600MW临界火电机组轴系动特性数值分析_硕士学位论文.pdf

国内图书分类号：t l 3 7 5 5 国际图书分类号：6 2 1 工学硕士学位论文 学校代码：1 0 0 5 4 密级：公开 6 0 0 m w 超临界火电机组轴系动特性数值分析 硕士研究生：张娜娜 导师：柳亦兵教授 申请学位：工学硕士 学科：机械工程 专业：机械电子工程 所在学院：能源动力与机械工程学院 答辩日期：2 0 1 2 年3 月 授予学位单位：华北电力大学 c 1 a s s i f l e di n d e x ：t l 3 7 5 5 u d c ：6 2 1 t h e s i sf o rt h em a s t e rd e g r e e n e w m e r i c a l a n a l y s i so fd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so f 6 0 0 m w s u p e r c t r i t i c a ls t e a m t u r b i n es h a f t c a n d i d a t e ： s u p e r v i s o r ： a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ： s p e c i a l t y ： s c h o o l ： d a t eo f d e f e n c e ： d e g r e e c o n f e r r i n g i n s t i t u t i o n ： z h a n 2n a n a p r o fl i uy i b i n g m a s t e ro fe n g i n e e r i n g m e c h a n i c a la n de l e c t r o n i ce n g i n e e “n g s c h 0 0 1o fe n e 唱y p o w e ra n dm e c h a n i c a l e n g m e e n n g m a r c h 2 0 1 2 n o n hc h i n ae 1 e c t r i cp o w e ru n i v e r s i t v 华北电力大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文6 0 0 m w 超临界火电机组轴系动特 性数值分析，是本人在导师指导下，在华北电力大学攻读硕士学位期问独立进行 研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或 撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：恐娜挪日期：2 0 1 1 年3 月好同 华北电力大学硕士学位论文使用授权书 6 0 0 m w 超临界火电机组轴系动特性数值分析系本人在华北电力大学攻读硕 士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归华北电力大学 所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解华北电力大学 关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和 电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权华北电力大学，可以采用影印、缩印 或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于( 请在以上相应方框内打“”) ： 保密影在 年解密后适用本授权书 不保密 作者签名：氆嘲 导师签名：刁乙 日期： p d 年3 月硌日 日期：b f 乙年弓月必日 _ # 北 【i 力人学帧l j 学位论文 摘要 超临界技术是当今世界上快速发展的一种火力发电技术，而且随着能源节 约口号的提出，它也将成为未来火电技术的发展趋势。但是，超临界机组工作 参数高，工况也相对复杂，因此只有清楚它的动力学特性，才能更好的保证其 安全稳定的运行。 本文以某国产6 0 0 m w 超临界汽轮机组为研究对象，主要分析其轴系的临界 转速和振型，并进行不平衡响应以及碰摩故障的数值仿真。首先，简化并建立 汽轮机轴系的动力学模型，采用集总参数法对各个转子进行简化，将其离散为 若干个集中质量点和若干个无质量的等截面弹性轴段。对于支撑用滑动轴承， 用4 个刚度系数和4 个阻尼系数来表征油膜的动力学特性。其次，用p r o h l 和 r i c c a t i 传递矩阵法分别计算了高中压单跨转子和多跨转子的临界转速和振型。 