基于Ansys的汽轮机转子动平衡一次加准法研究

第57卷第3期2015年6月汽轮机技术TURBINETECHNOLOGYV0157NO3JUN2015基于ANSYS的汽轮机转子动平衡一次加准法研究唐贵基，张文德，李琨。，宗鹏程，黄伟，张家伟1华北电力大学，保定071003，2河北省电力科学研究院，石家庄050021；3河北兴泰发电有限责任公司，邢台054000；4河北华电石家庄鹿华热电有限公司，石家庄050000摘要针对目前汽轮机转子动平衡技术需要多次加重试车的不足，提出了一种基于ANSYS的一次加准动平衡方法。建立有限元模型时，考虑到油膜刚度和阻尼的影响，以COMBI214单元模拟滑动轴承支撑结构，运用ANSYS的瞬态动力学分析功能，在转子上施加虚拟不平衡质量，通过转子的幅频、相频响应图，根据动平衡理论得到转子的影响系数，为一次加准法提供一定的依据。最后，通过计算影响系数的相对误差率并与设计参数进行对比，证明本方法的可行性与有效性。关键词高压转子；ANSYS；不平衡质量；一次加准法；动平衡分类号TK263文献标识码A文章编号10015884201503018944ADYNAMICBALANCEMETHODRESEARCHFORSTEAMTURBINEROTORBASEDONANSYSTANGGUIJI，ZHANGWENDE，LIKUN，ZONGPENGCHENG，HUANGWEI，ZHANGJIAWEI1NOAHCHINAELECTRICPOWERUNIVERSITY，BAODING071003，CHINA；2HEBEIELECTRICPOWERRESEARCHINSTITUTE，SHIAZHUANG050021，CHINA；3HEBEIXINGTAIPOWERGENERATIONCO，LTD，XINGTAI054000，CHINA；4HEBEIHUADIANSHIAZHUANGLUHUAPOWERGENERATIONCO，LTD，SHIAZHUANG050000，CHINAABSTRACTINMOSTBALANCINGPROCEDURESCURRENTLYINUSE，TESTWEIGHTSANDRUNSAREREQUIREDFORTHECALCULATIONOFCORRECTIONMASSESTOOVERCOMETHISSHORTCOMING，ANEWROTORBALANCINGMETHODWITHOUTTESTWEIGHTSBASEDONANSYSWASRESEARCHEDINVIEWOFTHE0ILFILMSSTIFFNESSANDDAMPINGTHISPAPERSELECTSTHECOMBI214ASTHESLIDINGBEARINGWHENTHEMODELISESTABLISHEDUSINGOFTHEANSYSTRANSIENTDYNAMICSFUNCTION，BYADDINGVIRTUALUNBALANCINGMASS，THEINFLUENCECOEFFICIENTCANBEGOTTENTHROUGHTHEAMPLITUDEEQUENCYRESPONSEDIAGRAMANDPHASEREQUENCYRESPONSEDIAGRAM，WHICHPROVIDESACERTAINBASISFORBALANCINGMETHODWITHOUTTESTWEIGHTATLAST，THECOMPARISONBETWEENINFLUENCECOEFFICIENTBYTHISMETHODANDDESIGNPARAMETERPROVESTHEVALIDANDSUPERIORITYOFTHISMETHODKEYWORDSHIGHPRESSURECYLINDERROTOR；ANSYS；UNBALANCENLASS；BALANCINGMETHODWITHOUTTESTWEIGHT；DYNAMICBALANCE0前言汽轮发电机组中，轴系的基础、轴承、转子系统的动特性参数直接影响着汽轮发电机组的安全运行，并且动特性参数直接关系到启机时冲临界方案的确定。因此，准确测得汽轮机组的各动特性参数对汽轮机的安全有效运行有着重要的意义。轴系的动特性参数中，临界转速和其对应的各阶振型是最重要的参数。传统计算轴系临界转速的方法为传递矩阵法，不仅编程工作量大、计算复杂，且因其建立的模型与实际运行的机组偏差较大，所以计算结果也不一定令人满意。