（动力机械及工程专业论文）9fa燃气蒸汽联合循环机组轴系动态特性分析.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 本文以9 f a 型燃气轮机轴承转子系统及联合循环单长轴系为研究对象。介绍 了国内外各厂家生产的燃气轮机与联合循环转子结构，探讨了应用a n s y s 计算软 件对燃气轮机轴承转子系统建模的方法，对该转子系统进行了模态分析和谐响 应分析。求出系统固有频率和振型，模拟计算了转子系统在多种类型不平衡力 作用下的响应特性，讨论了不平衡质量的大小和位置对转子系统振动的影响。 根据机组在发生碰摩条件下转子所受冲击力作用的特点，通过绘制多点轴心运 动轨迹，讨论了碰摩力大小和位置的影响。并进一步模拟讨论了不同碰摩形式对 转予振动的影响。 关键词：转予一轴承系统，有限元法( f e m ) ，动态特性，燃气轮机，联合循环 a b s t r a c t t h i sa r t i c l et a k e st h e9 f ag a st u r b i n e r o t o r - b e a r i n gs y s t e m a n d l a r g e s i n g l e s h a f tc o m b i n e d c y c l ep o w e rg e n e r a t i o ns y s t e ma st h er e s e a r c ho b j e c t i t s u m m a r i z e dc o n c r e t e l yt h eg a st u r b i n ea n dl a r g es i n g l e - s h a f tc o m b i n e d c y c l ep o w e r g e n e r a t i o nr o t o rs t r u c t u r e t h a te v e r yd o m e s t i ca n dr e c o m m e n d e dt h em o d e l i n g m e t h o do ft h eg a st u r b i n er o t o r b e a r i n gs y s t e mw i t ha n s y sc o m p u t a t i o ns o f t w a r e a n di t sm o d a la n a l y s i sa n dh a r m o n i cr e s p o n s ea n a l y s i s d y n a m i cp a r a m e t e r ss u c ha s n a t u r a lf r e q u e n c yo f t h er o t o r - b e a r i n gs y s t e mw e r ec a l c u l a t e d f u r t h e r m o r et h e r e s p o n s eo ft h er o t o r b e a r i n gs y s t e mu n d e rv a r i e su n b a l a n c ea n dr u b b i n gc o n d i t i o n s w a sa n a l y z e d t h er e s p o n s eo ft h er o t o ro nd i f i e r e n ts i z e ，d i r e c t i o na n dp o s i t i o no f u n b a l a n c ea n dr u b i m p a c tf o r c ew a ss h o w ni nf o r mo fo r b i tc h a n g i n go ft h er o t o r s y s t e m i na d d i t i o n ，t h er e s p o n s eo ft h er o t o ru n d e rd i f f e r e n tk i n do fr u b - i m p a c ti s s i m u l a t e d h u a n gr u i ( p o w e rm a c h i n ea n de n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f x uh o n g k e yw o r d s ：r o t o r b e a r i n gs y s t e m ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) ，d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c ，g a st u r b i n e ，c o m b i n e d c y c l ep o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m 华北电力大学硕士学位论文 