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國內外軸系破壞事故調查結果顯示，汽輪機軸系破壞主要由機組運行中突然產生轉子彎曲導致的不平衡引起，因此，需就轉子彎曲對轉子溫度場、應力場的影響進行深入研究，明確不平衡影響，為確定消除中壓轉子彎曲技術方案提供科學依據。針對目前國內僅有的2臺俄制800MW超臨界汽輪機組進行轉子彎曲對機組安全性影響的研究，對機組實際運行中振動最大的中壓轉子進行溫度場及應力場有限元分析。在第2次A級檢修中，發(fā)現(xiàn)中壓轉子彎曲嚴重超標，進行了直軸處理。同類機組的調研中也發(fā)現(xiàn)中壓轉子在機組投運一段時間后普遍發(fā)生不同程度的彎曲。因此，通過對中壓轉子應力場的計算，分析該機型中壓轉子彎曲的根本原因和對軸系安全性的影響，為確定消除中壓轉子彎曲技術方案提供科學依據。
由于實際轉子模型結構復雜，細微結構眾多，不能完全建模分析，根據對計算結果影響小即可忽略的原則，需進行一定的簡化處理。由于各級輪盤氣動載荷及轉子自身重力對轉子靜強度影響小，因此可忽略轉子自身重力及軸向氣流力影響，只考慮轉子離心力、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，因而將轉子輪盤計算外半徑取為輪盤的實際外徑，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進行模擬，將葉片的離心力載荷等效為均布徑向壓力施加在輪緣處。簡化對計算結果影響很小的圓角等細小結構。為了較好的模擬軸承對轉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子結構。在專業(yè)的三維建模軟件中建立該中壓轉子的實體模型，然后導入到ANSYS中進行相應處理后得到轉子的簡化實體模型。采用20節(jié)點的三維實體結構單元Solid186模擬應力場，采用相應的20節(jié)點實體熱單元Solid90模擬溫度場；為了保證結果的準確性，采用了足夠精密的網格，整個轉子的單元數為48240個，節(jié)點數為232720個，其有限元模型見圖。
由于實際轉子的支撐主要通過軸承實現(xiàn)，為了較好的模擬軸承對轉子彎曲變形的約束作用，通過有限元及理論計算的對比分析方法，最終確定采用ANSYS中的SurfaceBasedConstraints技術模擬，即在轉子兩端通過采用一種特殊的點一面接觸方式模擬，其中接觸單元分別為TARGE170及CONTACT175。約束了左端控制節(jié)點的UX,UY,UZ,ROTY,ROTZ自由度，約束了右端控制節(jié)點的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)的應力分析中進行藕合，根據相應的理論計算得到等效的輪緣處徑向壓力。計算工況為額定工況，即施加旋轉角速度為314.16rad/s(3000r/min)。根據大機組的設計導則，轉子的一階不平衡量可按偏心距的不平衡質量作用在轉子的中部進行加載。由于轉子的實際不平衡量可能要比偏心距大，而實際轉子的復雜性無法準確獲得，因此在分析過程中擬定了不平衡離心力方案，并根據不同過程中分析目的不同，選取不同工況的組合進行分析，其中不平衡離心力的計算根據F=me，不同工況下不平衡離心力的具體數值見表。在ANSYS中，首先在中壓轉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向為轉子蠕變彎曲方向。
溫度場的熱邊界條件根據計算分析結果進行加載所得，應力場的計算采用順序藕合的方法，即將熱分析所得的節(jié)點溫度作為節(jié)點載荷施加在后續(xù)的應力分析中進行耦合計算。圖為800MW機組的中壓轉子溫度場有限元分析結果。可見，轉子的溫度場分布均勻，基本對稱分布于轉子的中分面，并從中間進汽部分沿軸線向兩端逐漸降低，在轉子的徑向及周向，溫度變化很小。轉子的中部表面溫度最高，其溫度值接近進汽溫度，最高溫度達538℃，而兩端軸頸處的溫度最低，約為70℃，轉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℃，而在中壓轉子末級葉片出口處的排汽溫度達220℃該排汽一部分蒸汽將經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行換熱。
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