安全生产_大型汽轮发电机组轴系扭振安全性分析论文

国内图书分类号：T K 2 6 3 国际图书分类号：6 2 1 1 学校代码：1 0 0 7 9 密级：公开 硕士学位论文 大型汽轮发电机组轴系扭振安全性分析 硕士研究生： 导 师： 申请学位： 学科： 专 业： 所在学院： 答辩日期： 授予学位单位： 庞乐 顾煜炯教授 工学硕士 动力工程及工程热物理 热能工程 能源动力与机械工程学院 2 0 11 年3 月 华北电力大学 C l a s s i f i e dI n d e x ：T l Q 6 3 U D C ：6 2 1 1 T h e s i sf o r t h eM a s t e rD e g r e e S a f e t yA n a l y s i s o nT o r s i o n a lV i b r a t i o no fL a r g eS t e a m T u r b o - - g e n e r a t o rS h a f t s C a n d i d a t e ： S u p e r v i s o r ： S c h o o l ： D a t eo fD e f e n c e ： P a n gL e P r o f G uY u j i o n g S c h o o lo fE n e r g yP o w e ra n dM e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g M a r c h ，2 0 1 1 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 ： N o r t h C h i n aE l e c t r i cP o w e rU n i v e r s i t y 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大型汽轮发电机组轴系扭振安全性分 析，是本人在导师指导下，在华北电力大学攻读硕士学位期间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：虎再、 日期：2 0 1 1 年3 月I 伊 华北电力大学硕士学位论文使用授权书 大型汽轮发电机组轴系扭振安全性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“ ) ： 保密口，在年解密后适用本授权书 不保密口 作者签名：鹿再 翮躲M 导师签名：危榴例q ， 日期：f f 年了月y 日 日期：凇I 年岁月，日 f 芦北哇三力人学硕I j 学位论文 摘要 当前，电力工业朝着机组容量大型化以及电网复杂化方向发展，轴系扭振 问题变得日趋突出，直接威胁到机组及电网的安全运行。本文深入分析了国内 外汽轮发电机组轴系扭振安全性评估的研究现状及现有理论存在的问题，并进 行了深入的研究，提出了相应的解决方案。探讨了轴系计算模型的建立方法， 同时采用改进的R i c c a t i 传递矩阵法计算了其固有特性，并用限元法验证了该方 法的优越性。用振型叠加法分析了轴系响应的计算原理，推算出了两相短路下 轴系机端扭矩的解析算法。深入研究了扭转疲劳S N 曲线的计算方法，并对其 影响因素如平均扭应力、高周疲劳等做了深入的分析，得到了相应的解析修正 公式，并用有限元法验证了修正后其疲劳估算精度有了显著的提高。提出了改 进的雨流法实时计数模型，消除了原有模型在第二阶段容易产生漏点的缺陷。 结合故障响应特性对疲劳累积损伤阈值进行了专门分析，定量研究了不同载荷 谱下疲劳破坏的阈值，为扭振监测的预警提供了理论依据。分析了轴系扭转强 度的校核方法，讨论了强度校核与疲劳损坏的相关性，得到了在疲劳损伤下部 件扭转疲劳极限的变化关系：深入阐述了国内外扭振安全性分析的策略，得到 了各类故障下轴系承受一次冲击的疲劳寿命损耗范围，并提出了危险元件风险 值的确定方法，为扭振安全性分析奠定了基础。最后综合本文提出的安全性评 估流程，结合某电厂低压转子磨损故障及某电厂两相短路故障对轴系的安全性 进行了分析，验证了相应理论的可行性及精确性。本文的研究工作对电厂轴系 扭振实时寿命评估、安全性分析具有积极意义。 