多轮盘转子系统轴向振动的固有特性研究

第53卷第1期2011年2月汽轮机技术TURBINETECHNOLOGYVO153NO1FEB20L1多轮盘转子系统轴向振动的固有特性研究唐贵基，王林，刘良玉，张泰愚1华北电力大学机械工程学院，保定071003；2中国电子科技集团公司第48研究所，长沙41011L；3甘肃兰州超高压输变电公司330KV定西变，定西743000摘要通过分析轴系轴向振动的机理，进一步将传递矩阵法应用到对一台汽轮发电机轴系的轴向振动固有特性的计算方法中去。计算结果证明这种方法既简单又可靠。关键词轴向振动；固有特性；传递矩阵分类号TK262文献标识码A文章编号1001588420110L005303THECHARACTERISTICOFLONGITUDINALVIBRATIONRESEARCHOFTURBOGENERATORBASEDONTRANSFERMATRIXTANGGUIJI，WANGLIN，LIULIANGYU，ZHANGTAIYU1SCHOOLOFMECHANICALENGINEERING，NORTHCHINAELECTRICPOWERUNIVERSITY，BAODING071003，CHINA；248THINSTITUTEOFCHINAELECTRONICTECHNOLOGYCORPORATION，CHANGSHA4101LL，CHINA；3DINGXIPOWERTRANSMISSIONDISTRUBITIONOFLANZHOU，GANSU，DINGXI743000，CHINAABSTRACTACCORDINGTOANALYZINGTHEMECHANISMOFAXIALVIBRATION，THISPAPERMAKESFURTHEREFFORTSTOAPPLYTRANSFERMATRIXTOTHENATUREAXIALVIBRATIONFREQUENCYCALCULATIONOFTURBOGENERATORSETTHERESULTPROVEDITISAPERFECTCALCULATINGMETHODKEYWORDSAXIALVIBRATION；NATURECHARACTERISTIC；TRANSFERMATRIX0前言现代的工程问题不仅要对系统进行动态特性的分析，而且还需要对系统进行综合，即将所要研究和处理的对象当做一个系统。分析任何一种动态系统，都应首先建立它的数学模型，建立一个合理的数学模型是分析过程的关键。本论文所研究的多轮盘转子系统，如汽轮机、发电机等都是典型的旋转机器，都以转子作为工作的主体。转子系统的振动是多种多样的，它包括转轴的扭转振动和弯曲振动以及轴向振动。随着转子系统结构越来越复杂，需要对转子的各种振动都进行固有特性的分析，确保在使用期间避免由于振动而造成的损失。本文就轴系轴向振动问题展开了较为深入的学习。1轴向振动轴系在外力作用下，沿轴线方向产生的周期性变形现象，称为轴系的轴向振动或纵向振动。当某一激振力的频率与轴系某一节的纵振固有频率相同或相近时，就产生了轴系的纵向振动。此外，轴系的扭转振动也可能激起轴系的纵向振动，特别是在扭振固有频率与纵振固有频率相同或相近时，还会产生扭转一纵向耦合振动现象。随着汽轮发电机功率的迅速提高，以及轴系变得相对细长，轴系的轴向振动问题日益得到人们重视。2轴向振动计算模型的建立对于多轮盘转子系统可认为是由多个圆盘组成，彼此间用可以不计质量的弹性轴来联接的系统。图1所示两端简支的轴作纵向自由振动，可把此轴分为N个单元，对每个单元采用集中质量法研究，可认为是其质量集中于两端，中间为一仅有弹性而无质量的轴端，当把轴单元取得足够小时，可以保证实际的精度。那么图1所示的一端固定的轴，就可以简化为如图2所示的弹簧质量系统的动力学模型。R_IIU图1多轮盘转子系统收稿日期2010031L基金项目河北省自然科学基金资助项目编号E2008001237。作者简介唐贵基1962一，男，山东黄县人，教授，博士生导师，主要致力于机械结构动特性、振动与噪声控制、状态监测与故障诊断等方面的研究工作。54汽轮机技术第53卷翟，矗2I矗IILL詹二卜TTLI帕1，TTTIL图2简化的弹簧质量系统模型图3轴的纵向振动离散化模型的位移。及纵向力组成，可表示为I1在质量的左端的状态向量可表示为2取质量M为分离体，由牛顿运动定律有M童F一F3当进行谐振时，有I一。，故有一MF4另外，每个质量左右端的位移总是相同的，即R5式4与式5可用矩阵形式表示为。；】一】C6，再取第I段弹簧为分离体。这时，弹簧两端的位移分别等于与墨，而两端的力分别等于F与F。由弹簧变工7。8式7与式8可以用矩阵形式表示为将式9代入式6，得厂1L后L2M一字简写为11式中C称为第I个子传递矩阵，显然C中的元素依赖于。这样，对应各个值，从另端的状态向量出发，就可算出末端1944年N0MYKLESTAD，1945NIANMAPROHL把HHOLZ厂0LJ决轴的横振问题。随着电子计算机的发展，以及在振动问题的研究中采用矩阵运算，初参数法就发展为传递矩阵法。这一方法的优点是矩阵的维数不随系统自由度的增加而增大。