汽轮机转子应力分析
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摘 要：转子中心孔的裂纹多为径向裂纹，促使其发展的主应力为切向应力，因此在启动过程中，汽轮机转子中心孔处是转子受力的最大部位，要防止该初出现脆断和裂纹。
关键词：汽轮机 转子 应力分析
汽轮机转子是主轴和叶轮的组合部件，转子是汽轮机设备的心脏。随着高温高压大容量锅炉汽轮机机组的发展，汽轮机转子的重量和尺寸也愈来愈大。高压蒸汽喷射到工作叶片后，转动力矩由叶轮传到主轴。主轴不但承受扭矩和由自重引起的弯矩作用，而且因为主轴较长，过热蒸汽自第一级至最末级叶轮其温度是逐渐在降低的，由于这种不均匀的温度分布，主轴还要承受温度梯度所造成的热应力。此外，主轴还要受到因振动所产生的附加应力和发电机短路时产生的巨大扭转应力及冲击载荷的复杂作用。
叶轮是装配在主轴上的，在高速旋转时，圆周线速度很大，出于离心力的作用产生巨大的切向和径向应力，其中轮毂部分受力最大。叶轮也要受到振动应力和毂孔与轴之间的压缩应力。高参数大功率机组的转子因在高温蒸汽区工作，还要考虑到材料的蠕变、腐蚀、热疲劳、持久强度、断裂韧性等问题。
1 汽轮机转子的材料要求
(1)严格控制钢的化学成分。钢中含硫量不大于0．035％(酸性平炉钢)或0．030％(碱性电炉钢)；铜的含量应低于0．25％；含锡的钢材，钼的含量不允许低于下限，钢中的气体(如氢等)应尽量低。
(2)综合机械性能要好。既要强度高，又要塑性、韧性好。沿轴向和径向的机械性能应均匀一致，要求轮毂与轮缘之间的硬度偏差不超过HB40，轮毂或轮缘本身各点的硬度差不得超过HB30，而且主抽两端面硬度值的偏差不超过HB40。此外，还要求材料的缺口敏感性小。
(3)有一定的抗氧化、抗蒸汽腐蚀的能力；对于在高温下运行的主铀和叶轮，还要求高的蠕变极限和持久强度，以及足够的组织稳定性。
(4)不允许存在白点、内裂、缩孔、大块非金属夹杂物或密集性细小夹杂物等缺陷。
(5)有良好的淬透性，良好的焊接性能等工艺性能。
2 汽轮机转子用钢介绍
汽轮机转子的材料是按不同的强度级别选用的。转于用钢一般都属于中碳钢和中碳合金钢，只有制作焊接转子时，为了保证焊接性能才适当降低含碳量(例如选用17CrMo1V钢)。
功率较大的汽轮机其转子用钢都含有一定量的铬、镍、钼、锰等合金元素，加入这些元素可以提高钢的淬透性，增加钢的强度，其中钼可以减小钢的回火脆性，铬、钼、钨、钒则可提高钢的热强性。
汽轮机组功率不同，转子的制造方法也不同，小功率机组主轴与叶轮分开制造，而后用热套法整装成转子；中等功率机组，转子采用一部分叶轮与主轴锻成一个整体（一般是高压段），另一部分叶轮采用热套法整装；大功率机组，高压转子为整体锻造，而低压转子是焊接而成的。
34CrMo钢用作480℃以下的汽轮机的主轴有较好的工艺性能和较高的热强性，长时期使用组织也比较稳定。若工作温度超过480℃时热强性就有明显降低。
17CrMo1V钢用于工作温度520℃以下的汽轮机、燃气轮机和压气机的焊接转子。对17CrMo1V钢焊接时，必须严格控制预热温度，焊后应立即进行高温回火。
27Cr2Mo1V钢中铬和铂钼的含量均较多，有较好的制造工艺性能和热强性，可用来制造工作温度540℃以下的汽轮机整锻转子和叶轮。若用来制造转子和叶轮，均需要经过两次正火加回火处理。第一次正火970～990℃空冷，第二次正火930～950℃空冷，回火680～700℃炉冷。
高温、高压大功率汽轮机的启动和带负荷，特别是冷态启动过程要求十分严格，对转子和汽缸的热应力要进行严密监视。因为在机组启动和带负荷过程中，汽轮机转子及汽缸温度 变化将产生很大的热应力。如果启动过程控制不好，将影响汽轮机的使用寿命，甚至损坏设 备。