关键词：汽轮发电机组；扭转疲劳；有限元法；安全性分析；雨流计数法 华北电力大学硕十学位论文 一 一曼罾鼻皇舞鲁曼皇曼曼鼍曼皇曼曼量曼皇鼍鼍曼曼曼曼曼量皇曼曼曼曼曼曼毫曼量曼量量曼曼曼曼曼舅曼曼鼍量曼曼曼曼曼皇曼量曼鼍曼芭皇曼蔓曼皇曼曼曼一 A B S T R A CT T o d a y , e l e c t r i cp o w e ri n d u s t r yi sd e v e l o p i n gt o w a r d sl n o r el a r g e - s c a l eu n i tc a p a c i t y a n dm o r ec o m p l i c a t eg r i d , l e a d i n gt oi n c r e a s i n g l yp r o m i n e n tp r o b l e m so ft h es h a f t s t o r s i o n a lv i b r a t i o n , w h i c hi sb i gt h r e a tt ot h es e c u r i t yo ft h eu n i t sa n dg r i d T h i sp a p e r g i v e si nd e t a i lt h ec u r r e n tr e s e a r c hp r o g r e s so fs a f e t ya n a l y s i so nt o r s i o n a lv i b r a t i o no f t u r b o - G e n e r e t o rs h a f t sa td o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a l ，d e s e r i b st h ep r o b l e m so fe x i s t i n g t h e o r i e s ，a n d t h e nd o e ss o m ef u r t h e rr e s e a r c ha b o u ti ta n da l s o p u t s f o r w a r d c o r r e s p o n d i n gs o l u t i o n s T h em e t h o do fs h a f t sm o d e l i n gi sd i s c u s e d ，a d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e so fm e t h o d st oc a l c u l a t es h a f ti n h e r e n tc h a r a c t e r i s t i c s i sc o m p a r e da n d a n a l y s e d ，a n dt h es u p e r i o r i t yo fv e r i f i e dr i e c a t i t r a n s f e r - m a t r i xm e t h o d i sv e r i f i e d ，u s i n g t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d T h ec a l c u l a t i o np r i n c i p l e so fs h a f t sr e s p o n s ei sa n a l y z e d , a n d t h ea n a l 如e a la l g o r i t h mo fs h a f t sr e s p o n s eu n d e rt w o - p h a s es h o r tc i r c u i ti sd e d u c e d T h o r o u g h l ya n a l y s i si sg i v e nt or e v e r s ef a t i g u eS - Nc l L r v ea n di t si n f l u e n c ef a c t o r s ，s u c h a st o r s i o n a lm e a ns t r e s sa n dh i 曲c y c l ef a t i g u e T h ec o r r e s p o n d i n ga n a l y t i c a lc o r r e c t i o n f o r m u l ai so b t a i n e da n di t sa c c u r a c yi sv e r i f i e db yf i n i t ee l e m e n tm e t h o d T h i sp a p e ra l s o p r e s e n t sa ni m p r o v e dm o d e lo fr e a l - t i m er a i n - f l o wc o u n t i n g , w h i c he l i m i n