为了讨论支撑形式对转子固有特性的影响，本文计算了各向同性和各向异性两 种支撑条件下转子的临界转速和振型，并讨论了轴承的刚度、阻尼系数以及转 子工作温度对高中压转子临界转速的影响，得出相关结论。再次，通过数值仿 真的方法计算转子的不平衡响应。假定转子系统存在一定的不平衡量，用r i c c a t i 传递矩阵法计算转子在不同条件下的响应。包括不平衡质量在不同位置时转子 的响应，以及转子某处存在不平衡质量时，系统在不同转速下的响应等。最后， 用n e w m a r k 数值分析的方法计算高中压转子的碰摩响应。通过给转子施加不同 形式的碰摩冲击力，计算出各种情况下转子的碰摩响应，并进行讨论分析。希 望给超临界机组的状态监测和故障诊断提供一定的帮助。 关键词：超临界汽轮机组；传递矩阵法；临界转速和振型；不平衡响应；碰摩 a b s t r a c t 3 u p e r c n t i c a lt e c h n l q u ei sad e v e i o p i n gt h e n n a lp o w e rt e c h n i q u ei n t h ew o r l d b e c a u s eo t1 t sl o w e rf o s s i lm a t e r i a l c o n s u m i n g a n dw i l lb et h et r e n do f 如t u r e d e v e i o p m e n t b u tt h es u p e r c r i t i c a iu n i t sh a v ec o m p l e x ds t m c t u r ea n d h i 曲e rw o r k i n g p a r a m e t e r s s o1 t sc o n d i t i o n sa r er e l a t i v e l yc o m p l e x e d i no r d e rt oe n s u r ei t ss e c u r e a n ds t e a d yo p e r a t i o n ，w es h o u l dk n o wi t sd y n a m i c sc l e a r l y 1h i sp a p e rt a k e sa n6 0 0 m w s u p e r c r i t i c a ls t e a mt u r b i n eu n i ta sa no b je c t ，m a i n l v a n a l y z e s1 t sc r l t l c a ls p e e d s ，v i b r a t i o nm o d e s ，a n dm a k e sn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fi t s u n b a l a n c ea n d r u b b i n gv i b r a t i o n f i r s to fa 1 1 ，ad y n a m i cm o d e lf o r t h er o t o rs v s t e mi s e s t a b l i s h e dw i t h1 u m p e dp a r a m e t e rm e t h o d i ti st od e s c r e t et h e s h a f t i n 2t oa m u l t 卜d e g r e eo ff r e e d o ms y s t e mw i t hs e v e r a li u m p e dm a s s e sa n dm a s s 1 e s se l a s t i c s n a t t sw l t hu n l 士o mc r o s s 。s e c t i o n t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fo i lf i l m o ft h e s u p p o r t e db e a r l n g1 sa l w a y ss i m p l i 矗e dw i t hf b u rs t i f m e s sc o e f e i c i e n t sa n df o u r d a m p l n gc o e f h c i e n t s s e c o n d l y ，t h ec “t i c a ls p p e d sa n dv i b r a t i o nm o d e so ft h es t e a m t u r b l na r