除了汽轮机冷态启动和带负荷，产生热应力外，其热态启动和主蒸汽温度变化同样对汽轮机热应力产生不良影响。因此加强机炉的配合，提高锅炉的运行可靠性是一个非常重要的问题。
汽缸和转子在启动和负荷变化过程中，本身的温度分布是不均匀的，受蒸汽冲刷的表面温度高，金属内部温度低，高、中压转子进汽部分表面温度较高，中心孔温度较低，沿着转子半径存在着一个由里向外温度逐步增高的温度梯度。这个温度梯度使金属各部分膨胀不同，因而产生机械应力，这种由热产生的机械应力定义为热应力。
众所周知，由转子附近蒸汽参数变化所引起的热应力，可由下式描述：
（1）
式中：为转子表面热应力，E为弹性模量，为热胀系数，为泊桑比，Ts为转子表面金属温度，T为转子容积平均温度。
当传热条件、温度分布及金属材料性能已知时，转子在温度变化时的热应力可以通过式(1)计算，并简化为：
=0.362*（Ts―T) （2）
式（2）表明，在汽轮机启动及变负荷时，对温度的限制也就是对汽轮机热应力的限制，使其不超过允许值。
汽缸与转子表面之间的传热系数取决于相对速度和工质特性，如导热性、粘度和密度等。通过运行试验表明，从蒸汽到转子表面的传热系数的近似计算公式完全可以满足运行控制要求。
h=1.4n+55p (3)
式中，h为从蒸汽到转子表面的传热系数；n为汽轮机转子的转速；p为汽轮机第一级蒸汽压力。
汽轮机转子是―个高速旋转的部件。由于转子自身的离心力作用，使得中心孔产生很大的切向应力。所有制造厂在进行转子设计时，都要进行此项应力的计算，并以此作为转子强度校核的主要依据。
转轴的外表面由于承受着各个叶轮离心力而产生的径向负荷，转轴上受到各个叶轮产生的若干段均布负荷作用。
对于大功率汽轮机组来说，转子半径较汽缸壁厚度大。因此在汽轮机启停过程中，转子成为热应力相当高的部件。为了计算转子的热应力，首先要确定转子的温度场。转子温度场的建立，有赖于数学模型的建立。由此根据初始条件和边界条件，求解出转子温度场。
汽轮机在起停过程中，转子受燕汽流的冲刷强烈，换热强度大，因而径向温度有相当大的变化。由于转子的旋转，其外表面受汽流冲刷的机会均等，因而沿周向可以说温度没有变化。即在汽轮机启停以及正常运行时，蒸汽流沿转子轴向温度是逐渐降低的，因转子轴向温度也是变化的。但由于转子轴向尺寸比径向大的多，因而总的说来轴向温度梯度远小于径向，因而用分析法求解时，将转子温度场简化为一维模型，其导热微分方程式为：
（4）
在进行应力计算时，要求提供转子表面金属温度Ts(该温度可由转子表面的蒸汽温度代替)和转子容积的平均温度T。该参数可从转子温度分布的解析计算中求得。一般而言，转子温度分布，可通过将转子分成若干个环形断面的传热方程得到。将转子分成8个环形断面，环形断面分的愈多，计算结果精度愈高。
汽轮机启动时，达到一定转速或带到一定负荷后，控制进汽参数不变，稳定运行一段时间称为暖机。由于运行的温升率等于0，蒸汽温度不再增加，并随着暖机时间的增加，转子的温度场渐趋均匀，转子内外表面的热应力将随时间的延长而逐新降低。当暖机开始时，不论热应力的初始值如何，都会迅速降低。但随着时间的延续，热应力降低的趋势减缓，超过 60min对降低热应力来说已无意义。
暖机是汽轮机启动中的一项很有利的措施。但不是说暖机越长越好，减小热应力在时间上要付出代价，尤其对调峰机组，更须从节约启动时间上着眼。只要将热应力降到可以忍受的地步，就应结束暖机，继续加热。
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