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文9 f a 燃气蒸汽联合循环机组轴系动态 特性分析，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作 和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在沦文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名 首与磋j 日期 ) w7 弓“ 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅：学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：蓣细导师签名： 7 。7 0 、彳 一 目期：_ 三塑- ；“ 华北电力大学硕士学位论文 1 1 选题背景及其意义 第一章绪论 “可持续发展”是2 1 世纪的发展战略。2 l 世纪世界电力的发展更将体现能源 的高效、洁净利用，合理的电力结构，以及良好的环境保护。燃气轮机发电技术能 满足可持续发展战略的选择。目前就世界范围而言，燃气轮机发电已是电力结构中 的重要部分，而在新增发电容量中更占主要成份。据测算，重型燃气轮机的产值如 果按1 计算的话，带动的电站及相关产品及产业的产值( 如汽轮机、电机、锅炉、 阀门、控制系统和电站建设等) 将达到2 3 。 2 1 世纪初我国出现了一批以天然气为燃料的大功率燃气轮机联合循环以及燃 煤联合循环发电，它们在我国总装机容量中占有相当大的比例，在电力结构中以基 本负荷运行。而我国燃气轮机发展到今天，与国外发达国家相比还有很大差距。我 国燃气轮机发电容量占全国发电总容量的2 4 ，远比国外工业发达国家的比例低， 这说明我国燃气轮机的应用仍不普遍。我国现有的燃气轮机和联合循环机组的性能 仅是国外七八十年代的水平，比起国外单机功率3 0 0 4 0 0 m w ，简单循环效率3 8 3 9 ，联合循环效率5 7 5 9 的性能水平还差得很远。国外燃煤联合循环发电 从开发研究到示范工程和商业运行，已经过很长时期，取得很大进展。我国至今没 有示范工程，尚属于空白。目前，世界上只有美、日、德、法等少数国家具备独立 研制重型燃气轮机的能力，其核心技术一直封锁。我国燃气轮机制造业的生产规模 和水平很低。目前只是与国外合作生产国际上七八十年代水平的机组，而且很多关 键部件仍依靠国外引进。国内燃气轮机发电设备的市场基本上被国外制造厂商所占 领。 为发展我国的燃气轮机产业、配合我国能源结构的调整，2 0 0 1 年国家发改委发 布了燃气轮机产业发展和技术引进工作实施意见，拟以市场换取部分制造技术 的方式在“十五”期间进一步发展我国的燃气轮机产业。但是，以中国市场需求为 导向而进行的部分制造技术引进，不能从根本上解决中国燃气轮机产业自主发展的 关键问题，只能对电力需求市场起着缓解作用。燃气轮机的制造业必须加强，应在 引进、消化吸收的基础上走国产化的道路，逐步缩小我国燃气轮机与国际先进燃气 轮机的差距，使我国成为掌握燃气轮机设计、制造、运行技术并具有成套能力的国 家。 燃气轮机核心技术开发的重要内容包括：燃气轮机热力系统参数优化设计的 计算机程序开发，燃机控制技术，单轴布置的长轴系联合循环机组的轴系稳定性研 华北电力大学硕士学位论文 究，高温转子及叶片材料制造技术：压气机通流部分的气动设计规律和方法以及 各级叶型的成型规律研究，压气机各级之间的匹配规律和整台压气机特性曲线的研 究，相关的计算机程序开发，压气机各级叶轮、持环、动静叶片的强度和振动特性分 析和结构设计研究；燃气透平通流部分的气动设计规律和方法以及各级叶型的成 型规律研究，各级叶轮和动静叶片的温度场计算，特别重点研究透平动叶和静叶的 冷却结构，燃气透平各级叶轮、持环、动静叶片的强度和振动特性分析和结构设计 研究：燃烧室燃烧过程组织方法的研究，干式低n o x 燃烧室中空气流量及燃料流量 的分配规律研究，与燃烧稳定性火焰管和过渡段壁温有关的特征速度分析，燃料喷 嘴特性和设计方法研究：燃气轮机联合循环机组特性研究，包括功率和热效率随 大气温度、大气压力、燃料特性、流阻损失系数、冷却水温、大气相对湿度、老化 效应而变化的修正曲线的理论计算方法和程序研究。 本课题就是利用大型有限元计算软件对单轴布置的长轴系联合循环机组的轴 系稳定性研究中的重要组成部分燃气轮机及其联合循环轴承转子系统的振动 进行研究，分析转轴的振动特性及影响规律。 1 2 国内外研究动态 转子动力学的主要研究范畴是：转子一轴承系统的临界转速计算、转子不平衡 的稳态响应计算、转子一轴承系统的稳定性、残余不平衡量计算与柔性转子平衡分 析以及瞬态响应分析等。转子与固定部件之间的碰摩故障研究是转子动力学研究的 重要部分。转子动力学的发展已有一百多年的历史，随着各种高速旋转机械，如各 种类型的发动机、发电机等的飞速发展，转子的发展趋势是：转子的性能日益提高， 工作状态的压力及温度也越来越高；同时要求机械的维护周期更长，噪声及振动更 小，工作更稳定。这就给旋转机械的研制、生产、使用及维护提出了更高的要求， 也为转子动力学的研究提出了更多的课题。