汽轮机是将蒸汽的热能转换成机械能的一种旋转式原动机。与其他形式的原动机(如蒸汽机、汽油机、柴油机等)相比,汽轮机具有单机功率大、热经济性高、运行安全可靠、可利用多种燃料和使用寿命长等优点。因此,汽轮机被广泛用于常规火电发电厂和核电站中拖动发电机来生产电能。另外,汽轮机可以设计成变转速运行,用于直接驱动给水泵、风机和船舶的螺旋桨等。可见,汽轮机是非常重要的动力机械设备,在国民经济中起着极其重要的作用。转子是汽轮机的关键部件,也是运行过程中最脆弱的部件。机组在启动过程中,随着蒸汽参数(温度、压力、流量等)发生较强烈的变化,将在转子上产生巨大的交变热应力,并导致转子因低周疲劳损伤而出现裂纹,可见,热应力是启动过程需要控制的关键因素。为了调峰机组的安全和经济启动,就必须对启停及负荷变化等过程中的热应力进行监测和控制。在计算机广泛应用的今天,利用微机在线监控转子的热应力,就能为机组的优化启动提供有效的手段和科学的依据,从目前的技术条件看,直接测量高速转动的转子内外表面的温差是十分困难的,只能按照传热学的原理,建立数学模型,以蒸汽的汽温、汽压、放热系数及金属材料的物理特性为计算原始数据,利用微机进行转子温差、热应力的跟踪计算。汽轮机自动控制就是以启动过程汽轮机转子的热应力为启动速度的判断依据,优化机组的启动过程。本论文在阅读和总结大量国内外文献的基础上,对大型汽轮机ATC系统进行了全面和系统的阐述,并根据汽轮机原理和大量运行实践,深入剖析了汽轮机转子温度分布计算和应力计算的核心内容,分别详细推导了高压缸转子和中压缸转子的温度分布计算模型,给出了实现细节,分析了转子寿命和应力之间的关系,这些工作为以后汽轮机的优化控制奠定了坚实的基础。针对两种类型的转子,即T型根槽式(T-Root Groove)转子和侧进式(Side-Entry Groove)沟槽转子,本文分别推导了计算其相应应力的计算模型。从这些模型可知,转子表面应力的大小是与相应的有效温差成正比的。所以,在一定的转子材料情况下,对应力的控制问题可以转变为对有效温差的控制。考虑到实际汽轮机转子的温度分布计算十分复杂,影响因素很多,如果采用多维计算模型,势必导致计算量巨大,难以满足实时在线的要求,因此合理的简化模型是必要的。本文还给出了影响转子温度分布的详细的转子导热模型。目前对实际运转的汽轮机转子,采用直接的应力检测还有比较大的困难,但通过某些温度点的检测以及模型的计算,控制其有效温差,同样可以达到对应力控制的要求,从而实现对汽轮机从启动、变负荷、停机等全过程的自动控制,并可在此基础上进行优化。