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根據(jù)國(guó)內(nèi)外軸系破壞事故調(diào)查結(jié)果的統(tǒng)計(jì)顯示，汽輪機(jī)軸系破壞主要原因之一是在機(jī)組運(yùn)行中突然產(chǎn)生轉(zhuǎn)子彎曲導(dǎo)致大不平衡引起的。因此，非常有必要針對(duì)轉(zhuǎn)子彎曲對(duì)轉(zhuǎn)子溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)的影響進(jìn)行深入的研究，使運(yùn)行人員明確不平衡的影響結(jié)果，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(duì)超臨界汽輪機(jī)組開展轉(zhuǎn)子彎曲問題對(duì)機(jī)組安全性影響的研究，對(duì)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行中發(fā)生振動(dòng)最大的中壓轉(zhuǎn)子進(jìn)行了溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行強(qiáng)度分析。本研究所選取2臺(tái)俄制500MW超臨界汽輪發(fā)電機(jī)組中壓轉(zhuǎn)子均在第2次A級(jí)檢修中發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子彎曲嚴(yán)重超標(biāo)，并都進(jìn)行了直軸處理。同類機(jī)組的調(diào)研也發(fā)現(xiàn)了中壓轉(zhuǎn)子在機(jī)組投運(yùn)一段時(shí)間后普遍存在著不同程度的彎曲。因此，通過(guò)中壓轉(zhuǎn)子應(yīng)力場(chǎng)的計(jì)算研究，研究該機(jī)型中壓轉(zhuǎn)子彎曲的根本原因，分析該機(jī)型中壓轉(zhuǎn)子彎曲對(duì)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)際的轉(zhuǎn)子模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，細(xì)微結(jié)構(gòu)眾多，不可能完全建模分析，需要對(duì)其進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化處理，本研究根據(jù)簡(jiǎn)化處理對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響較小而可以忽略的原則，進(jìn)行了以下處理：由于各級(jí)輪盤氣動(dòng)載荷及轉(zhuǎn)子自身重力對(duì)轉(zhuǎn)子的靜強(qiáng)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(shí)際模型葉片眾多，且葉片模型復(fù)雜，接觸關(guān)系眾多，無(wú)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)際外徑處，并綜合考慮氣流對(duì)葉片及葉片平臺(tái)等的換熱，在計(jì)算半徑處取綜合等效換熱系數(shù)來(lái)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(jiǎn)化對(duì)計(jì)算結(jié)果影響很小的圓角等細(xì)小結(jié)構(gòu)；為了較好地模擬軸承對(duì)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(jié)構(gòu)。在專業(yè)的三維建模軟件中建立了該中壓轉(zhuǎn)子的實(shí)體模型，然后導(dǎo)入到ANSYS中進(jìn)行相應(yīng)處理后得到了轉(zhuǎn)子的簡(jiǎn)化實(shí)體模型，如圖所示。采用20節(jié)點(diǎn)的三維實(shí)體結(jié)構(gòu)單元Solid186來(lái)模擬應(yīng)力場(chǎng)，采用相應(yīng)的20節(jié)點(diǎn)的實(shí)體熱單元Solid90來(lái)模擬溫度場(chǎng)。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162729，節(jié)點(diǎn)數(shù)為720800，其有限元模型如圖所示。
由于實(shí)際轉(zhuǎn)子的支撐主要是通過(guò)軸承來(lái)實(shí)現(xiàn)，為了較好地模擬軸承對(duì)轉(zhuǎn)子彎曲變形的約束作用，本研究通過(guò)簡(jiǎn)單實(shí)例的有限元分析及理論計(jì)算的對(duì)比分析，最終確定采用ANSYS中的Surface Based Constraints技術(shù)來(lái)模擬，即在轉(zhuǎn)子兩端通過(guò)采用一種特殊的點(diǎn)項(xiàng)接觸方式來(lái)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(jìn)行溫度場(chǎng)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)力分析中來(lái)進(jìn)行耦合，而葉片的離心力根據(jù)相應(yīng)的理論計(jì)算得到等效的輪緣處徑向壓力。
所計(jì)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(jī)組的設(shè)計(jì)導(dǎo)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(lái)進(jìn)行加載。由于在本課題中，轉(zhuǎn)子的實(shí)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(shí)際轉(zhuǎn)子的復(fù)雜性而無(wú)法準(zhǔn)確獲得，因而在分析過(guò)程中擬定了以下的不平衡離心力方案，并根據(jù)不同過(guò)程中分析目的不同，選取不同工況的組合來(lái)分析，其中不平衡離心力的計(jì)算根據(jù)F=me擴(kuò)來(lái)計(jì)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(guò)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(guò)在主節(jié)點(diǎn)處加載Y方向的集中力來(lái)模擬不平衡離心力作用，在本研究中定義Y向?yàn)檗D(zhuǎn)子蠕變彎曲方向。
溫度場(chǎng)的熱邊界條件是根據(jù)計(jì)算分析等得到的數(shù)值進(jìn)行加載，應(yīng)力場(chǎng)的計(jì)算采用的是順序耦合的方法，即將熱分析得到的節(jié)點(diǎn)溫度作為節(jié)點(diǎn)載荷施加在后續(xù)的應(yīng)力分析中來(lái)進(jìn)行耦合計(jì)算。圖為俄制機(jī)組的中壓轉(zhuǎn)子溫度場(chǎng)有限元分析結(jié)果。從圖中可以看出，轉(zhuǎn)子的溫度場(chǎng)分布均勻，基本上是關(guān)于轉(zhuǎn)子的中分面對(duì)稱分布，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。在轉(zhuǎn)子的中部表面溫度最高，其溫度值接近進(jìn)汽溫度，最大溫度值達(dá)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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