ec a l c u l a t e db a s e do nt h ep r o h la n dr i c c a t it r a n s f e rm a t “xm e t h o d i no r d e r t od l s c u s st h el n n u e n c eo fs u p p o r t i n g f 0 n nt ot h en a t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so fr o t o r s y s t e m ，t h ec n n c a ls p e e d so ft h es y s t e mu n d e r i s o t r o p i ca n da n i s o t r o p i cs u p p o r t e da r e c a i c u a t e d1 nt h l sp a p e r a i s o ，t h ee f k c to fb e a r i n gs t i f m e s sa n dd a m i n ga n dt h e w o r k l n gt e m p e r a t u r eo nr o t o r sc “t i c a l s p e e d sa r ed i s c u s s e dh e r e t h i r l v ，t h e u n b a l a n c er e s p o n s eo 士t h er o t o rs y s t e mi sc a l c u l a t e db ya n u m e r i c a la n a l v s i sm e t h o d o fr 1 c c a t lt r a n s f e rm a t r i xm e t h o d i ti s t oa s s u m ea nu n b a l a n c ev a l u ea tt h er o t o r s y e t e ma n dc a l c u l a t e1 t sr e s p o n s eu n d e rd i f 佗r e n t c o d i t i o n s ，i n c l u d i n gr e s p o n s ef o r r o t o ra tt h ed i f f e r e n tu n b a l a n c e p l a c e su n d e rw o r k i n gr o t a t i n gs p e e d ，a n dr e s p o n s ef o r r o t o ra td l t t e r e n tr o t a t i n gs p e e d sw h i l et h eu n b a l a n c ev a l u ei s a ta nn x e dp l a c e a t l a s t ，t h er u b b i n gr e s p o n s eo fh i g ha n di n t e m e d i a t ep r e s s u r er o t o ri s c a l c u l a t e db v n e w m a r k m e t h o d r e s p o n s eu n d e rd i f f e r e n gm b b i n gf o r c ei sd i s c u s s e d t h ea i mo f t h e s ew o r k1 st o p r o v i d es o m eh e l pf o rc o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i so f t h es u p e r c r i t i c a lu n i t s k e y w o r d s ：s u p e r c “t i c a is t e a mt u r b i n s p e e e d sa n d b r a t i o nm o d e s ：u n b a l a n c e u n i t ；t r a n s f e rm a t r i xm e t h o d ：c r i t i c a l r e s p o n s e ；r u b b i n g i i 1 仁北f l l 力人学倾l j 学位论文 口三王 目水 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 研究意义1 1 2 研究动态一2 1 2 1 转子系统建模方法2 1 2 2 