当前国内外关于转子动力学研究主要是 以下几个方面：1 、转子系统的临界转速和稳态、瞬态响应计算；2 、转子系统不平 衡的稳态响应计算；3 、关于转子系统运动稳定性的研究；4 、转子系统的优化和转 子的动平衡技术；5 、轴承的动力特性；6 、转子系统的故障诊断：7 、转子振动的 监测与控制。近些年转予动力学的研究逐渐发展到非线性领域。 转子动力学是研究旋转机械运转规律的基础理论，起初转子动力学是以 j e f f c o t t 转子模型为研究对象，定性的分析转子的动态特性。后来发展到把支承转 子的轴承甚至是支承整个转子一轴承系统的基础也纳入到转子系统中，这样使分析 逐渐接近实际工况。近年来，人们探索了一些转子运转中非线性现象的计算方法， 并针对简单的模型分析得到一些规律。这也是将来转子动力学发展的一个方向。 华北电力大学硕士学位论文 1 2 1 转子动力学建模 苏格兰工程师w jr a n k i n e 的“论旋转轴的离心力”是关于转子动力学的第一 篇文章，开创了转子动力学理论研究的先河。 转子系统以转子本体为主，此外还包括联轴器、轴承支座甚至基础。转子系统 模型有两大类：集中参数模型( 离散模型) 和分布参数模型( 连续模型) ”1 。 集中参数模型即有限自由度的离散模型，集中参数单元可以选为质点、刚体或 二者同时使用。由于这种模型相对简单和易于分析，故适用于建立较复杂的转子系 统模型。大多转子动力学的研究都是基于这种模型的。 在集中参数模型中，一般将转子本体简化成由刚性圆盘( 考虑质量和转动惯量) 和弹性轴段( 不考虑质量) 组成的一个刚体一弹簧系，联轴器也包括其中，由刚性 支座支撑或弹簧和阻尼器支撑。最简单和具有代表性的模型由f o p p l 于1 8 9 5 年提 出，被称为j e f f c o t t 转子或l a v a l 转子的2 自由度转子模型，它由一个刚性圆 盘和一根从圆盘中心垂直穿过的无质量弹性轴组成，支撑于一对刚性支座上。1 。其 后，由于这一模型的典型性，以及j e f f c o t t 和l a v a l 两人最早利用这一模型完成 的出色工作“1 。1 ，被后人称为j e f f c o t t 转子或l a v a l 转子。j e f f c o t t 转子奠定了 转子系统模型的基础，其后许多学者使用的转子模型都是在j e f f c o t t 转子基础上 建立起来的。当研究非线性油膜力的影响时，可以建立所谓的j e f f c o t t 刚性转子 模型”。它将j e f f c o t t 对称转子的弹性轴视为刚性轴，而在刚性支撑与转轴之 间增加油膜力的影响。这一模型是研究油膜失稳的最简单、最常用转子模型( 2 d o f ) 。 理论上说，基于j e f f c o t t 转子模型的多盘单跨转子模型可以有任意多个圆盘，事 实上，更多的圆盘对转子动力学的理论分析没有太大的意义。因为对于多数大型转 子系统，工作转速一般在二阶i 临界转速以下，而且太多的圆盘给理论分析带来了不 必要的复杂性，不易把握主要信息。 自从1 9 2 1 年h o l z e r 提出计算扭转系统固有频率的传递矩阵法( t r a n s f e r m a t r i xm e t h o d s 。t 删) 以来，t m m 成为研究转子动力学最基本的方法之一“。与 上面的建模方法( 也称为直接刚度法，d i r e c ts t i f f n e s sm e t h o d ，d s m ) 不同，应 用t m m 建模是将转子系统分成由一系列“盘一轴”部件组成的链式系统，并在轴 承处施以等效的阻尼和刚度。每个“盘一轴”部件包含一个刚性盘和一个无质量弹 性轴段，并特殊处理通过支撑和联轴器处的“盘一轴”部件“”。对每个“盘一轴” 部件建立其两端“状态变量”的动力学方程，该关系由传递矩阵确定。由于t m m 的 动力学方程的建立仅针对一个基本部件，所以传递矩阵阶数较低。对轴对称转子， p r o h l 传递矩阵仅为4 阶，而r i c c a t i 传递矩阵为8 阶。t m m 不仅能计算轴系 的临界转速，还能计算稳态响应和瞬态响应，长期以来是转子动力学的主要研究方 华北电力大学硕士学位论文 法之一。 上世纪6 0 年代，随着数字计算机的发展，有限元法( f e m ) 也被引入到转子 动力学中来，a r c h e r 是开展这一工作的第一人。f e m 属于直接刚度法建模。与t m m 一样，f e m 能建立任意复杂的转子系统模型，适合于工程应用。然而，其缺点是对 某些非线性因素不易处理，如非线性油膜力，因而，不适于作解析分析。分布参数 模型只适于简单的转子系统，如均直等截面转轴，而一般难以对复杂转子进行建模， 通常只用于一些特殊情形“”。如用于建立f e m 中的单元刚度矩阵，t m m 中的传递 矩阵，以及建立柔性转子的动平衡方程等。 1 2 2 转子固有特性的研究 求取转子系统的固有特性( 临界转速等) 是转子动力学研究的最早和最基本的 内容之一，也是转子动力学设计的重要基础。计算的主要方法包括传递矩阵法( t 删) 和有限元法( f e m ) 两大类；实验的方法包括升速试验和模态分析等手段。有关转 子固有特性的成果已比较成熟。 