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國內(nèi)外軸系破壞事故調(diào)查結(jié)果顯示，汽輪機(jī)軸系破壞主要由機(jī)組運(yùn)行中突然產(chǎn)生轉(zhuǎn)子彎曲導(dǎo)致的不平衡引起，因此，需就轉(zhuǎn)子彎曲對轉(zhuǎn)子溫度場、應(yīng)力場的影響進(jìn)行深入研究，明確不平衡影響，為確定消除中壓轉(zhuǎn)子彎曲技術(shù)方案提供科學(xué)依據(jù)。針對目前國內(nèi)僅有的2臺俄制800MW超臨界汽輪機(jī)組進(jìn)行轉(zhuǎn)子彎曲對機(jī)組安全性影響的研究，對機(jī)組實(shí)際運(yùn)行中振動最大的中壓轉(zhuǎn)子進(jìn)行溫度場及應(yīng)力場有限元分析。在第2次A級檢修中，發(fā)現(xiàn)中壓轉(zhuǎn)子彎曲嚴(yán)重超標(biāo)，進(jìn)行了直軸處理。同類機(jī)組的調(diào)研中也發(fā)現(xiàn)中壓轉(zhuǎn)子在機(jī)組投運(yùn)一段時(shí)間后普遍發(fā)生不同程度的彎曲。因此，通過對中壓轉(zhuǎn)子應(yīng)力場的計(jì)算，分析該機(jī)型中壓轉(zhuǎn)子彎曲的根本原因和對軸系安全性的影響，為確定消除中壓轉(zhuǎn)子彎曲技術(shù)方案提供科學(xué)依據(jù)。
由于實(shí)際轉(zhuǎn)子模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，細(xì)微結(jié)構(gòu)眾多，不能完全建模分析，根據(jù)對計(jì)算結(jié)果影響小即可忽略的原則，需進(jìn)行一定的簡化處理。由于各級輪盤氣動載荷及轉(zhuǎn)子自身重力對轉(zhuǎn)子靜強(qiáng)度影響小，因此可忽略轉(zhuǎn)子自身重力及軸向氣流力影響，只考慮轉(zhuǎn)子離心力、溫度載荷及不平衡離心力。由于實(shí)際模型葉片眾多，且葉片模型復(fù)雜，接觸關(guān)系眾多，無法完全建模模擬，因而將轉(zhuǎn)子輪盤計(jì)算外半徑取為輪盤的實(shí)際外徑，并綜合考慮氣流對葉片及葉片平臺等的換熱，在計(jì)算半徑處取綜合等效換熱系數(shù)進(jìn)行模擬，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(jì)算結(jié)果影響很小的圓角等細(xì)小結(jié)構(gòu)。為了較好的模擬軸承對轉(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，即忽略軸承軸向上中分面以外的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。在專業(yè)的三維建模軟件中建立該中壓轉(zhuǎn)子的實(shí)體模型，然后導(dǎo)入到ANSYS中進(jìn)行相應(yīng)處理后得到轉(zhuǎn)子的簡化實(shí)體模型。采用20節(jié)點(diǎn)的三維實(shí)體結(jié)構(gòu)單元Solid186模擬應(yīng)力場，采用相應(yīng)的20節(jié)點(diǎn)實(shí)體熱單元Solid90模擬溫度場；為了保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用了足夠精密的網(wǎng)格，整個(gè)轉(zhuǎn)子的單元數(shù)為48240個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為232720個(gè)，其有限元模型見圖。
由于實(shí)際轉(zhuǎn)子的支撐主要通過軸承實(shí)現(xiàn)，為了較好的模擬軸承對轉(zhuǎn)子彎曲變形的約束作用，通過有限元及理論計(jì)算的對比分析方法，最終確定采用ANSYS中的SurfaceBasedConstraints技術(shù)模擬，即在轉(zhuǎn)子兩端通過采用一種特殊的點(diǎn)一面接觸方式模擬，其中接觸單元分別為TARGE170及CONTACT175。約束了左端控制節(jié)點(diǎn)的UX,UY,UZ,ROTY,ROTZ自由度，約束了右端控制節(jié)點(diǎn)的UX,UY,ROTY,ROTZ自由度。主要考慮離心力、溫度載荷及不平衡離心力載荷，進(jìn)行溫度場分析后，將分析得到的節(jié)點(diǎn)溫度作為節(jié)點(diǎn)載荷施加到后續(xù)的應(yīng)力分析中進(jìn)行藕合，根據(jù)相應(yīng)的理論計(jì)算得到等效的輪緣處徑向壓力。計(jì)算工況為額定工況，即施加旋轉(zhuǎn)角速度為314.16rad/s(3000r/min)。根據(jù)大機(jī)組的設(shè)計(jì)導(dǎo)則，轉(zhuǎn)子的一階不平衡量可按偏心距的不平衡質(zhì)量作用在轉(zhuǎn)子的中部進(jìn)行加載。由于轉(zhuǎn)子的實(shí)際不平衡量可能要比偏心距大，而實(shí)際轉(zhuǎn)子的復(fù)雜性無法準(zhǔn)確獲得，因此在分析過程中擬定了不平衡離心力方案，并根據(jù)不同過程中分析目的不同，選取不同工況的組合進(jìn)行分析，其中不平衡離心力的計(jì)算根據(jù)F=me，不同工況下不平衡離心力的具體數(shù)值見表。在ANSYS中，首先在中壓轉(zhuǎn)子中間軸段的中心孔處取一小區(qū)域建立SurfaceBasedConstraints然后通過在主節(jié)點(diǎn)處加載Y方向的集中力來模擬不平衡離心力作用，定義Y向?yàn)檗D(zhuǎn)子蠕變彎曲方向。
溫度場的熱邊界條件根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果進(jìn)行加載所得，應(yīng)力場的計(jì)算采用順序藕合的方法，即將熱分析所得的節(jié)點(diǎn)溫度作為節(jié)點(diǎn)載荷施加在后續(xù)的應(yīng)力分析中進(jìn)行耦合計(jì)算。圖為800MW機(jī)組的中壓轉(zhuǎn)子溫度場有限元分析結(jié)果。可見，轉(zhuǎn)子的溫度場分布均勻，基本對稱分布于轉(zhuǎn)子的中分面，并從中間進(jìn)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。轉(zhuǎn)子的中部表面溫度最高，其溫度值接近進(jìn)汽溫度，最高溫度達(dá)538℃，而兩端軸頸處的溫度最低，約為70℃，轉(zhuǎn)子中部軸段處的溫度為400-538℃，為高溫區(qū)。在軸頸的軸肩處存在較大的溫度梯度，由于設(shè)定與軸承接觸的軸段圓柱面熱邊界條件為第一類邊界條件，取溫度值為70℃，而在中壓轉(zhuǎn)子末級葉片出口處的排汽溫度達(dá)220℃該排汽一部分蒸汽將經(jīng)過汽封泄漏到軸頸附近，從而對末級葉輪與軸頸間的軸段進(jìn)行換熱。
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