints技術來模擬，即在轉(zhuǎn)子兩端通過采用一種特殊的點項接觸方式來模擬，其中接觸單元分別為TARGE170及CONTACT1750考慮離心力、溫度載荷及不平衡離心力載荷，先進行溫度場分析后，將分析得到的節(jié)點溫度作為節(jié)點載荷施加到后續(xù)的應力分析中來進行耦合，而葉片的離心力根據(jù)相應的理論計算得到等效的輪緣處徑向壓力。
所計算的工況為額定工況，即施加旋轉(zhuǎn)角速度為314.16rad/s。根據(jù)大機組的設計導則，轉(zhuǎn)子的一階不平衡量的偏心距的不平衡質(zhì)量作用在轉(zhuǎn)子的中部來進行加載。由于在本課題中，轉(zhuǎn)子的實際不平衡量可能要比偏心距大得多，但該不平衡量又由于實際轉(zhuǎn)子的復雜性而無法準確獲得，因而在分析過程中擬定了以下的不平衡離心力方案，并根據(jù)不同過程中分析目的不同，選取不同工況的組合來分析，其中不平衡離心力的計算根據(jù)F=me擴來計算，不同工況下不平衡離心力的具體數(shù)值如表所示。在ANSYS中，通過在中壓轉(zhuǎn)子中間軸段的中心孔處取一小區(qū)域建立Surface Based Constraints區(qū)域，然后通過在主節(jié)點處加載Y方向的集中力來模擬不平衡離心力作用，在本研究中定義Y向為轉(zhuǎn)子蠕變彎曲方向。
溫度場的熱邊界條件是根據(jù)計算分析等得到的數(shù)值進行加載，應力場的計算采用的是順序耦合的方法，即將熱分析得到的節(jié)點溫度作為節(jié)點載荷施加在后續(xù)的應力分析中來進行耦合計算。圖為俄制機組的中壓轉(zhuǎn)子溫度場有限元分析結果。從圖中可以看出，轉(zhuǎn)子的溫度場分布均勻，基本上是關于轉(zhuǎn)子的中分面對稱分布，并從中間進汽部分沿軸線向兩端逐漸降低，在轉(zhuǎn)子的徑向及周向溫度變化很小。在轉(zhuǎn)子的中部表面溫度最高，其溫度值接近進汽溫度，最大溫度值達539℃，而在兩端軸頸處溫度最低，約為800℃，在轉(zhuǎn)子的中部軸段處的溫度在400~539℃之間為高溫區(qū)。
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