传递矩阵法是计算临界转速最基本的方法，其中最重要的是r i c c a t i 传递矩 阵法“”，通过r i c c a t i 变换，将原来微分方程的两点边值问题转换为一点初值问 题，既保留传统传递矩阵法( 即p r o h l 法“耐或m y k l e s t a d 法“町) 的优点，又从根 本上克服了传递矩阵法中数值计算不稳定的问题。王正“ 进一步研究了r i c c a t i 传 递矩阵法奇点的物理本质和产生原因，提出了消除奇点的独特方法计算机硬件及 软件的发展为f e m 提供了条件，对复杂的转子系统，可以在考虑油膜力等因素的 前提下，计算出系统的临界转速“”。 通过在转子实验台上进行升速试验，可以较准确地得到转子的低阶临界转速 ( 一、二阶等) ，由于实际转速的限制，很难得到高阶临界转速，也无法得到轴系 的临界转速。现场模态实验可以测得转子静态下的横向振动固有频率，可以作为轴 系临界转速的近似。由于无法计及油膜等与转速有关的因素，试验结果有一定的误 差。1 9 1 1 2 3 动态响应分析 动态响应分析是转子动力学中研究最多、范围最广、时问最长的内容，国内外 每年都有上百篇的论文发表。动态响应分析可以有多种分类方法。从响应方面看， 有稳态响应分析和瞬态响应分析；从所建立的模型上看，有简单转子( 以j e f f c o t t 转子为主) 的动态响应分析和复杂转子( 多盘、多跨转子) 的动态响应分析；从考 虑的非线性因素看，有针对单一非线性因素( 油膜力、密封力、叶尖间隙力、内阻 力、碰摩力、陀螺力、裂纹、不对中、标高影响、基础松动等) 的研究和对几种非 华北电力大学硕士学位论文 线性因素综合考虑的研究；从研究方法上分，有解析的方法、数值计算的方法和实 验的方法，其中每一种又包括多种方法；从所用的振动理论来看，有基于线性振动 理论的方法和基于非线性振动理论的方法。 严重的动静件碰摩可导致转子系统的重大故障，即使在机组的一般运行中，碰 摩现象也时有发生，在现场记录的转子振动信号频谱中，常表现为有高频成分存在。 转子系统是一种含小间隙的特殊机械系统，变形或位移将导致转动部件与静止部件 之间的摩擦和碰撞。碰摩系统是一种非光滑的非线性系统。b e a t y 从理论分析和实 验研究两方面详细讨论了碰摩的时域和频域特征。”。研究碰摩转子的还有g o l d m a n 和m u s z y n s k a 州、6 0 n s a l v e s 和n e il s o n ”、g a n e s a n m 、c h u 和z h a n g 嘲1 、 k a r p e n k o 等。”，均以j e f f c o t t 简单转子为模型。 1 2 4 碰摩响应分析 在非线性转子动力学研究中，对碰摩动力学特性的研究是近十余年来的一个新 的热点“一掰。转子的静动碰摩是一种常见的转子故障，它包括径向碰摩和轴向碰摩 两种情形，径向碰摩对转予的影响较大，碰摩研究大多是针对径向碰摩的。碰摩系 统是一个非光滑动力系统，存在着丰富的非线性动力学现象，如分岔、混沌等现象。 碰摩转子多以考虑油膜力或不考虑油膜力的j e f f c o t t 转子为基本模型，所采用的 碰摩力也以古典的库仑摩擦定律和碰撞理论为基础。 目前，虽然转子动力学领域的研究热点是采用非线性的方法，但是根据文献情 况，在转子动力学非线性领域的研究多是以单盘的j e f f c o t t 转子或者简单多盘转 子模型为研究对象。非线性方法应用到实际转子的研究还未查到相关文献。本文是 针对国内热门的9 f a 型燃气轮机及其联合循环转子一轴承系统，在大型通用有限元 分析软件a n s y s 中对该转子一轴承系统建模并进行动态特性计算，计算其固有频 率、不平衡响应以及碰磨响应等的数值模拟。 1 3 本文研究内容 本课题将根据转子动力学理论和有限元法的基本理论知识，从线性理论的角度 针对9 f a 燃气蒸汽联合循环的转子一轴承系统，在大型有限元软件a n s y s 中建立模 型，做模态分析、谐响应分析并模拟不平衡力及碰磨力作用在转子一轴承系统上的 情况，分析其响应，讨论其对转子一轴承系统动态特性的影响。 本文共分六章： 第一章，绪论。对选题背景意义、国内外研究动态以及论文研究内容做了简单 介绍。 第二章，燃气蒸汽联合循环轴系结构。总结了国内外各燃气轮机生产商的燃机 华北电力大学硕士学位论文 转子结构特点，介绍了国外厂商各种型号燃气蒸汽联合循环轴系布置方式。确定本 文的研究对象g e 公司的s 1 0 9 f a 燃气蒸汽联合循环机组轴系配置为，一台轴向排气 f 级燃气轮机冷端出轴与一台汽轮机共同拖动一台发电机运行。 第三章，有限元计算方法及轴系有限元建模。介绍了a n s y s 有限元计算软件中 的动力学研究方法以及转子动力学的模型建立方法。简化建立了9 f a 燃气轮机转子 模型及d i i 汽轮机高低压转子模型，进而合并形成s 1 0 9 f a 燃气蒸汽联合循环机组 轴系有限元模型。 第四章，轴系模态分析及不平衡响应分析。本文对9 f a 燃气轮机转子、d 1 i 汽 轮机高低压转子及s 1 0 9 f a 燃气蒸汽联合循环机组轴系有限元模型进行了模态分析 与不平衡响应分析。绘制了改变不平衡质量大小的各临界转速转子振幅一不平衡质 量关系曲线。