a t e st h ed e f e c t s o ft h eo r i g i n a lm o d e lw h i c he a s i l yp r o d u c e sl e a k a g ep o i n ti nt h es e c o n ds t a g e C o m b i n i n gt h em a l f u n c t i o nr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c s , t h et h r e s h o l do ft h ef a t i g u e a c c u m u l a t i n gd a m a g ei sa n a l y z e ds p e c i a l l ya n ds t u d i e dq u a n t i t a t i v e l yu n d e rd i f f e r e n t l o a ds p e c t r u m ，w h i c hp r o v i d e st h e o r yb a s i sf o rt o r s i o n a lv i b r a t i o nm o n i t o r i n ga n d w a r n i n g T h em e t h o do fc h e c k i n gt o r s i o n a li n t e n s i t yo fa x i si sa n a l y z e d , t h ec o r r e l a t i o n o fi n t e n s i t yc h e c k i n ga n df a t i g u ed a m a g ei sd i s c u s s e d ，a n dt h ec h a n g e so ft o r s i o n a l f a t i g u el i m i ti so b t a i n e du n d e rf a t i g u ed a m a g e T h ep a p e rp r o b e st h es a f e t ys t r a t e g y a n a l y s i so ft o r s i o n a lv i b r a t i o na th o m ea n da b r o a d ，g e t sf a t i g u el i f el o s sr a n g eo fs h a f t s w i t h s t a n d i n g 锄i m p a c tu n d e ra l lk i n d so ff a u l t s ，a n dp u tf o r w a r dt h em e t h o do f c o m p u t i n ge l e m e n t Sv a l u ea tr i s l 【，w h i c hl a y af o u n d a t i o nf o rt o r s i o n a lv i b r a t i o ns a f e t y a n a l y s i s T h es a f e t yo fs h a f t si sa n a l y z e db yc o m b i n i n g 、航t l ll o w - p r e s s u r er o t o rw e a l “ f a u l to fo n ep o w e rp l a n ta n dt w o - p h a s es h o r t - c i r c u i tf a u l t so ft h eo t h e rp o w e rp l a n t , w h i c hv e r i f i e st h ef e a s i b i l i t ya n da c c u r a c yo ft h ec o r r e s p o n d i n gt h e o r y T h es t u d yo ft h i s p a p e rw i l lh a v eap o s i t i v es i g n i f i c a n c eo nr e a l t i m el i f ea s s e s s m e n ta n ds a f e t ya n a l y s i so f t o r s i o n a lv i b r a t i o ni np o w e rs h a f t s P a n gL e ( T h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g ) D i r e c t e db yp r o f G uY u ji o n g K e yw o r d s ：s t e a mt u r b i n eu n i t s ；t o r s i o n a lf a t i g u e ；t m i t ee l e m e n tm e t h o d ；s a f e t ya n a l y s i s ；r a i n f l o w c o u n t i n gm e t h o d H f 卑北f l l ，J 人学硕I j 学位论文 | 蔓量量曼曼罡舅皇蔓薯皇量篁皇鼍曼毫皇曼葛量皇曼曼曼皇量曼曼曼曼曼曼量鼍曼曼鼍曼曼曼皇葛曼曼量舅曼皇皇皇皇量量罾皇皇量舅舅量皇皇皇量舅舅鼍舅曼 一 目录 摘 要I A B S T R A C T I I 第l 章绪论l 1 1 课题背景及研究的目的和意义1 1 2 国内外研究现状。2 1 2 1 国外研究现状2 1 2 2 国内研究现状。3 1 3 本文的主要研究内容4 第2 章轴系扭振的响应计算6 2 1 轴系的模化方法6 2 1 1 轴系本体的分段6 2 1 2 轴段扭转刚度及转动惯量的计算7 2 2 轴系扭振固有特性计算方法。l l 2 2 1 改进的R i c c a t i 传递矩阵法l l 2 2 2 有限元法在轴系固有特性计算中的应用。1 5 2 3 轴系响应的计算原理1 7 2 4 典型算例l8 2 4 1 固有特性计算及比较分析一18 2 4 2 两相短路时轴系响应计算2 1 2 5 本章小结2 2 第3 章轴系扭转疲劳寿命损耗计算2 3 3 1 引言2 3 3 2 轴系材料S N 曲线的理论计算方法2 3 3 3 转子材料扭转疲劳寿命损耗的影响因素2 5 3 3 1 平均应力对扭转疲劳寿命损耗的影响。2 5 3 3 2 轴系结构对扭转疲劳寿命损耗的影响3 0 3 3 3 高周疲劳对扭转疲劳寿命损耗的影响一3 4 3 4 轴系危险部位的应力应变历程3 5 3 5 转子应力循环统计方法3 6 3 5 1 雨流法实时计数模型3 6 I U 华北电力人学硕I j 学位论文 3 5 2 改进的雨流法实时计数模型3 7 3 6 疲劳累积损伤理论。3 8 3 6 1 常用疲劳累积损伤理论及其优缺点3 9 3 6 2 疲劳累积损伤理论的实用修正4 0 3 7 本章小结4 l 第4 章轴系扭振安全性评估策略4 2 4 1 弓l 言4 2 4 2 轴系扭转强度的校核4 2 4 3 扭转疲劳损伤下轴系的可靠性分析4 5 4 4 机网扰动下轴系扭振的评估指标4 6 4 4 1 对轮受力及变形的评估4 6 4 4 2 扰动组合及允许寿命损耗。4 6 4 4 3 大扰动下轴系扭振的安全评估标准4 7 4 5 轴系扭振的安全评估与风险预测方法4 8 4 5 1 轴系危险元件的确定4 9 4 5 2 轴系中元件的失效分析4 9 4 5 3 轴系元件风险值的确定5 l 4 5 4 轴系安全评估体系5 3 4 6 本章小结5 4 第5 章轴系扭振安全性评估案例5 5 5 1 某电厂3 号汽轮机低压转子磨损安全性评估5 5 5 1 1 电厂3 号机概况5 5 5 1 2 低压转子磨损情况介绍5 5 5 1 3 轴系扭转强度的校核5 7 5 1 4 疲劳性能分析6 0 5 1 5 轴系的可靠性分析及其磨损部位的处理措施6 2 5 2 某电厂撑3 机组两相短路安全性评估6 3 5 2 1 某电厂# 3 机组基本情况介绍6 3 5 2 2 轴系固有特性及两相短路相应计算6 3 5 2 3 疲劳寿命损耗累积计算6 6 5 2 4 联轴器危险截面风险值的计算及其安全性评估6 9 5 3 本章小结7 l 第6 章结论与展望7 2 6 1 本文完成的主要工作及取得的成果7 2 I V I I I I | 薯_ 量墨鼻暑曼皇皇舅舅篡蔓量皇蔓曼尘型耋尘垒茎耋型耋垒竖錾耋二皇董曼墨皇皇篡曼曼曼皇皇曼曼曼皇一 _ _ _ 量_ 舅蔓舅葛曼曼曼蔓鼍蔓寡蔓鼍皇皇曼置墨曼曼舅量晕曼鼍曼量曼曼置曼曼曼墨量曼墨量置黑曼! ! 曼鼍詈! ! ! 墨墨! 日目5 。 6 2 有待进一步开展的工作7 2 参考文献7 4 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果7 8 致谢7 9 V 华北电力人学硕l ：学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景及研究的目的和意义 电力工业发展总的趋势是依靠各个领域的技术进步，不断提高电力生产的安全 性和经济性。