安防之家讯：0引言
近几年来，汽轮机相继发生动静碰磨故障，包括定州电厂600MW 机组、沧东电厂600MW 机组、湖南省石门电厂、鲤鱼江电厂4台300MW 机组等。当轴系发生磨损故障时，会直接影响电厂的安全运行，甚至影响到电网的安全。对轴系磨损部位进行处理后必须满足规范要求和进行强度校核，以保证其在各种工况及常见故障载荷情况下不致发生永久变形和断裂，在运行中安全可靠。轴系磨损部位的合理处理及处理后是否满足运行要求，关系到轴系要不要更换，影响巨大。以往通过经验公式计算应力集中系数进而通过局部应力应变法求得危险部位的应力，其结果可靠性差。随着计算技术的发展，采用数值分析的方法显得越来越方便、快捷，其计算结果也更为精确。本文采用有限元分析软件ANSYS对某电厂轴系低压转子磨损故障的处理方案进行计算分析，试图为轴系磨损问题的合理处理提供科学依据，从而克服传统处理方法中存在的主观经验性不足，提高工作效率和计算结果的可靠性。
1有限元法应力分析基本原理
有限元法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组由有限个单元组成并按一定方式相互连接在一起的单元组合体来加以分析。其应力分析采用矩阵位移法，该法利用位能变分和分割近似原理求解弹性力学问题，以节点位移为基本未知量联立几何方程、虚功方程、本构方程或位能变分方程建立并求解关于节点位移的线性代数方程组。
弹性体网格划分后，在某一载荷作用下其内任一节点的应力为
式中：σx，σy，σz—正应力，MPa;
τxy，τyz，τzx—剪应力，MPa。
将弹性体内任一节点的位移等效到直角坐标轴中，
x、y、z方向分别用u、v、w列阵表示为
根据微分原理，应变分量与位移分量之间的几何关系为
对于各向同性的线弹性材料，应力与应变之间的关系为
式中：[D]—弹性矩阵，由弹性模量E(MPa)和泊松比u决定。
根据虚位移原理，可得到线弹性材料有限元的单元求解方程为
在轴系主要承受扭力矩时，通过在轴系中心建立局部柱坐标，施加切向载荷，可以得到弹性体在扭力矩作用下各节点的最大扭角及剪切应力。
2有限元模型的建立及应力集中系数的求取
汽轮发电机组轴系受力比较复杂，主要有扭矩、轴向力以及轴系本身的重力等。采用有限元法对其进行应力场计算之前，必须进行比较全面的受力分析，同时做出相应的简化，节省计算时间，并使建立的轴系计算模型尽可能符合机组实际工作情况。
在正常工作条件下，轴系受到的蒸汽力矩与电磁力矩平衡，保持恒速，轴系主要承受扭力矩。边界条件为：将电磁扭矩转换成扭应力平均地作用在轴系发电机侧端面最外环的节点上，轴系的另一端固定。在ANSYS中施加扭应力时，在端面中心建立局部柱坐标系，并将这些节点的坐标转换成当前局部坐标，则该力的方向就在端面圆的切线方向上，如图1所示。
端面最外环节点所受扭应力的计算方法为
τ=Mn/NR (6)
式中：Mn—端面扭矩，N·m;
N—节点数目;
R—端面半径，m。
图1扭应力施加方式
在确定端面扭应力时，以某负荷下的轴系出力功率计算轴段前后的应力分布情况，分析各种处理方案的应力集中系数，从而评估各种方案的可行性及安全性，为决策提供依据。
缺口应力集中程度用理论应力集中系数KT表示：
KT=σmax/σ (7)
式中：σmax—最大局部弹性应力，MPa;
σ—名义应力，MPa。
本文采用有限元法求取最大局部弹性应力，从而求得KT。
3算例分析
3.1案例介绍
某电厂机组型号为CLNZK660-24.2/566/566，机组型式：超临界、一次中间再热、二排气、单
轴、直接空冷式。汽轮机：高压缸：1个调节级，9个压力级;中压缸：6个压力级;低压缸：2x6个压力级;总计共28级。联轴器型式：刚性联轴器1转子型式：高中压转子和低压转子均为整锻无中心孔转子，各缸出力如表1所示。
表1 各缸体额定出力与最大出力KW
2010年9月，该电厂#3机组停机备检修过程中发现：汽轮机低压转子轴颈距低压转子调端对轮端面319mm处磨出一条沟槽，沟槽宽80mm，最大深度28.8mm，如图2所示。
图2转子磨损部位图
2010年10月5日，生产厂商代表和某激光公司工作人员到达电厂。该激光公司工作人员按《#3汽轮机低压转子车削工艺》进行转子车削，工艺步骤及标准如下：
1) 汽轮机电动盘车，转速3.35r/min
2) 从磨损的最高点处对刀，通过C6120车床小拖板的轴向移动和C618车床小拖板的径向进刀。沿磨损处轮廓按最小量将沟台去除。要求接刀处无接刀痕迹。每次进刀量：轴向0.05mm/r，径向0.03 mm/r。
3) 用细油石打磨车削刀纹，直至肉眼不见刀纹。
4) 用布砂轮或毛毡轮进行抛光，直至光洁度达到0.8。
5) 处理后表面呈光滑曲线，圆角R 应大于5mm。
6) 车削后保证最小轴颈不得小于磨损后最小轴颈初始值。
7) 处理结束后进行着色检查，表面应无裂纹。
在轴颈车削过程中，由于该激光公司技术人员加工失误，造成“扎刀”，将轴颈表面沿径向距沟痕调端30mm处，角度自转子0位顺时针188°处撞出一个深坑。经打磨抛光处理后，形成直径15mm，最大深度2.1mm的凹坑，如图3所示。
经处理后，低压转子磨损处情况如图4所示。
3.2原始轴段应力计算分析
本文以额定功率下，磨损轴段承受的剪应力为例，计算原始轴段及各种处理方案下危险部位的应力集中系数。
截取磨损部位轴段，建立三维有限元模型，在容易产生应力集中的部位，对网格进行加密，如图5所示。
图3加工失误形成的凹坑
图4处理后磨损部位图
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