因此，基于有限元的轴系动特性分析方法被越来越多的人关注_4J。汽轮机在长期运行和大修过后，往往会出现机组振动幅值较大的情况，严重影响了汽轮机的正常工作。引起汽轮机、动静碰磨、汽流激振、联轴器不对中、转子中心孔进油等。近年来，许多专家和学者对国产600MW机组轴系的各种问题进行了系统的研究，据不完全统计，目前国产600MW机组中有90以上的轴系振动故障都是依靠现场动平衡加以解决的。但是，目前多数动平衡方法都要求转子多次加重试车，先棍据施加配重的质量、相位及其响应计算出影响系数，再根据机组初始振动数据计算出合理的配重质量和方位，这无疑加大了动平衡的时间和费用，因此研究一种无试重的一次动平衡方法对于降低费用和保证汽轮机安全有效运行有重要的意义。1挠性转子影响系数动平衡法理论分析由文献8，9可知，对于被平衡的转子，基本可以确定如下参数平衡时需要考虑的测点数N；转子上用来加平衡重的平面数M。设各测点在特定转速下的原始振动为AA加、A此处所表示的变量均为矢量，下同。O为在平面收稿日期20140726作者简介唐贵基1962，男，山东人，博士，教授，主要研究方向为设备状态监测与故障诊断、大型汽轮发电机组次同步谐振及扭转振动。第3期唐贵基等基于ANSYS的汽轮机转子动平衡一次加准法研究191由图4和表1可知，高压转子一阶振型为沿竖直方向的上下波动；二阶振型为沿着水平方向的左右摆动；三阶振型为沿着竖直方向的弯曲摆动；四阶振型为沿水平方向的弯曲摆动。该汽轮机转子的前6阶临界转速分别为148050RMIN、203760RMIN、336960RMIN483152RMIN702900RMIN、762480RMIN。该机组正常工作的转速为3000RMIN，因此，该机组在启动升转速时，要经过两个临界转速区，此时振动幅值会明显增大，所以应快速通过临界转速区，确保转子安全运行。当达到第三阶临界转速时，其临界转速已经超过转子的额定工作转速3000RMIN，因一般不会达到这些转速，故其振动的大小对机组的影响也就不需要做太多的考虑。3基于ANSYS的一次加准动平衡法探讨由动平衡的机理出发，目前转子动平衡技术通常运用振型平衡法和影响系数法，因影响系数法不同于模态平衡中对各阶振型的分解和按阶平衡过程，只需要求解这个系统的输入与输出构成的传递函数，进而以最小输出为目标，求得最佳的加重质量。本文从ANSYS的角度出发，通过建立高压转子的有限元模型，应用ANSYS的结构分析功能，通过对旋转机械的某一个位置施加不平衡质量，进而在模拟旋转机械旋转时，通过ANSYS的瞬态动力学分析功能，得出旋转机械某一点的不平衡响应曲线，通过施加不平衡质量前后旋转机械的振动响应曲线及虚拟施加到旋转机械上的质量和其相位可以计算出其影响系数，从而当机组振动较大并通过分析认为是由不平衡质量引起时，通过测量其振动的BODE图和频谱图，得到振动的幅值和相位，再利用ANSYS得到的机组影响系数，得出平衡不平衡量所需要施加配重的质量及方向。这样就能避免多次启动造成的能源浪费。更加有效快速的通过动平衡降低汽轮机的振动。以下研究基于上述600MW汽轮机高压转子，高压转子以3000RMIN的额定转速工作，两次模拟分别在高压转子模型的节点18处施加100G120。的不平衡质量和节点34处施加500GL150。的不平衡量。用ANSYS模拟高压转子的额定转速工作状况，得到部分节点处的不平衡响应的振动幅频图和相频图，如图5图8所示。由图5图8中节点响应的幅频图和相频图可以知道，昌量图5加重节点为18，加重质量为100GL120。部分节点处的振动幅频图昌点J四、图6加重节点为34，加重质量为500GL150。部分节点处的振动幅频图1814_。卜_。E一361图7加重节点18，加重为100G_120。部分节点处的振动相位图1一141134卜_、_一36I图8加重节点34，加重为500G150。部分节点处的振动相位图无论是哪个节点的响应图，其振动幅值并非是恒定不变的，而是随着转速的升高或缓慢或快速的变化。