不平衡响应计算方法3 1 2 3 碰摩故障数值仿真方法4 1 3 本文研究内容4 第2 章汽轮发电机组轴系结构及建模一6 2 1 机组介绍一6 2 1 1 机组型号和参数6 2 1 2 机组结构及支撑系统6 2 1 3 机组保护参数7 2 2 轴系建模一8 2 2 1 转子本体建模8 2 2 2 支撑轴承的简化1 1 2 3 建模结果1 2 2 3 1 单跨转子模型1 2 2 3 2 多跨转子模型1 4 2 4 小结1 6 第3 章传递矩阵法计算转子临界转速1 7 3 1 传递矩阵及其构成形式1 7 3 1 1 传递矩阵的定义1 7 3 1 2 各向同性支撑构件的传递矩阵1 8 3 1 3 各向异性支撑构件的传递矩阵1 9 3 2 临界转速计算方法2 1 3 2 1p r o h l 法2 1 3 2 2r i c c a t i 法2 3 3 3 单跨转子计算结果一各向同性支撑2 7 3 3 1p r o h l 法计算结果2 7 t 1 乎北l u 力大学硕! ：学位论文 3 3 2r i c c a t i 法计算结果2 8 3 3 3 临界转速的影响因素2 9 3 4 单跨转子计算结果一各向异性支撑31 3 5 多跨转子计算结果3 2 3 5 1p r o h l 法计算结果3 2 3 5 2r i c c a t i 法计算结果3 3 3 6 小结3 6 第4 章转子系统不平衡响应3 7 4 1 计算不平衡响应的r i c c a t i 传递矩阵法3 7 4 1 1 各向同性支撑转子计算方法3 7 4 1 2 各向异性支撑转子计算方法3 8 4 2 高中压转子的不平衡响应4 0 4 2 1 各向同性支撑转子不平衡响应4 0 4 2 2 各向异性支撑转子不平衡响应4 3 4 3 多跨转子的不平衡响应4 4 4 4 小结4 5 第5 章转子系统碰摩故障仿真4 6 5 1 转子碰摩理论分析4 6 5 1 1 碰摩故障分类及特征4 6 5 1 2 碰摩力模型4 7 5 2 碰摩振动方程及求解方法4 8 5 2 1 振动系统微分方程4 8 5 2 2 振动方程求解方法5 0 5 3 碰摩故障仿真5 2 5 3 1 系统在不同碰摩形式下的响应5 2 5 3 2 系统在不同碰摩力下的响应5 5 5 3 3 不同节点对同一碰摩力的响应5 6 5 4 小结5 8 第6 章结论和展望5 9 6 1 结论5 9 6 2 展望6 0 参考文献6 1 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果一6 4 致谢6 5 i v 华北i 也力人学顺 学位论文 1 1 研究意义 第1 章绪论 现代高度电气化是经济发展、社会进步的前提，电力工业是现代化国家的基 本产业之一，电能的产量是衡量国家经济发展水平的一个重要指标。在现代电力 工业中，火电占有最大的比重，其次是水电、核电、风电等。而在火力发电厂和 核电站中，绝大多数是用汽轮机带动发电机来发电的，汽轮发电机组为人类提供 了8 0 左右的电能，所以汽轮机成为现代化国家重要的动力机械设备。 随着经济持续快速的发展，新建发电机组向着大容量、高参数方向发展。超 临界技术是当今世界上一种快速发展中的火电技术，超临界机组的效率比亚临界 机组要高很多，具有节能、环保两重效益，因此，超临界、超超临界机组是未来 汽轮机组发展的方向和趋势。近年来，6 0 0 m v 机组已经成为火电厂的主力机组， 随着机组容量的增加，相应地转子变大变长，导致转子的刚度降低，给转子的稳 定性带来一定的影响。特别是超临界汽轮机组多采用三缸四排汽结构，与其他机 组相比，其工况更加复杂 2 】，再加上温度和压力参数的升高，会导致热变形增大 等问题，因此使振动问题更加突出，给机组的安全稳定运行带来隐患。 转子系统作为汽轮机组的核心部件，其振动问题是不可避免的。转子系统的 故障主要包括不平衡、不对中、碰摩、裂纹、气流激振等。这些故障都会影响转 子的正常工作，有时甚至会发生严重事故，造成人员伤亡和重大的经济损失 3 1 。 日本的海南电厂就发生过一起严重事故，当时一台6 0 0 m w 机组在进行试运行， 由于振动异常，导致长达5 1 m 的主轴断裂飞出，整台机组严重损坏 4 。在很多 国家都出现过类似事故，造成严重的后果和巨大的经济损失。 转子不平衡是引起汽轮发电机组振动的一个主要原因。引起转子不平衡的原 因一般是转子存在初始质量不平衡、转子热不平衡、热弯曲、旋转部件脱落以及 转子部件结垢等。上述原因均会给系统带来一个附加的不平衡激励力，导致转子 的振幅增加。若转子热变形较大，或者部件脱落等严重情况，将导致转子的振幅 过大，超过f 常工作允许的的范围，导致机组停机，甚至造成事故。对于这种由 不平衡激励力引起的转子不平衡振动，必须给以定量的分析，使其控制在合理的 范围内，才能保证转子系统安全稳定的运行。 