由于机组容量大型化和电网分布的复杂化，使得机组轴系扭振的发生 日趋频繁，机网耦合振荡会使轴系承受较大的循环扭矩，从而导致危险部位的疲劳 寿命损耗，甚至直接破坏，影响到电力生产的安全性，因此应该采取措施合理评价 扭振故障的危害，做到“以防为主，防治结合。在7 0 年代以前，国内外评估汽轮 发电机组轴系承受的最大扭应力一直采用发电机端部三相短路作为准则，但在7 0 年代初，随着美国莫哈维电厂的7 9 0 M W 汽轮发电机组在投入系统时先后发生两次 轴系断裂事故，造成巨大的经济损失，其后各国投入了大量的研究，结果表明电力 系统中很多扰动对轴系影响远比机端三相短路严重，如电力系统次同步谐振导致了 该电厂事故的发生。 在8 0 年代，世界上许多著名的研究制造部门以及国际性组织( 如国际大电网会 议，简称C I G R E ) 都在着手研究制定汽轮发电机组轴系设计的新标准。由于各类扰 动对轴系形成的疲劳损耗是累积的，它不仅与扰动的形式有关，还与扰动发生的频 率有关，涉及的问题很复杂，评估的观点也不尽相同，以致长时间没有形成统一的 标准。直到1 9 9 2 年C I G R E 的专门工作组第十一委员会第一小组( U PC I G R E l1 0 1 ) 才提出了对汽轮发电机组轴系设计的建议意见。 随着我国电力系统的迅速发展，大容量汽轮发电机组越来越多，电网运行情况 也越来越复杂，大机组轴系的扭振安全性已成为一个极为重要的问题。国内曾发生 了多起机组轴系联轴器螺栓断裂事故，如神头电厂原苏制2 0 0 M W 机组高、中压转 子联轴器2 次断裂：朝阳电厂2 0 0 M W 机组高、中压转子联轴器螺栓断裂等。据分 析这些事故都是由轴系扭振引起的【l l 。中电联和原能源部于1 9 8 9 年举行了“大电网 与大机组政策研讨会“ ，此次研讨会强调了大机组轴系安全运行的重要性及制定有 关标准的必要性，但由于当时国内开展轴系扭振的研究工作还不够深入，对轴系设 计的各项具体指标未能做出规定。随后国内各科研、设计、制造部门和高等院校开 展了大量的相关研究工作，验证了国外的研究成果并取得不少新的成果。 国内外由于轴系扭振引发的机组损伤事故频繁发生，直接威胁到机组的安全运 行以及电网的稳定性，造成了巨大的经济损失，因此进行汽轮发电机组轴系扭振的 安全性分析对我国电力事业的发展具有重大意义。 4 产北l 乜J 人7 ：硕l ：学何论文 根据国内外大量研究成果、C I G R E 等国际组织的有关报告以及某些著名制造厂 商的标准，可以认为制定我国关于汽轮发电机组轴系扭振安全性分析标准的条件已 具备。合理统一的设计准则及安全评估体系不仅可以使国产汽轮发电机组轴系的质 量得到有效保证，而且可用以指导订购国外大容量汽轮发电机组时的技术谈判。 1 2 国内外研究现状 结构安全性分析从本世纪四、五十年代以来，已在航空航天、建筑、船舶及海 洋工程等方面得到了广泛的应用。在电力工业领域，对汽轮发电机组轴系扭振的疲 劳可靠性研究的时间并不长，仍有许多问题需要深入探讨。P H W i r s c h i n g 在七十年 代末进行的研究开创了结构可靠性研究的先河 2 1 ，并逐步引起科研界的重视。当前， 对于汽轮发电机组轴系扭转疲劳可靠性的分析，相关文献用静载代替疲劳载荷，应 用相对成熟的静载可靠性分析方法来分析轴系扭振的可靠性，如分枝一约界法、准则 法等；也有相关研究机构侧重于分析扭转疲劳的机理，其研究主要集中于单一部件 的疲劳可靠性分析，如叶片、联轴器等，而对汽轮发电机组轴系进行系统的疲劳可 靠性研究还不多。在国外，六十年代美国的M a n s o n 通过大量的实验研究，提出了 根据材料的力学性能计算扭转疲劳s - N 曲线的方法，在规定的范围内有很好的预测 精度；八十年代初，M a r t i n d a l c a 3 l 以及$ t a h l 4 】将疲劳估算进行分区考虑，发表了更为 精准的扭转疲劳计算方法；八十年代末及九十年代初，K a r s a n l 5 】以及K a r a m c h a n d a n i f 6 】 等报告了一些新的研究进展，这些研究为扭转疲劳的较精准计算奠定基础。在国内， 对轴系的扭转疲劳研究起步较晚，通过引进、消化、吸收，使理论研究水平有了很 大的提升。九十年代后期，华北电力大学、上海交通大学、西北工业大学等高校及 上海成套研究所等研究机构展开了大量的研究工作，研制成功了轴系扭振在线监测 装置，并发表了若干成果【7 】。这对国内大型汽轮发电机组的安全运行具有积极意义。 1 2 1 国外研究现状 在2 0 世纪7 0 年代之前，大型汽轮发电机组轴系扭振安全性评价一直采用发电 机机端三相短路的最大扭应力作为准则，但是自美国M o h a v e 电厂发生轴系在相隔 一年时间发生两起轴系断裂事故后，引起了国际社会的高度关注，对轴系扭振的安 全性分析做了大量的研究与试验，结果表明随着电网的日趋复杂，电力系统中很多 扰动( 如次同步谐振) 对轴系的损坏远比发电机机端三相短路严重【8 I 。 