得知不平衡质量逐渐增大时，振幅基本为线性增大。通过计算绘制振 动受不平衡质量加载位置影响的转子振幅一频率响应图，总结了改变不平衡质量在 联合循环轴系上的加载位置，转子上各点的振动变化规律。 第五章，轴系碰磨。描述了联合循环转予发生碰摩时的振动变化过程。根据转 子的轴心轨迹图，说明了改变碰摩力大小对转子振动的影响。由转子的时间一位移 曲线图及轴心轨迹图，分3 个不同碰摩位置加载相同碰摩力来讨论了碰摩位置对转 子振动的影响。通过每周发生一次碰摩、一周发生三次碰摩以及每周发生三次碰磨 3 种不同碰摩加载形式讨论了碰摩形式对转子振动的影响。 第六章，总结与展望。对本论文的研究内容进行了总结。 华北电力大学硕士学位论文 第二章燃气蒸汽联合循环轴系结构 2 1 国内外燃机转子结构 世界重型燃气轮机制造业经过6 0 多年的研制、发展和竞争，目前已形成了高 度垄断的局面，即以g e 、西门子西屋、三菱、原a b b 等主导公司为核心，其它制 造公司多数与主导公司结成伙伴关系，合作生产或购买制造技术生产。美国工业燃 气轮机在总体上处于世界领先地位，目前已研发出“f a ”型产品，且正在进行“g ” 型和“h ”型的研究。我国燃气轮机生产厂家与以上知名国际燃气轮机生产商合作， 具备生产燃气轮机的能力，但关键技术仍需要依靠外国合作商。联合循环是当今发 电领域的趋势所在，对于我国来说，燃气轮机生产和发展的重要性无可厚非。由于 单轴布置的长轴系联合循环机组的轴系稳定性研究是我国自主生产燃气轮机核心 技术开发的重要内容之一，本节详细介绍了国内外各燃气轮机生产商的产品转子结 构。 2 1 1 国外生产厂家燃机转子结构 2 1 1 t 美国通用电气公司( g e ) g e 公司生产的燃气轮机，转子采用了外围拉杆螺栓联接的盘鼓式转子结构型式 ( 见图2 - 1 ) 。盘鼓式的转子是把各级轮盘在接近轮缘处的鼓环，用多根细而长的拉 杆螺栓彼此压紧而连接成为一体，因而它在接近轮缘处是一个转鼓，可使转子具有 很好刚性。转子旋转时产生的离心力则是依靠轮盘来承受，致使这种转子同时也具 有很高强度。压气机转子的拉杆数目约为1 4 1 8 根不等。为了保证转子运行安全 可靠，各轮盘之间必须有足够的压紧力，因而拉杆的预紧力很大。 下面具体说明g e 生产的各型号燃气轮机转子结构。 ( 1 ) 6 b 机型燃机：其转子结构是典型的外围拉杆转予，共有1 6 根拉杆，靠压 紧面摩擦力传递扭矩( 简称传扭) 。前后两点支承，压气机转子的出气端与透平转 子的进气端的螺栓，分别连接在一个短轴的两端，此短轴将压气机转子与透平转子 连成一体。 ( 2 ) 7 e 机型燃机：1 9 8 4 年投产。因转子较长，为三点支承，除前后两个径向 轴承外，在压气机与透平间的短轴上增加一个径向轴承。而7 e c 的压气机共1 7 级 ( 附加零级) ，除了增加了0 级，其他同7 e a 相像o ”。 ( 3 ) 9 e 机型燃机：1 9 8 7 年投产。转子较长亦为三点支承，9 e c 的压气机是按 华北电力大学硕士学位论文 7 e c 模化制造的5 0 t t z 机型。“。压气机前端轴、1 5 级轮盘和后端轴用1 8 根贯穿的长 螺栓轴向组合在一起。 ( 4 ) 7 f 机型燃机：1 9 9 4 年投产。将压气机与透平问的短轴换成刚性很好的大 直径简体，取消了中间的径向轴承，设计成两点支承的转子，便于安装调整及运行 维护。 ( 5 ) 9 f 机型燃机：9 f 机型燃机，1 9 9 6 年投产。同7 f 机型为两点支承的转 子，在7 f 基础上，采用模化原理设计制造了5 0 h z 的9 f a 型燃机( 模化系数为1 2 ) 和可用于5 0 h z 及6 0 h z 的6 f a 型燃机( 模化系数为0 6 9 ) 啪1 。所有f 级的燃机都是 1 8 级压气机和3 级燃气透平，压气机在第9 级和第1 3 级抽气，冷端输出功，透平 轴向排气，以利于联合循环网效率达到5 8 1 。9 f b 机型燃机为9 f a 的改进型号， 透平一级动叶采用单晶叶片呻1 。 ( 6 ) h 型燃机：2 0 0 3 年投产。为了达到高压比，h 型燃机压气机模化c f 6 8 0 c 2 航空压气机生产了7 h ( 模化系数为2 6 ) 和9 h 燃机压气机( 模化系数为3 1 ) 。燃 气透平则由f 级的3 级变成了4 级 图2 - 1g e 燃机转子外围拉杆式结构 2 1 1 2 日本三菱公司( m h i ) 日本三菱公司生产的燃气轮机转子的共同特点是，单轴转子用一个传扭矩简体 把压气机段与透平段连成一体，并由两个径向轴承支持。 g 型燃机是基于f 系列技术开发研制，转子采用无中心轴承的双轴承支撑，负 荷由冷端驱动，头平轴向排气，排气段轴承由切向支柱支撑。单轴转子压气机与透 平通过中间连轴器连成一体。由1 7 级的压气机和4 级燃气透平组成，压气机和透 平均为用贯穿螺栓连接的轮盘构成( 见图2 - 2 ) 。m 7 0 1 g 2 机型由于压气机压比的提 高，仅用1 4 级”1 。 华北电力大学硕士学位论文 图2 - 2 日本三菱公司的燃机主体剖面1 2 1 1 3 德国西门子公司( s i e m e n s ) 西门子公司的转子为典型整体式盘鼓结构，由一根中心拉杆将压气机、透平的 各级轮盘及透平前后两空心端轴、中间传扭筒体串起来，在拉杆两端用大螺母锁紧。 