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根據國內外軸系破壞事故調查結果的統計顯示，汽輪機軸系破壞主要原因之一是在機組運行中突然產生轉子彎曲導致大不平衡引起的。因此，非常有必要針對轉子彎曲對轉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，為確定消除中壓轉子彎曲技術方案提供科學依據。針對超臨界汽輪機組開展轉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生振動最大的中壓轉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超臨界汽輪發電機組中壓轉子均在第2次A級檢修中發現轉子彎曲嚴重超標，并都進行了直軸處理。同類機組的調研也發現了中壓轉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，通過中壓轉子應力場的計算研究，研究該機型中壓轉子彎曲的根本原因，分析該機型中壓轉子彎曲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。
由于實際的轉子模型結構復雜，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子自身重力對轉子的靜強度影響很小，忽略了轉子自身重力及軸向氣流力的影響，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子結構。在專業的三維建模軟件中建立了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了轉子的簡化實體模型，如圖所示。采用20節點的三維實體結構單元Solid186來模擬應力場，采用相應的20節點的實體熱單元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格，整個轉子的單元數為162729，節點數為720800，其有限元模型如圖所示。
由于實際轉子的支撐主要是通過軸承來實現，為了較好地模擬軸承對轉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，將分析得到的節點溫度作為節點載荷施加到后續的應力分析中來進行耦合，而葉片的離心力根據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，即施加旋轉角速度為314.16rad/s。根據大機組的設計導則，轉子的一階不平衡量的偏心距的不平衡質量作用在轉子的中部來進行加載。由于在本課題中，轉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F=me擴來計算，不同工況下不平衡離心力的具體數值如表所示。在ANSYS中，通過在中壓轉子中間軸段的中心孔處取一小區域建立Surface Based Constraints區域，然后通過在主節點處加載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向為轉子蠕變彎曲方向。
溫度場的熱邊界條件是根據計算分析等得到的數值進行加載，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點溫度作為節點載荷施加在后續的應力分析中來進行耦合計算。圖為俄制機組的中壓轉子溫度場有限元分析結果。從圖中可以看出，轉子的溫度場分布均勻，基本上是關于轉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，在轉子的徑向及周向溫度變化很小。在轉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℃，在轉子的中部軸段處的溫度在400~539℃之間為高溫區。
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