振动幅值在24HZ和35HZ左右均出现了峰值，对比上述高压转子的固有频率可知，24675HZ和33960HZ为转子的一阶固有频率和二阶固有频率，所以在升转速时，通过临界转速时振动幅值增大且对应的相频曲线中相位也发生了突然的变化属于过临界时的正常现象；与模拟滑动轴承的COMBI214相连接的节点3和节点50的振动幅值随转速的变化也基本与其它节点的振动响应趋势相似，但其幅值却小于其它节点的振动幅值，这是因为在滑动轴承处，由于油膜的存在且油泵打入轴承的油压较大，可以缓冲一定的振动，因此在滑动轴承处的振动幅值相对于其它节点处要小一些。假定高压转子不存在不平衡量时，节点的振动幅值和相位值均为0，根据图5图8中施加的节点不平衡量和对应的响应曲线。参照影响系数法动平衡理论可以计算出相应的影响系数。加重节点为L8，不平衡质量为100G120。，得出影响系如惦宝O0O00000000192汽轮机技术第57卷数为101M348。01MROGMR至加重节点为34，不平衡质量为500G150。，得出影响系数为501XM4。01TXM亏丽RGMLR1通过比较。和得出，影响系数中的幅值影响度两者是相等的，这也从侧面反映了模拟的正确性，比较二者的相位影响度，。相对OT2的误差率为上654，相对于的误差率为上614。通过上述求得的结果可知，两个影响系数相差不大，最大的相对误差率为654。通过与厂家给出的影响系数比较，误差均在5之内。这说明模型的建立及动平衡理论的应用相对合理。虽不能单凭这一方法确定轴系动平衡所加配重的质量及方位，但这可以提供一个很有参考意义的数值，为一次加准法动平衡提供有效依据。4结论在分析了当前主流600MW机组高压转子动态特性的基础上，提出了一种基于ANSYS的汽轮机转子动平衡一次加准法。利用ANSYS建立高压转子的有限元模型，基于软件的瞬态动力学分析功能，通过在转子上虚拟施加不平衡质量，得到相应的振动响应的幅频图和相频图，利用影响系数法计算出对应不平衡质量下的影响系数，并比较了不同不平衡质量下影响系数的相对误差率，最后与相关厂家给出的影响系数相比较，发现误差在5之内。因而可以得到以下结论I在对汽轮机转子进行建模时，对于滑动轴承的建立，用两个COMBI214单元模拟，在对滑动轴承的刚度和阻尼进行设定时，由机组的实际工作状况计算得到，使模型的建立更加符合实际工作状况。2对于机组的启动过程，通过分析高压轴系的模态，可以使机组在启动过程中有效地避开临界转速，安全通过共振区。3本文所提出的基于ANSYS的一次加准法动平衡方法，通过在转子模型上施加不同的不平衡质量，计算出相应的影响系数，可以为机组动平衡提供一个很有参考意义的数值，为一次完成的配重施加提供有效依据。参考文献1李立波，邹本艳，李亚武，等1O00MW超超临界汽轮机低压转子高速动平衡研究J汽轮机技术，2012，5443173202龚建政，钟芳明，贺星，等利用ANSYS和坎贝尔图对燃气轮机压气机转子模态及临界转速的分析计算J现代制造工程，2012，473773何玉灵，娄源元，柳春成基于有限元的汽轮发电机转子动特性分析J设计与研究，2009，63614一L64冀成，杨兆建，庞新宇，等基于ANSYS旋转机械模块的转子动力特性分析J机械工程与自动化，2012，8173135何国安，闵昌发，张学延，等国产600MW汽轮发电机组轴系动平衡研究J动力工程学报，2012，3242822886钱广华转子无试重现场动平衡方法研究J机床与液压，2012，4O358617王四季，廖明夫转子现场动平衡技术研究J机械科学与技术，2005，1224151015138陆颂元汽轮发电机组振动M北京中国电力出版社，2O0O9施维新汽轮发电机组振动及事故M北京中国电力出版社，2008上接第188页础的设计，以消除机组设备质量引起基础固有在机组运行频率附近密集带来的隐患。4根据试验电厂机组的实际情况，机组在启动过程中会在500RMIN到600RMIN速度区间和2450RMIN的速度左右做短暂停留，由于前十阶振动的振动参与系数大，可能与基础的第1阶，第2阶模态频率和第10阶模态频率发生重叠，引起振动加剧，故在机组启动升速过程中应尽快通过基础的前十阶固有频率分布区域。参考文献1王希成底板厚度对汽轮机基础动力性能的影响J振动工程学报，1994，21501532梅德庆，何闻，陈子辰机组框架式基础动力特性对底板厚度的灵敏度分析J浙江大学学报工学版，2001，355583洪天华有限元软件在压缩机构架式基础动力分析中的应用J石油化工设计，2014，23538，424寇晓东，唐可，田彩军ALGO