为防止各级轮盘问相互滑动，在各轮盘外缘的两端面上加工有端面齿，又良好的传 扭性能和对中性能，在主轴两端大螺母的紧力下，各级轮齿密切啮合，使其成为一 个刚性盘鼓式转子( 见图2 - 3 ) 。较轻的转子质量使其热惯性较小，启动较快。各级 轮盘和空心轴的结合面上加工有称为h i r c h 的三角形轮齿。压气机通道的5 级内径 型线有一较陡的增加，以提高动叶圆周速度。双径向轴承支撑，压气机冷端输出功 率。 图2 - 3 德国西门子v 9 4 3 a 燃机主体剖面 2 1 1 4 阿尔斯通公司( i s t o m - a b b ) 阿尔斯通燃机的压气机和透平共置于一个带有水平中分面与若干个垂直横分 面的铸造气缸中。g t l 3 e 2 型燃机转子为a b b 公司特有的低合金钢焊接式转子，是一 种与盘鼓式结构类似的转子结构，由多个大型盘鼓锻压件和两端的半轴用焊接方法 华北电力大学硕士学位论文 组成一个整体。各轮盘之间由外围焊接起来成为整体，无机械连接、热配合及贯穿 螺栓，焊接转子的任何部分都不会发生相对错动，结构可靠，强度好，从而保证了 运行时的绝对平衡，这是阿尔斯通燃机转子的自身优势所在( 见图2 4 ) 。转子由前 后两个径向轴承支撑在气缸上，在压气机段设有可倾斜推力轴承，与径向轴承合为 一体，转子冷端与负荷设备相连“”。 图2 - 4 阿尔斯通燃机转子结构 2 1 1 5 俄罗斯 j i m 3 工厂和彼尔姆航空发动机厂正在联合开发g t e 一1 8 0 型，单轴双支承，具有 中分结构，整体组装在基架上。转子为叶轮组装结构，由中心拉杆将压气机和透平 叶轮拉紧，通过叶轮上的端面齿来传递扭矩。 2 1 2 国内生产厂家燃机转子结构 根据我国的生产能力，国内机械部门在大型轴类件、盘类件制造、装配及成套 能力方面拥有优势，但尚不具备大型轮盘超速应力处理能力。今年四月中旬，国内 最大燃机制造厂房在哈尔滨开工建造，说明我们国家已经给与燃气轮机国产化相当 的重视程度。 下面对我国燃机生产厂家及其燃气产品转子进行介绍。 南京汽轮电机公司( 南汽) ：南汽与g e 公司合作生产燃机。r y 0 1 1 型转子为盘 鼓组合结构，由中间掏空的压气机转鼓、中问连接的盘与圆筒、三个透平以及后端 轴等组成；气缸为两支点支撑、刚性连接的水平中分重型结构。 上海汽轮机公司( 上汽) ：上汽与西门子公司合作生产燃机。6 0 0 0 k w 发电用单 轴燃机。压气机与透平转子均为外围拉杆连接结构，两者通过中间过渡轴连接为一 整体。 哈尔滨汽轮机公司( 哈汽) ：哈汽与阿尔斯通a b b 公司合作生产燃机。r s 0 3 1 型 转子由压气机转子和透平转子两部分组成，压气机转子和透平转子均采用盘鼓结合 形式，采用可拆卸螺栓连接，轮盘间用烘套加径向销钉连接。加工组装工艺简单、 质量轻，转子总重为1 2 7 2k g 1 。 东方汽轮机厂( 东汽) ：东汽与三菱公司合作生产燃机，转子主要结构与三菱 华北电力大学硕士学位论文 公司产品类似。 2 2 燃气蒸汽联合循环轴系布置 大型燃气蒸汽( 三压，再热) 联合循环电厂，当今世界上分单轴式和多轴式 两种联合循环。单轴式一燃气轮发电机组与蒸汽轮发电机组同一根轴连接之联合循 环，叫单轴式联合循环。其特点为结构紧凑，热效率高，占地少。多轴式一燃气轮 发电机组与蒸汽轮发电机组为二根以上的轴，为分离式，叫多轴式联合循环。其特 点为因地制宜布置，可以多台燃机的余热锅炉过热蒸汽进入一台汽轮发电机组发 电。 多轴概念： 联合循环电厂在传统上均设计成多轴。在该类型电厂中，每台燃气轮机和汽轮 机均拥有各自的发电机以及独立的发电机母线、变压器和联网装置。在大多数情况 下，由l 台或2 台燃气轮机经余热锅炉向下级汽轮机供汽，分别称作1 + 1 布置和2 + 1 布置 将燃气轮机发电机与汽轮发电机分开布置的一项优点是可使电厂能够分阶段建 造：首先，燃气轮机发电机可独自安装并投运，然后，增设余热锅炉和汽轮发电机。 这样，就可把从售电额中获得的初期利润投资到随后的建设阶段中。 另一项优点是实现了经烟囱的旁路运行，该烟囱是为最初的简单循环运行而建 造的。这就实现了发电的高度灵活性，使燃气轮发电机处理负荷快速变化的能力得 到了充分发挥。 电厂分段建造的一个早期例子是装机容量为1 3 5 0 m w 的h n b a r l i 电厂。该电厂由 3 套机组组成，每套机组由2 台燃气轮发电机和1 台汽轮发电机组成。在该电厂内， 这些透平发电机是按照下列顺序投运的：首先是4 台燃气轮发电机( 1 9 8 8 年) ，然 后是剩余的2 台燃气轮发电机( 1 9 8 9 年) ，接下来是首台汽轮发电机( 1 9 9 0 年) 。 单轴概念： 在单轴联合循环电厂中，燃气轮机、汽轮机和发电机都安装在一根轴线上。该 设计是满足更经济发电需求的一种方式。在相同额定容量时，单轴方案在成本方面 低于多轴1 + 1 方案。通过将主设备融入单轴机组，减少了外围部件的数量，提高 了性能和可靠性。同时减少了系统设备、土木结构和电气设备的数量，并简化了自 动化系统。结果，不仅使电厂成本和运行成本得到降低，而且也缩短了建设时间。 