自2 0 世纪7 0 年代以后，国外曾发生过多起汽轮发电机组轴系扭振破坏的重大 事故，造成了极大的经济损失【9 】【l o 】。如加拿大蒙特利尔6 6 5 M W A 、l8 0 0 r m i n 的核 电机组I l l 】，加拿大温哥华5 0 0 M W 汽轮机组【1 2 】，前苏联的5 0 0 M W 汽轮机组【1 3 l ，美 f 产北电力大学硕l j 学位论文 国S q u a r eB u t t e 燃气机组及德国W i b e lS h a v e 电厂的16 8 M W A 给水泵电机【1 5 1 都先 后发现了明显的轴系扭振现象或发生了扭振事故。 文献U 6 介绍了轴系扭振疲劳寿命损耗逐渐取代故障时轴系最大扭应力作为轴 系扭振的评估指标后，国际上许多著名的研究机构和制造部门以及国际性组织都在 着手研究扭振设计的新标准。文献 1 7 1 得到了轴系仿真模型，可以分析突然短路、 载荷状态、甩负荷对轴系参数的影响，是故障下轴系安全性分析的前提。文献【1 8 】 分析当前疲劳累积损伤理论中存在的问题，并对在特定载荷谱下疲劳损坏阈值的确 定进行了探讨，对扭转疲劳累积损伤理论的修正具有借鉴意义。文献 1 9 】提出了以 感应电动机电磁转矩评估轴系扭振安全性的方法，为轴系扭振安全性分析提供了一 条途径。 由于系统扰动对轴系扭振疲劳寿命损耗的影响与轴系结构、材料、扰动类型、 发生条件以及疲劳寿命的评估方法等许多因素有关，有着很大的复杂性和分散性， 1 9 7 3 年德国S i e m e n s 和K W U 公司开展了关于电力系统电磁暂态过程对轴系影响的 分析研究，结果表明电力系统的故障可导致轴系上产生严重的扭转力矩，当振荡扭 矩叠加时，可能造成轴系的扭振损伤【2 0 】。而迄今为止，国内外对轴系扭振的评估尚 未形成统一的标准，目前被国际上普遍接受的是德国K W U 公司的技术标准。 1 2 2 国内研究现状 随着我国电力系统的迅速发展，大容量汽轮发电机组越来越多，电网运行情况 也越来越复杂，大机组轴系的安全问题已成为一个极为重要的问题。1 9 8 9 年原能源 部和中电联召开了“大电网与大机组政策研讨会“ ，会议强调了大机组轴系安全的 重要性及制定有关标准的必要性【2 1 】f 2 2 1 ，随后各科研院所开展卓有成效的研究工作， 并取得了可喜的成果，使我国对运行机组扭振的监测、预警、抑制有了很大的突破。 文献【2 3 】通过机电类比，将轴系扭振模型等效为一个四端网络模型并采用机械阻抗 方法进行扭振分析，为轴系固有特性的精准计算提供了一条可行的途径。文献 2 4 】 以局部应力应变法、雨流周期计数法和线性累积损伤定律为理论基础，提出了轴系 扭振疲劳寿命估算方法，为轴系扭振安全性评估奠定了基础。文献【2 5 】基于汽轮发 电机组轴系扭振考核导则的要求，给出了机组轴系对发电机端相间短路和三相负载 不平衡的响应结果，并校核了轴颈和联接螺栓的扭振应力强度。文献【2 6 】在借鉴国 外汽轮机发电机组大轴材料的扭转疲劳寿命曲线的基础上，用局部应力应变法和累 积疲劳损伤准则估算了汽轮发电机组轴系扭转疲劳，并依此编制了计算程序。文献 【2 7 分析了短路工况下扭振阻尼与短路时间对汽轮发电机组轴系扭转疲劳寿命损耗 的影响。文献【2 8 】利用传递矩阵法求得扭振固有频率及主振型，用振型叠加法计算 轴系在两相短路情况下的动力响应，在计算中考虑了叶片叶轮系统与轴系扭振的耦 净：I 匕1 U 力人学硕I j ! 位论义 I I l i 量置罾量皇鼍墨墨墨曼喜蔓曼量量量罾皇量皇一 合作用，并对计算结果进行了分析，讨论了该机组的轴系扭振安全性，为机组的安 全运行提供了理论依据。文献【2 9 】认为以最大扭应力作为轴系扭振的评估指标时存 在着一定局限性，从计算方法、影响因素、评估标准三个方面讨论了以轴系疲劳损 耗作为评估指标的合理性。 以上研究反应了我国在轴系扭振建模、响应计算、扭转疲劳寿命估算以及评估 轴系安全性方面取得的重要成果。由于轴系疲劳寿命损耗是累积的，不仅与扰动类 型、地点、时序等因素有关，而且还与扰动发生的频率有关，涉及到的问题很复杂， 对于严重扰动下机组轴系扭振的允许标准，目前主要采用的仍然是德国K W U 公司 针对国外多种型号机组进行分析研究后得出的疲劳损耗许可范围。而对国产机组， 还没有形成具有针对性的、规范的考核准则，这也是目前机组轴系扭振研究中急需 解决的问题。 1 3 本文的主要研究内容 ( 1 ) 轴系建模及其响应的计算。本文将总结以往轴系建模的经验，详细分析轴 系建模的准则，提出一套规范的轴系分段建模准则及扭转刚度、转动惯量的计算方 法。