近年来，汽轮发电机组参数不断升高，动静问隙不断减小，在其运行过程中， 由于装配不良、热弯曲、转子不平衡量过大或者零部件缺陷等原因，会导致机组 动静部件之间发生碰摩。碰摩故障产生的冲击力，可能会使转子接触处发生变形 1 产北咀刀入字坝。l 二学位论义 或损坏，例如轴端的密封齿发生变形等。而且，在转子转速较高的情况下，较大 的冲击力会使机组发生强烈的振动，进而导致更严重的后果，如叶片断裂、转子 永久性弯曲等，甚至导致机组非f 常停机。另外，摩擦产生的热量，也可能使转 子产生热态弯曲，带来新的不平衡振动。本文研究的对象为6 0 0 m w 超临界汽轮 机组，其温度、压力等参数较高，叶片发生变形的可能性也就随之增高，甚至当 蒸汽参数不稳定时，也会导致转子系统发生碰摩故障，造成转子系统失稳。另外， 若转子系统出现碰摩故障，其振动将变得更为复杂，如不同的碰摩故障导致转子 轴心轨迹出现不同的形式等，因此研究转子系统的碰摩振动也很有意义 5 1 。 综上所述，为了保证超临界汽轮机组安全、稳定的运行，并为机组的状态监 测和故障诊断提供一定的依据，本文分析转子在不平衡、碰摩状态下的响应是非 常有必要的。 1 2 研究动态 转子动力学主要研究转子系统在工作状态下的振动、平衡以及稳定性问题， 而且人们较为关注的是转速接近或者超过临界转速时系统的横向振动问题。对于 这一问题的研究，最早可以追溯到1 8 6 9 年英国的w j m 兰金撰写的关于离心力 的论文【6 j 和1 8 8 9 年法国的c g p d e 拉瓦尔关于挠性轴的试验 7 】。 在传统的转予动力学分析中，人们主要对弯曲振动的转子系统进行临界转 速、不平衡响应和稳定性的计算分析，有时，还计算各种激励下的瞬态响应，如 动静件碰摩、气流激振等。随着研究方法和研究工作的深入，人们在实践的过程 中发现轴承、轴承座、密封等因素对转子的动力学特性也有很大影响，因此，为 了更真实的反映转子系统的振动特性，人们把轴承、轴承座、密封等也纳入到转 子系统中来。 从力学角度上看，如果除去轴承、密封等部件的动力学特性计算，转子动力 学的计算分析其实就是求解系统的特征值和响应的问题。但是转子系统具有特殊 性，具体可以归纳为：1 ) 转子系统具有回转效应；2 ) 转子系统中轴承的油膜力 不是保守力，而往往是转速缈的函数，有时还要考虑油膜力的非线性；3 ) 转子 系统的阻尼主要是轴承的油膜带来的，它是一种和转速等因素有关的集中阻尼， 这也不同于一般的机械系统中通常假设的比例阻尼。因此转子动力学的计算是一 项更为复杂的工作。 1 2 1 转子系统建模方法 若要准确分析转子系统的动力学特性，首先应该建立合理的动力学模型。目 华北电力大学坝士学位论文 前广泛采用的模型为有限元模型和集中质量模型。有限元方法可以直观的建立复 杂结构的模型，而且，有限元法建模可以考虑转动惯量、剪切变形、陀螺力矩、 内外阻尼以及轴承等因素，还可以考虑流固体耦合及多场作用等，因此它具有足 够的建模精度，并能分析较宽频率范围内的动特性和动响应，但是，有限元模型 参数比较多，建模比较困难心j 。通常在转子动力学的理论和工程分析中，大多数 采用集中质量模型进行动力学特性的解析和数值分析。 国内大多采用集总参数法建立转子的集中质量模型，并用传递矩阵法编程进 行转子动力学分析，计算转子系统的固有频率、稳态和瞬态响应。集中质量模型 做了很多简化，更偏重于定性分析，但是，传递矩阵法具有很多优点，比如矩阵 的阶数不会随着自由度数的增大而增加，因而编程简单、占用内存少，运算速度 快，特别适用于像转子这样的链式系统。文献 9 即采用集总参数法分别建立简 支外伸梁和双跨两支梁的力学模型，并用传递矩阵法计算出它们的固有频率。文 献【1 0 以弹性支承一柔性转子系统为对象，同样也是用传递矩阵法计算了系统的 稳态响应，并结合n e w m a r k 数值分析法计算转子在故障状态下的瞬态响应。 1 2 2 不平衡晌应计算方法 转子一般不能在非正常振动下运行，因此，若在设计阶段就计算出转子系统 的不平衡响应和临界转速，将能够保证转子系统安全、稳定的运行。转子动力学 计算过程中，往往还涉及到支撑轴承的有效刚度和阻尼系数等细节问题，为此， 人们研究了很多种系统，包括只有一个集中转子质量【l l ，1 2 的简单系统和基于计算 机的多自由度系统，后者利用到集中质量或者分布质量建模技术。 对多自由度转子系统进行不平衡响应分析，最常用的技术是传递矩阵法，这 种方法的好处在于它计算时采用固定大小的矩阵，而不用考虑自由度的维数。这 就意味着，即使是处理具有数百个自由度的复杂系统，计算的复杂程度也不会增 加。