联合循环轴系配置对电站投资成本、总体布置与占地面积、运行操作以及热力 性能( 特别是交工况的性能) 等都有很大影响。电站设计优化选择时应综合考虑各种 因素来确定选择轴系配置总体方案。值得注意的趋势是，随着越来越多的大容量、 高性能的燃气轮机机型投入市场，大型联合循环电站将更倾向于选择布置紧凑、可 华北电力大学硕士学位论文 靠性高、热效率高的“i + i ”单轴配置方式，并将更多采用统一规划、分期实施的模 块组合模式的联合循环电站。带3 s 离合器的多轴配置总体方案，运行操作灵活，较 适合于调峰运行用途1 。 国外厂商燃气蒸汽联合循环布置： ( 1 ) g e 公司联合循环轴式布置： s 1 0 6 f a 三压再热单轴( 燃机+ 发电机+ 轴向排汽汽机) $ 2 0 9 e 三压无再热单轴( 燃机+ 发电机+ 轴向排汽汽机) ；多轴( 2 + 1 ) s 1 0 9 e c 三压再热单轴( 燃机+ 下排汽汽机+ 发电机) s 2 0 9 f a 三压再热单轴( 燃机+ 下排汽汽机+ 发电机) ；多轴( 2 + i ) s 1 0 9 h 三压再热单轴 ( 2 ) 三菱公司联合循环轴式布置： m p c p l - - 7 0 1 d 双压单轴( 燃机+ 汽机+ 发电机) ；多轴( i + i ) m p c p 3 - - 7 0 i d 多压单轴( 燃机+ 汽机+ 发电机) ；多轴( 3 + 1 ) m p c p i - - 7 0 i f 三压再热单轴( 燃机+ 汽机+ 发电机) ；多轴( i + i ) m p c p i - - 7 0 i g 2 三压再热单轴( 燃机+ 汽机+ 发电机) ；多轴( 1 + 1 ) m p c p 2 - - 7 0 i g 2 三压再热单轴( 燃机+ 汽机+ 发电机) ；多轴( 2 + i ) ( 3 ) 西门子公司联合循环轴式布置： 2 v 6 4 3 a 双压多轴( 2 + i ) 2 v 9 4 2 双压多轴( 2 + 1 ) 2 v 9 4 2 a 三压再热单轴( 燃机+ 发电机+ 汽机) ；多轴( 2 + 1 ) 1 s v 9 4 3 a 三压再热单轴( 燃机+ 发电机+ 汽机) 2 v 9 4 3 a 三压再热单轴( 燃机+ 发电机+ 汽机) ；多轴( 2 + i ) ( 4 ) a l s t o m 公司联合循环轴式布置： k a 8 c 2 一l 双压单轴( 燃机+ 发电机+ 汽机) k a l l c 2 1 三压单轴( 燃机+ 发电机+ 汽机) k a 2 6 一l 三压单轴( 燃机+ 发电机+ 汽机) k a l 3 e 2 2 双压单轴( 燃机+ 发电机+ 汽机) ；多轴( 2 + 1 ) k a l 3 e 2 3 双压单轴( 燃机+ 发电机+ 汽机) ；多轴( 2 + i ) “” f 级“i + i ”单轴联合循环机组的总体布置： 单轴配置又分为两种形式：一种是以g e 公司s 1 0 9 f a 和三菱公司m 7 0 i f 为代表 的燃气轮机+ 汽轮机+ 发电机的连接形式( 简称发电机尾置) ；另种是以西门子 公司g u d i s 9 4 3 a 和a l s t o m 公司k a 2 6 一l 为代表的燃气轮机+ 发电机+ 3 s 离合 器+ 汽轮机的连接方式( 简称发电机中置) “”。 本文将进行建模计算的是g e 公司的s 1 0 9 f a 燃气蒸汽联合循环机组( 见图2 5 ) 。 它的轴系配置是将l 台f 级燃气轮机轴向排气，排往同一轴线上布置的余热锅炉， 1 2 华北电力大学硕士学位论文 燃气轮机冷端出轴和i 台汽轮机共同拖动1 台发电机运行埘”汹3 。 图2 - 6g e 公司的s 1 0 9 f a 燃气蒸汽联合循环布置图 华北电力大学硕士学位论文 第三章有限元计算方法及轴系有限元建模 3 1 转子动力学知识 早期的转子系统一般是把转子看作是由圆盘装在不计重量的弹性转轴上，而转 轴的两端则由完全刚性的轴承座支承。对于复杂的转予系统，这种假设不够准确， 但是仍然能定性的分析转子系统。转子在运转时既绕其轴线旋转，同时轴线又绕另 一种中心线转动，这种运动称为涡动。j e f f c o t t 转子是一种传统的转子模型，如 图3 - 1 所示。图中圆盘中心o 的运动方程式为： 图3 - 1 月u 任叉承r 阳j e f f c o t t 蒋于模型 p 埘地州鲫：螂w t ( 3 - 1 ) l 彬+ q p + 匆- 挪g 2 s i n 式中，m 为圆盘质量，c 为阻尼系数，k 为弹性系数，e 为偏心距，为转 动角速度。上式化为标准形式为： f + 锄+ p 2 ，x 一0 ) 2 ，c o s m t ( 3 - 2 ) l j ；+ 2 白矽+ p 2 y - e 2 s i n 脚 式中，p 后一謦一舯载有集中质量的无质量弹性轴作无阻尼横向 振动时的固有频率；毒一 相对阻尼系数。 z 吖 口矩 对于多圆盘转子系统，假设多个图盘是由不计质量的弹性轴联接起来的系统， 华北电力大学硕士学位论文 刚性支承情况下其运动微分方程表示为： m t i + 僦+ k u f ( 3 - 3 ) 式中，m 为质量矩阵，g 为回转矩阵，k 为刚度矩阵，u 为广义坐标矢量， f 为作用在系统上的广义外力。 