并采用改进的R i c c a t i 传递矩阵法对轴系的固有特性进行计算，然后采用有限元 法验证其精确性。 ( 2 ) 研究轴系设计参数如抗拉强度极限c r b 、相邻两轴段的直径J D 和d 及其过渡 部分的圆弧半径，、内孔直径h 、对S N 曲线的影响，得到轴系结构对疲劳寿命损 耗量的影响程度，提出增强轴系对抗风险能力的措施。 ( 3 ) 轴系疲劳寿命损耗研究。深入分析现有雨流计数法存在的问题，建立适合 转子应力循环统计的方法；提出轴系各部件材料的S N 曲线估算模型，并考虑平均 扭应力、高周疲劳对S N 曲线的影响，从理论上得到影响因子方程，并用有限元软 件对该方程进行验证；建立考虑加载顺序和统计分散性的疲劳累积损伤理论，得到 不同的加载方式对疲劳破坏阈值的变化，使得对轴系的剩余寿命预测更加准确。 ( 4 ) 提出适合汽轮发电机组轴系扭振的强度校核方法，并分析在具有疲劳损伤 的情况下，轴系危险元件极限扭应力( 许用扭应力) 的变化。 ( 5 ) 深入分析各故障下轴系响应的特性，对具体故障提出一次冲击疲劳损耗的 安全范围，并对危险元件的风险值进行了预测，为安全性评估提供可靠的依据。通 过以上各方面的研究，使得对轴系扭振危害程度的评估更加准确，建立起了一整套 扭振安全分析的计算流程，为机组的安全运行提供可靠的保障。 ( 6 ) 结合某电厂汽轮发电机组低压轴段磨损事故对其进行扭转强度校核，并分 析其故障I i f 后扭转强度极限的变化；以某电厂两相短路为例，分析其危险截面的应 华北电力大学硕一l j 学位论文 力应变历程，计算其危险元件的风险值，并对其安全性进行评价。 ；，l E I 【l ，J 人学硕l j 学位论文 曼量蔓曩曩皇量量奠| 量量墨罾曼量| 曼量量墨墨置量置量量寰量量墨_ _ 暑曹_ I I I 第2 章轴系扭振的响应计算 2 I 轴系的模化方法 轴系模化是计算轴系固有特性的前提，也是2 3 节采用振型叠加法计算轴系扭 振响应的基础。在工程实际应用中，对轴系进行模化的主要方法和原则如下： ( 1 ) 轴系截面直径有突变处应作为分段点； ( 2 ) 轴系模型建立过程中通常将叶轮叶片作为刚性质点加到相应的轴段上； ( 3 ) 过长的等直径轴段应进行适当分段，轴颈上有轴承的支点处常作为分段点； ( 4 ) 对于热套在轴段上的部件，通常以热套件的长度作为一个单元段； ( 5 ) 安装在轴系上的部件通常被模化成附加转动惯量，而将影响扭振特性的长 叶片作为分支系统。 2 1 1 轴系本体的分段 当需要采用多段集中质量模型对轴系进行固有特性计算时，第一步就是将轴系 详细分段以保证计算精度的要求，根据汽轮发电机组轴系的设计图纸，在转轴直径 突变及存在转动惯量的地方( 例如安装叶轮叶片处) 都需要进行分段，确定各段的 轴向长度、当量外径等，然后计算其转动惯量。将轴系本体上的安装部件等价成附 加转动惯量，而影响固有特性的长叶片可作为分支系统【3 0 1 。 如图2 1 所示，剖面线是一个简单回转体的纵截面。 D D 2 2 日2 图2 - I 简单同转体纵截面图 图中，x 是轴向长度，D 是径向长度，点l 和点2 之问的线段与x 轴间形成的 回转体的质量为m ，其转动惯量设为，密度为p 。 1 产北吧刀人彳：坝一J j 字位论又 一暑皇璺曼曼曼曼曼曼曼皇笪曼皇曼曼曼曼曼量皇曼曼曼曼曼曼童曼量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量皇曼量置曼曼量鼍曼量蔓曼量曼曼曼量罾曼曼曼曼鲁曼曼量曼量曼皇 设仁q D 2 ( D 2 o ) ，则有： 朋= 翌珥( 而一而) 艺f (21)12 ” ”怠 、 转动惯量的计算式为： 2 焉。硝( x z - x - ) 掣4 ( 2 2 ) 在实际计算中，先根据图纸上的轮廓点坐标，按拐点分开计算，然后求各部分 的转动惯量之和即可，以转动惯量不变的原则确定的当量直径设为，则： = 瞪3 2 1 p + 研) - ， 式中 J 口总转动惯量( k g m 2 ) ；D i 轴段的内径( n 1 ) 。 根据模化前后轴段的扭转刚度七保持不变的原理，得扭转刚度k 的计算式为： 七= 孚= 旦L 三3 2 一。；I ) ( 2 - 4 ) 、“ 、 得D o , = ( 等+ 球) i ， 式中 G _ 剪切弹性模量( P a ) ；b 轴段的长度( m ) ；4 内径( m ) ； 截面变形部分的极惯性矩( m k g s 2 ) ；D 等效直径( m ) 。 2 1 2 轴段扭转刚度及转动惯量的计算 理论上，根据公式( 2 1 ) ( 2 5 ) 可以求出当量直径、扭转刚度七，而实际应用 中，应根据轴系本体的截面形状分六种情况讨论。 ( 1 ) 等直径光轴轴 若轴的外径为风，则其当量直径为：p 钟= D 驴= D o ( 2 ) 对于整体锻造阶梯轴段，如图2 - 2 所示 # ，l t f 也，人学顺f 。产f 移论迁 曼舅量舅晕曼鼍墨曼曼舅曹皇量量量量鼍曼舅曼曼曼皇曼曼舅曼曼曼曼鼍曼曼蔓曼曼曼曼鼍曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼舅舅曼曼曼毫鲁曼曼曼曼皇量曼曼甍詈皇 - B J _ 1 图2 - 2 阶梯轴转子示意图 当B 0 2 D 。，采用微积分的方法，将过渡段细化，每段近似的看 成是等直径，然后利用公式( 2 6 ) 计算各段的柔度，求和后再与左边L l 段的柔度 相加，得到L I 段的柔度，k 段的柔度仍同上式，求各段柔度的倒数即得相应的刚 度。 ( 4 ) 套装叶轮转动惯量的计算方法 华北电力人学硕f ? 学位论文 图2 4 套装叶轮示意图 套装叶轮如图2 4 所示，叶轮热套在轴段上，增大了其扭转刚度，西屋公司的 计算方法是： D o , = 4 + 三2 t a n l 2 。 ( 5 ) 发电机转子等效直径的计算方法 ( 2 7 ) 发电机转子本体有许多附加部件，如线槽、槽内绝缘材料、绕组等，其表面有 通风小槽和月牙槽。 、 心 b 图2 - 5 发电机转子槽分布图 如图2 5 所示，根据文献【3 l 】，其当量直径的计算方法为： Y = 0 4 8 3 4 8 6 8 + 0 0 17 5 4 4 8 x I + 1 0 0 4 7 4 12 x 2 0 0 3 1 5 7 2 6 x l x 2 0 4 8 7 2 2 1 2 x ；+ o 0 1 4 2 5 3 6 x l 吒2 ( 2 - 8 ) 式中 工：= 见n o ，y = D o , 见；j r l 大齿极夹角( m d ) ：见槽底直径( m ) ： D o 大齿的外径( m ) ；D 旷一扭转刚度的当量直径( m ) 。 妒q f F ，l E l U ，J 人耐 l f t 沦逻 量舅量置量奠舅墨曼鼍曼鼍皇皇曼量皇鼻| 鼍寰葛曼曼蔓皇曼量罡曼曼詈量皇量墨量曼皇童奠皇皇置墨| 篁皇曼量鼍篁i m I I ( 6 ) 汽轮机叶片 图2 6 叶片型线部分转动惯量计算图 汽轮机叶片形状复杂，采用有限积分法计算其转动惯量，首先将叶片分成许多 小的简单几何体，如图2 - 6 所示，求出这些小的几何体对转轴的转动惯量，然后求 出各段之和。计算时，将半径为r t 、截面积石的叶片用宽度为6 | 、半径为，j 的圆柱 面代替，使圆柱面与叶片在该处的截面积及转动惯量相等，即： ， 岛= 乙老 ( 2 - 9 ) 二刀巧 式中Z 卜叶片数目( 以) ；卜叶片截面积( m 2 ) 。 因此，圆柱曲面的转动惯量为W R o ，即： 嚼= 车等4 ) ( 2 - l O ) 式中p 叶片材料的密度( k g m 3 ) 。 为了便于计算，近似的认为叶片的截面积与其半径成正比，则其表达式为： 彳( ，) = k r + c( 2 一1 1 ) 式中 k ，c - 一待定参数。则 尼= 丝二鱼 眨一五 c ：A , - q - 尘丛 2 - 1 2 吃一吒 式中，- l 、，2 叶片顶部和根部的半径( m ) ；A l 、彳2 叶片项部和根部的 截面面积( m 2 ) 。 将叶片截面积转换为轮盘的面积可表示为： 彳怂= 乃雒) 片 ( 2 1 3 ) 华北电力大学硕f j 学位论文 式中卜动叶片的级数。 转动惯量的计算式为： I = f r 2 d m ( 2 1 4 ) 式中d m = A 轮盘砂；p 叶片密度( k g m 3 ) 。 则叶片对轴段的转动惯量，为： I = P p - A d , = p p 瞬卜长冲 Q 1 5 ) 2 2 轴系扭振固有特性计算方法 2 2 1 改进的R i c c a t i 传递矩阵法 基于传统的传递矩阵法，R i c c a t i 法提出了相应的改进措施，克服了传统传递矩 阵法在计算过程中存在的问题，并使计算精度更高。 如图2 - 6 所示，将轴系分段后，集中质量块视为轮盘，各轴段不考虑其转动惯 量，只计及其扭转刚度。 图2 - 7 轴系模化示意简图 取图2 7 中第扣1 个轴段和第i 个圆盘为一个单元进行分析。规定轴线正方向向 右为正，轴段两端的转角p 及扭矩丁用右手螺旋法则来表示，该单元的受力分析如 图2 8 所示。 l l 其动力学方程式为： 图2 - 8 第i 段单元受力分析 I t O = 一k l O I ( 2 1 6 ) 在系统作简谐扭转振动时0 = 2 c o s c o t ，代入式( 2 1 6 ) 得到： l t c 0 2 9 = k t 9 t = M ：一M ； m 1 7 ) 即M f = ，缈2