文献 1 3 以某汽轮机涡轮机轴系为例，建立了其集总质量模型，选择具有良 好数值稳定性的r i c c a t i 传递矩阵法，对轴系进行不平衡响应分析，得到在工作 转速和不同转速下，不同偏心质量处于轴系不同位置时，轴系的不平衡响应；文 献 1 4 1 6 也给出了这种技术的应用实例。 近来，随着计算机技术的发展，多自由度系统的计算有了更多可供选择的方 法。莫顿介绍了一种机械阻抗技术【1 7j ，在轴和轴承的特性能够独立判断时，这 种方法非常实用，而且可以利用相关实验数据来预测使用不同的轴承对转子系统 动力学特性的影响。另一种方法是使用r i e g e r 等所提出的动态刚度矩阵法 1 8 ， 这种方法要求事先建立系统的矢量矩阵，一旦建立了矩阵，就可以用来确定系统 的稳定性、临界转速和不平衡响应。除此之外，有限元方法在转子动力学计算分 # 北i 【i 力人学硕i j 学位论文 析中也被普遍使用1 9 20 1 ，许多基于有限元的商业软件包都可以用于转子动力学分 析。有限元方法的优点是可以建立待分析结构的精确模型。 1 2 3 碰摩故障数值仿真方法 动静部件碰摩是汽轮机转子系统常见故障之一，尤其对于超临界汽轮机组， 其温度和压力参数高，热变形等问题更为突出，因此也更加容易发生碰摩故障。 当转子出现碰摩故障时，其刚度、阻尼以及支撑力都会发生变化，且呈现非线性。 引起转子系统碰摩的原因有很多，如热变形、不对中、转轴弯曲等。 转子的碰摩是一个非常复杂的非线性问题。目前，对转子碰摩故障进行数值 仿真时，一般用以下两种方式来描述碰摩运动 2 1 ：一种认为碰摩过程是瞬时完 成的，不考虑碰撞冲击的细节，而是利用恢复系数去反映碰撞前后的转速变化和 能量损耗，这种描述可以表示成一个带有单侧刚性约束的动力学方程：另一种方 法是认为碰摩有一定的时间过程，在这个过程中，碰摩导致结构出现弹性变形和 能量损耗，碰摩力的变化是连续但非光滑的，这种方法可以用一个分段光滑的动 力学方程来描述。 文献 2 2 建立了单盘转子的非线性碰摩振动模型，研究了转速、转子质量偏 心、阻尼系数以及转子定子的刚度比对转子碰摩振动的影响；文献 2 3 构造了具 有碰摩故障的转子- 车由承系统动力学模型，讨论了运动过程中的非线性行为，并 进行相关数值仿真；文献 2 4 讲述了转子碰摩故障会引起转子同时发生弯曲和扭 转，并建立其弯扭耦合振动的动力学模型，分析了碰摩故障对弯扭耦合振动的影 响；文献 2 5 和 2 6 建立了碰摩转子的运动方程，并考虑油膜力的作用，研究了 在油膜力的作用下，转子碰摩振动的特点，并讨论轴承参数对转子响应的影响和 碰摩刚度对碰摩力的影响；文献 2 7 用试验的方法研究转子缸体系统的碰摩故 障，并进行单点碰摩、双点碰摩、偏摩故障的模拟，分析其故障特征，得到各种 故障状态下转子的时域、频域、轴心轨迹及相位等特征。 1 3 本文研究内容 本文以6 0 0 m w 超临界汽轮机组转子系统为研究对象，主要分析其动力学特 性。在掌握相关理论知识的基础上，对转子系统进行简化、建模，结合m a t l a b 软件编制相应程序，计算转子的固有频率和振型，并对其不平衡以及碰摩故障进 行数值仿真。具体研究内容如下： 1 ) 传递矩阵法计算转子系统的临界转速和振型，并讨论影响转子系统固有 频率的因素。 4 华北f u 力大学硕i j 学位论文 2 ) 传递矩阵法计算转子系统的不平衡响应，包括不同支撑条件和不同不平 衡状态下系统的不平衡响应。 3 ) 对高中压单跨转子进行碰摩故障仿真，计算不同碰摩形式以及不同大小 碰摩力作用下，转子的响应情况。 本文章节结构如下： 第一章，介绍本文研究的意义和方法。随着电力工业的发展，并响应能源节 约的号召，汽轮机组逐渐朝着超临界、超超临界方向发展。机组的结构变得更加 复杂，再加上其温度、压力等参数不断提高，由此带来的不稳定振动问题尤为突 出。因此，本文分析6 0 0 m w 超临界汽轮机组的动力学特性，并对其常见故障进 行数值仿真，希望能够为超临界机组的状态监测和故障诊断提供一定参考。 第二章，主要介绍转子的结构以及系统的简化、建模方法，并进行相关计算， 得到转予系统的简化参数。由于工程中的转子是质量连续分布的系统，为了对其 进行数值分析，首先要对转子系统进行离散化。本文采用集总参数法对转轴进行 简化，把转轴离散为由若干个集中质量点和无质量弹性轴段构成的多自由度弹性 系统。对于起支撑作用的滑动轴承，本文采用4 个刚度和4 个阻尼系数来表示轴 承油膜的动力学特性。 第三章，计算转子系统固有频率和振型，并讨论其影响因素。本文采用p r h o l 传递矩阵法和r i c c a t i 传递矩阵法分别计算了高中压转子和整个轴系的固有频率 和振型，并进行对比分析；另外，分别计算各向同性和各向异性支撑时，转子系 统的固有频率和振型，得到轴承的简化方式对系统固有频率的影响；最后讨论了 轴承的刚度和阻尼系数、以及蒸汽的温度对转子系统固有频率的影响。 