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汽轮机转子中心孔必要性的综合分析

冀润景

【摘要】文章针对汽轮机转子是否有必要开中心孔的议题，从寿命、可靠性、应

力腐蚀影响、锻件制造过程、运行维护等方面，对中心孔转子与实心转子进行了全

面的对比分析，讨论了转子开中心孔的必要性。%Regardingwiththetopicof

whetheritisnecessarytomachinecenterholeofturbinerotor,thispaper

carriedoncompar-ativeanalysisofhollowrotorandnon-hollowrotor,

takingaccountintoseveralaspectsofservicelife,reliability,influenceof

stresscorrosion,manufacturingprocessandmaintainance,andthe

necessityofcenterholewasdiscussed.

【期刊名称】《东方汽轮机》

【年(卷),期】2015(000)003

【总页数】6页(P50-55)

【关键词】可靠性;应力腐蚀;锻件;中心孔

【作者】冀润景

【作者单位】中国电能成套设备有限公司，北京，100080

【正文语种】中文

【中图分类】TK262

关于汽轮机转子中心孔的讨论，一直以来都是见仁见智的。早期的转子由于锻造水

平低下，不得不开孔，随着锻造技术发展，目前国内火电机组大多数采用实心转子。

随着我国清洁能源的发展规划出台，开展核电建设势在必行，对大容量、大体积的

汽轮机设备的需求将会不断增加。相对火电机组，核电汽轮机转子体积更大，末级

叶片更长，工作环境多处在湿蒸汽区，选择中心孔转子或实心转子的讨论，又逐渐

开始。本文从寿命、可靠性、应力腐蚀影响、锻件制造过程、运行维护等方面，对

中心孔转子与实心转子进行了综合的对比分析，讨论了转子开中心孔的必要性。

转子寿命和可靠性的分析主要是通过计算各部分应力值，按断裂力学理论得出脆断

缺陷临界尺寸，并按初始缺陷尺寸扩展至脆断缺陷临界尺寸计算疲劳周数。由于转

子运行中主要承受各种温度变化造成的热应力以及离心应力（特别是低压转子），

因此在应力计算时，应同时考虑热应力和离心应力。转子寿命和可靠性分析流程见

图1。

1.1热应力计算方法

热应力的计算通常可采用解析法和数值计算2种方式，国内进行解析计算一般有3

种公式：一维解析法、一维差分法、控制模型法。解析法是由导热微分方程出发，

利用积分变换导出汽轮机转子温度的迭代公式，从而求出转子的热应力。

有分析表明[1]，一维解析法、控制模型法相对来说更适合稳态下的计算，不适应

启停机过程，而采用一维差分法可以得到比较准确的应力值。以下对一维差分法进

行分析。

将转子假设为无限长圆柱体的一维模型，设转子外径Rout，内径Rin（对实心转

子，Rin=0），切断面上温度分布对称于转子轴线，温度的变化可近似看作时间和

半径的函数。其一维非稳定热传导方程即温度的偏微分方程为：

式中：

r—转子半径；

t—转子温度；

τ—时间；

c—转子材料比热；

ρ—转子材料密度；

λ—转子材料导热系数。

将转子沿半径方向分割成n个截面，半径差为Δr，则式（1）转化为：

则有

式中：

Ti—第i个截面经过Δτ时间后的温度。

外表面边界条件按已知换热系数和周围流体温度的第3类边界条件处理：

式中：α—换热系数。

同样通过差分简化，则外表面温度为：

内孔温度大约为：Tin=T1（6）

转子平均温度为：

通过式（3）、（4）、（6）、（7）可计算出各点的温度值及转子平均温度，通

过热应力基本方程式可计算出各点热应力为：

1.2离心应力计算方法

在应力场计算中，可假定除热应力外，转子仅受到离心应力作用。对于空心圆柱转

子，由离心力导致的切向应力[2]为：（9）

式中：

ω—转子旋转速度；

υ—柏松比。

由叶片、围带等离心力造成的切向应力为：

1.3对材料脆性断裂的分析

利用VonMises公式，将离心应力与热应力合成：

有计算结果表明[3]，对中心孔转子和实心转子，在表面的应力状态相似，但中心

孔表面的应力是相对实心转子相应位置的2倍，特别是低压末级叶轮近中心部位，

这一差距相对要更大一些。

另