转子系统实际上不只是转子，还包括轴承和支承整个转子系统的基础，转子动 力学中的计算必须考虑滑动轴承支承状态的弹性系数和阻尼系数才能使计算结果 更加准确，实际中转子运转时是在轴承的支承下运转的，轴承对于转子的动力特性 有很明显的影响。轴承往往是阻尼的主要来源，因而影响着转子的响应，轴承的刚 度和阻尼影响着转子的临界转速和稳定性。深入研究转子动力学问题必须考虑轴承 的作用。汽轮机中的轴承系统是滑动轴承，滑动轴承的工作特性比较复杂。当转子 轴颈在轴瓦中运转时，润滑油进入轴颈和轴瓦之间的间隙中形成油膜。油膜中的流 体动压力使轴颈有足够的承载能力。随着循环的润滑油带走热量，从而能够保证轴 承和转子的正常工作温度。滑动轴承2 般情况下可以简化为刚度系数和阻尼系数。 转子动力学计算临界转速和不平衡响应时，传递矩阵法是一种应用广泛而且适 用的方法，这种方法是把系统分为圆盘、轴段和支承等若干个典型的单元或部件， 用力学方法建立这些部件两端截面状态向量间的传递关系，再利用连续条件就可以 求得转子在任意一个截面的状态向量与起始截面的状态向量间的关系，通过对能满 足边界条件的涡动频率的搜索，就可以得出转予系统的各阶临界转速。计算在给定 自转角速度时转子在不平衡质量激励下的振动，就可求得转子的不平衡响应。另外 还有就是有限元法，把转子一轴承系统划分为刚性圆盘，弹性轴段，轴承。转子一 轴承系统运动方程为： m t i + o i + k ua f ( 3 - 4 ) 式中，m 为质量矩阵，c 为阻尼矩阵， k 为刚度矩阵，u 为广义坐标矢量， f 为作用在系统上的广义外力。对于转予一轴承构成的系统，由于转子有回转效应， 系统的运动方程式中出现了一个反对称的陀螺矩阵；由于轴承油膜力不是保守力， 转子系统通常不是保守系统，油膜力的刚度矩阵、阻尼矩阵不是对称矩阵，而是转 速的函数。因此，转子系统的运动微分方程应写为： m t k + ( c + g ) 吐+ ( k + s ) “i f ( 3 - 5 ) 式中，c 是非对称阻尼矩阵；g 是反对称陀螺矩阵；k 是刚度矩阵的对称部分； s 是刚度矩阵的不对称部分。各矩阵常常还是转速的函数。 在传统的转子动力学中，计算分析的主要内容是转子弯曲振动的临界转速、不 平衡响应和稳定性分析及各种激励下的瞬态响应计算。有些转子系统还需要计算扭 转振动的固有频率的响应。求解上述方程的特征值或响应是很困难的，特别是当自 由度数较多时尤为如此。随着计算机技术的发展，数值方法的应用，有限元法在计 华北电力大学硕士学位论文 算转子一轴承系统响应方面比较方便“”。 3 2a n s y s 有限元计算软件知识 3 2 1a n s y s 有限元软件简介 有限元分析是对物理现象( 几何变形及载荷状况) 的模拟，是对真实情况的数 值近似模拟。通过对分析对象划分网格，求解有限个数值参量模拟真实环境的无限 个未知量呻1 。 a n s y s 是一种大型通用有限元分析软件，分析过程包含三个主要步骤： 1 建立有限元模型 ( 1 ) 建立或导入几何模型 ( 2 ) 定义材料属性 ( 3 ) 划分网格建立有限元模型 2 施加载荷并求解 ( i ) 定义约束 ( 2 ) 施加载荷 ( 3 ) 设置分析选项并求解 3 查看分析结果 ( 1 ) 查看分析结果 ( 2 ) 检验分析结果( 验证结果是否正确) 从a n s y s 功能模块来看，分三部分： 1 前处理：前处理是指建立有限元模型的过程，它包括创建实体模型，定义单 元及材料属性，划分网格，修正模型等几项内容。a n s y s 的建模过程通过数学的方 式表达实体模型的几何参数，以此划分内部节点和单元，不仅如此，还可以在实体 模型边界上方便的施加载荷、定义约束。但是实体模型并不参与有限元分析。所有 施加在实体模型边界上的载荷或约束必须最终传递到有限元模型的节点上才能进 行求解。 2 求解器：经过实体建模、网格划分后，分析进入施加载荷求解系统方程获取 分析结果部分。a n s y s 分析中施加载荷需要根据载荷类型选择相应的加载方式。求 解器的功能是求解关于结构自由度的线性矩阵，需要花费的时间根据自由度的多少 变化，具体的时间由所用计算机速度决定。 3 后处理：求解完成后，进入后处理查看分析结果是否合理。所谓后处理就是 查看和分析有限元的计算结果。a n s y s 针对不同类型的问题结果后处理提供了两种 后处理器：通用后处理器和时间一历程后处理器。 华北电力大学硕士学位论文 ( 1 ) 通用后处理器( b p p o s t l ) ：只能查看模型的某一时刻的分析结果。 ( 2 ) 时间一历程后处理器( 即p o s t 2 6 ) ：可以观察模型在不同时刻的分析结果， 常用于处理瞬态和或动力分析结果。 3 2 2a n s y s 中动力学分析方法 动力学是用来分析确定惯性( 质量效应) 和阻尼起重要作用时，结构或者构件 动力学特性的技术“。 一般动力学特性主要指以下几个方面中的一种或者多种类型： 1 振动特性，即结果的振动方式和振动频率。 2 随周期性变化载荷的效应，即施加周期性变化载荷时结构的位移和应力的相 应情况。 3 周期振动或者随机载荷的效应，主要指结构受周期性载荷或者随机载荷时的 变化规律。 动力学分析可以分为以下几种类型：