第四章，对转子的不平衡响应进行数值分析。结合转子的实际工况以及转子 不平衡的主要形式，在转子可能发生不平衡的位置添加不平衡质量，对转子系统 进行不平衡响应分析。讨论了不平衡质量在不同位置、不同转速下转子系统的不 平衡响应，并通过比较单个或成对不平衡质量时转子的响应振幅，探讨减小不平 衡振动的方法。 第五章，对高中压单跨转子进行碰摩故障仿真。结合n e w m a r k 数值分析法 讨论了不同碰摩力形式下转子的响应情况；并通过改变碰摩力的大小，得到碰摩 力对转子振幅大小的影响；最后，比较不同节点的振幅，得到不同节点对同一碰 摩力的响应情况。 第六章，对以上论文工作进行总结，得到相关结论，指出论文的难点和不足 之处，并对未来的研究工作进行展望。 + 乎北i l i 力人学硕i j 学位论义 第2 章汽轮发电机组轴系结构及建模 2 1 机组介绍 2 1 1 机组型号和参数 本文研究对象为某国产6 0 0 m w 超临界汽轮机组，由哈尔滨汽轮机厂与三菱 公司合作改进设计，型号为c l n 6 0 0 一2 4 2 5 6 6 5 6 6 。功率为6 0 0 m w ，主蒸汽压力 为2 4 2 m p a ，主蒸汽和再热蒸汽的温度均为5 6 6 ，机组的工作转速为3 0 0 0 r m i n 。 该机组的汽轮机为一次中间再热、三缸四排汽结构，而且是单轴、双背压、 凝汽式、八级回热抽汽汽轮机；发电机为三相两极同步汽轮发电机，采用机端变 静止的励磁方式，发电机定子绕组采用水冷方式，转子及铁芯采用氢冷方式【2 引。 2 1 2 机组结构及支撑系统 机组的简单结构如图2 1 所示，由一个高中压转子，两个低压转子，一个发 电机和一个励磁机组成，而且在两个低压转子中间还有一段中问连接轴。其中高 中压转子和低压转子均由无中心孔合金钢整体锻造而成，加长轴带有中心孔。高 中压转子和1 号低压转子中间的联轴器为法兰联轴器。两个低压转子通过中间轴 刚性连接，2 号低压转子和发电机之间也通过联轴器连接。 23 4567 v 。渺 睡 7 u m u ： 黼 低压i l j 崮、m 划 斧衍 低压i 掌牌 发电机 图2 1 超临界汽轮机组结构 该机组的轴承系统包括8 个支撑轴承和一个定位用推力轴承，其中汽轮机转 子系统由6 个轴承支撑，它们均为四瓦块可倾瓦滑动轴承；而发电机转子的支撑 方式为端盖式支撑，轴承的下边两个瓦块可以倾斜，这样保证轴承能够自动调整 中心，具有很好的稳定性和抗油膜扰动能力；励磁机右端的轴承为椭圆轴承。汽 轮机系统的定位主要靠高中压转子前端的推力盘来完成，此推力盘包围在推力轴 承中，当汽轮机的静子发生膨胀或收缩时，包围推力轴承的轴承箱会跟着发生一 定的轴向运动，因此轴系的定位点也随之移动，那么机组的动子和静子之间不会 存在完全的死点。 6 华北u 力人学顺【j 学位论文 2 1 4 机组保护参数 汽轮机在升速过程中应该快速通过临界转速，以避免发生共振，带来不良后 果，因此，机组设定了几个特定的临界转速范围，而且机组不应该在这些转速范 围内长时问定速运行。 该机组设定的低于工作转速的四个临界转速范围分别为7 0 0 9 0 0 r m i n 、 1 3 0 0 1 7 0 0 r m i n 、2 1 0 0 2 3 0 0 r m i n 和2 6 5 0 2 8 0 0 r m i n ，其中发电机转子的前三阶 临界转速为分别为7 3 3 r m i n 、2 0 7 0 r m i n 和3 8 6 5 r m i n ，对于发电机转子，本文不 进行分析讨论。 为了保证机组安全连续的运行，润滑和冷却工作非常重要。机组工作过程中， 润滑油的工作压力应保持在0 1 0 1 8 m p a ；支撑轴承的工作温度应保证在6 6 1 0 7 摄氏度之间，推力轴承的温度范围和推力的大小有关，一般应保证在从略高于进 油温度到9 9 摄氏度之问。机组其它保护参数的限定值列于表2 1 中【n 引。 表2 1 汽轮机组保护参数限定值 参数应川限定值 偏心记录仪指示( o 一6 0 0 r p m ) ( 双振幅值1 1 0 0 m m ) 低于5 偏心 便携式记录仪指示( 0 6 0 0 叩m ) 低丁二2 5 报警( 0 6 0 0 r p m ) 低于7 5 运行良好低于7 5 m 带 可以继续运行( 适当时候做动平衡) 7 5 1 2 5 m 负 可以短期运行高于1 2 5 m 荷 振动 停机 2 5 0 m 额定转速报警：1 2 5 m ；停机2 5 0 m 启 超速报警：1 2 5 m ；停机2 5 0 m 机 其它( 包括临界转速) 报警：1 2 5 m ；停机2 5 0 m 报警：+ 1 0 3 m m ；一4 0 m m 高中压缸涨差：( + 转子伸长；一转子缩短) 停机：+ 1 1 1 m m ；4 7 m m 涨差 报警：+ 2 2 7 1 m m ：0 7 6 m m 低压缸涨差：( + 转子伸长；一转子缩短) 停机：+ 2 3 5 m m ；1 5 2 m m 支撑轴承金属报警：1 0 7 ；停机：1 1 3 轴承温度 推力轴承金属报警：9 9 ；停机：1 0 7 7 芦北电力人学硕f j 学位论文 2 2 轴系建模 2 2 1 转子本体建模 实际中的汽轮机转子是一个连续弹性体，具有无穷多个自由度，分析其动力 学特性之前要对其进行简化并建模。