各阶临界转速的计算方法完全相同，而且程序简单，所需存储单元少。但是这一方法用于求解高速大型转子的动力学问题时，有可能出现数值不稳定现象。近年来提出的RICCATI传递矩阵法，既保留了传递矩阵法的全部优点，而且在数值上比较稳定，计算精度高，是一种比较理想的计算方法J。本文在计算轴向振动固有频率时，在上述传递矩阵法的基础上，也采用了RICCATI变换。3RICCATI传递矩阵应用RICCATI变换FS。，式10就可以化为CC2S12FFC2。2S13由RICCATI变换式可以得到计算轴向自振频率的RICCATI传递矩阵S的递推关系式LSJI百在计算轴系纵振自振频率时，起始截面状态向量元素O，F0，因而S0。根据上式在给定固有频率的情况下可逐个计算出S值，在轴系末端自由的末端截面边界条件F0，0，所以S0，此式即为RICCATI传递矩阵法计算轴系纵振自振频率的特征方程式，据此方程式计算出各阶自振频率J。4实例计算对文献5中的模拟机进行分析计算。将轴系进行模化，模化思想和文献6和文献7中扭振模化思想相似，得到轴系前两阶轴向振动值如表1所示，振型图如图4所示。表1前两阶固有频率计算结果与理论设计值基本吻合，证明了计算方法的可靠性。5结语根据现场经验，发电机定子线棒的振动频率接近2倍频第1期唐贵基等多轮盘转子系统轴向振动的固有特性研究55熹删四一蚓臀图4固有振型图时常常会引起轴系的纵向振动。转子发生热弯曲，即使不引起汽轮机动静部件之间的摩擦，也会引起振动。而且这种振动表现为显著的轴向振动。尤其当通过临界转速时，其轴向振幅增大更为明显。虽然在平时处理汽轮机组轴系振动时仅考虑横振和扭振的影响，但是在汽轮发电机组振动处理工作中，常常会出现轴承座过大的轴向振动，影响机组的安全运行，因此今后有必要进一步对轴向振动进行深入地分析研究。截止目前，解决轴向振动的策略主要是通过轴承座加固等方法来解决机组振动故障。有希望今后寻找出更加科学的方案。参考文献1钟一谔，何衍宗，王正，等转子动力学M北京清华大学出版社，19872徐业宜机械系统动力学M北京机械工业出版社，19913刘英哲，等汽轮发电机组扭振M北京中国电力出版社，19974黄娟，谢诞梅，等改进RICCATI方法在计算轴系扭振特性中的奇点问题J制冷空调与电力机械，2003，24566685唐贵基汽轮发电机组轴系扭振模拟及次同步谐振试验研究D保定华北电力大学，19996鲍菊，曹钟中，杨昆汽轮发电机组轴系扭振模型模化及其简化J热机发电，1995，2452930，427张燕，耿文骥，梁旭彪，等100MW汽轮发电机组轴系扭振特性计算分析J华东电力，2008，363981008周武钢汽轮发电机组的振动原因分析J电工技术，2005，67981上接第52页3结论1从实验结果可以看出，声发射信号能比较准确的监测出轴承的润滑状况；2润滑状态良好的升速过程，在低转速阶段声发射特征信号会有峰值出现，高转速阶段特征信号稳定，整个过程声发射信号特征变化较小；3当轴与轴瓦之间润滑情况开始变坏时，声发射事件数和振铃数开始波动并呈缓慢增大趋势，频率中心降低，润滑状况破坏到一定程度后，声发射各特征参数会出现一个大的突变过程。可见，滑动轴承所处的润滑状态能从声发射信号时域波形、振铃数、事件数和频率中心很明显地表现出来，根据这些变化特征就可以判断滑动轴承所处工作状态以及故障程度。参考文献1张艾萍，孙伟，叶荣学汽轮发电机组轴承运行状态声发射监测研究J汽轮机技术，199840129322秦萍，阎兵，宋仁勇滑动轴承接触摩擦故障的状态监测J中国机械工程，20021386896913CHRISTIANUGTOSSEMASAYASUOHTSUACOUSTICEMISSIONTESTINGMSPRINGERVERLAGBERLINHEIDELBERG20084CZULUAGAGIRALDO，DMBA，MSMARTACOUSTICEMISSIONDURINGRUNUPANDFUNDOWNOFAPOWERGENERATIONTURBINEJTRIBOLOGYINTERNATIONAL，2004，37415422上接第49页气动参数的干扰较大，而对于静叶的前缘处的流动情况影响较强烈。2静叶的气动参数受到非定常扰动的范围和幅值均大于动叶。3弯掠动叶能够降低动叶上、下端壁处的扩压负荷，降低端壁处的附面层损失，同时降低端壁区域动叶尾迹的速度亏损，减轻动叶尾迹对下游静叶端部区域气动参数的非定常扰动。参考文献1SANDERSAJ，FLEETERSMULTIBLADEROWINTERACTIONSINATRANSONICAXIALCOMPRESSORPARTLIROTORWAKEFORCINGFUNCTIONANDSTATORUNSTEADYAERODYNAMICRESPONSERASMEPAPER2001一GT一02692DURALIM，KERREBROEKJLSTATORPERFORMANCEANDUNSTEADYLOADINGINTRANSONICCOMPRESSORSTAGESJASMEJOURNALOFTURBOMAEHINERY199