通常利用集总参数法把系统离散成一个多自 由度系统，这个系统由若干个集中质量点和无质量的等截面弹性轴段组成。具体 建模过程和参数计算分别如下。 1 、建模过程 利用集总参数法建立转子系统模型的过程，就是对轴系进行简化的过程。例 如，一个实际的旋转机械转子如图2 2 ( a ) 所示，它的转轴上有叶片或叶轮，建模 时，首先要把转轴简化成一根变截面的阶梯轴( 如图2 2 ( b ) 所示) ，该过程要保 证转子的总质量、质心以及抗弯刚度等参数不变。简化后转子一共有挖个等截面 轴段和以+ 1 个节点。 b ) ( 1 )乜) 0 ) 昭 u ( 1 )( 2 )( 3 ) h ) d 1 _ 卜t 1 卜一 123 r l 图2 2 转子模型简化过程 简化后的轴段可以用三个特征量来表示：长度，、等效质量直径厶( 用来计 算轴段质量) 和等效刚度直径( 计算轴段的抗弯刚度彤) d 。如果轴上存在套 8 华北f u 力大学坝i j 学位论文 筒等元件，轴段的质量会相应地增加。例如，轴的外径为d ，套筒等的附加质量 为m ，则对应的等效直径变成： d 。= d 2 + 4 ，竹( 7 z p ，) ( 2 1 ) 而且，如果某段转轴上装有叶轮、叶片，不但要增加该段轴的质量，还会使 其抗弯刚度发生改变，此时该轴段的等效刚度直径应按照式( 2 2 ) 计算： 。d + 3 b 4 ，考虑叶轮的影响 如2 jd ， 不考虑叶轮的影响 ( 2 - 2 ) d ， 不考虑叶轮的影响 r 叫 式中b 为叶轮、叶片的宽度。 进一步简化时，假设将等截面轴段的质量集中在选定的节点上，如图2 2 ( c ) 所示，节点往往选取在轴承的中心、叶轮的中央以及轴径突变处，另外两端面处 也有两个节点。集总后的圆盘可以看做是一个只计质量不计大小的理想圆盘，因 此又可以表示成图2 2 ( d ) 所示的模型。质量集总的原则是保证集总前后两节点间 轴段的质心和转动惯量不变例。至此，就得到了转子系统的集总参数模型。 2 、参数计算方法 转子离散化时，若两节点问的轴段为图2 3 所示的等截面轴时，其质量和转 动惯量按照式( 2 3 ) 计算。 m ，= 州+ 去( m h + 圭( m j 厶= 以，+ 圭( 鹏- l + 吉( 以 ( 2 - 3 ) 厶= + 吉( 肭h + 圭( 加， 式中鸩、厶，和厶，分别表示简化到节点f 处的质量、极转动惯量和直径转动惯量； 鸠扪、以，和厶，4 为节点f 处叶片、叶轮的附加质量、极转动惯量和直径转动 惯量；、l 和厶分别表示单位长度轴段的质量、极转动惯量和直径转动惯量， ，表示轴段的长度30 1 。 u i 。j p i jd i 。 图2 3 等直径轴段简化 9 f + ， 一等 1 产：h 刀人字坝【! 字位论义 通常情况下，两节点问的轴段是由多个直径不同的轴段组成，如图2 4 ( a ) 所 示。假设各轴段的长度为厶，轴段单位长度的质量、极转动惯量、直径转动惯量 分别为段、u 舻五。( 尼= 1 ，2 ，s ) ，各轴段加在一起的总长度为厶，各轴段的质心 到左端截面的距离为口。( 死= l ，2 ，s ) 。可以将这种阶梯轴简化为图2 4 ( b ) 所示的模 型，按照质心和转动惯量不变的原则，集总后的质量及转动惯量计算公式如下： 幌r ：主丝竽c ：窆丝竽：窆( ，) 一能r ，r2 喜希肚以，2 套；隅肚i 。2 4 、 2 荟再釜订w + 壶3 叫姒厶卅) t ，= 喜隅 厶，+ 击户一肠( 厶一口) 。 因此对于节点f ，则有集总质量和转动一8 j 量分别为： m f = m f + 镌+ 聊【 l ，p i = ，p f 4 + p f + ，刍一l ( 2 5 ) j ，| j = jd ，i + jd + j ：t 。 娩。 z 铤：l i 印。 右i 3 p 2 3 露 疗，l 1 一m 叫 酝 上， a ) 2 如 ； 1 p ： j 疽： _ 一i 甜、3 r ：3 翼 i 。 蹲 斑 图2 4 变直径轴段简化 1 0 ，尹2 三，z 歹 i 矗。盔 在实际转子中，轴段的转动惯量相对于叶片的转动惯量很小，往往可以忽略 不计，当轴段发生弯曲变形时，其等效的抗弯刚度可以按照纯弯曲时两端截面的 相对不变来求得，即： ( 去臃( 爿 陋6 ， 式中( 日