【摘要】：振動直接影響到設備的噪音、可靠性、壽命甚至經(jīng)濟性,是旋轉機械一項重要的研究內容。因此,在對旋轉部件進行設計時,需要考慮其動力學特性。不論是啟動、停機,還是正常運行,保持所有監(jiān)測點的振動不超過安全水平都非常重要。如果振動超限,將引起軸承損耗加快、動靜部件之間碰磨等故障,進而引發(fā)災難性后果。此外,劇烈振動還會對基礎結構產生不利的影響。 轉子的柔度、質量分布、支撐剛度和工作轉速決定了轉子的殘余不平衡質量能否形成激振源,也就是說,這些因素決定了轉子是否存在低于工作轉速一階或更多自然頻率。若轉子工作轉速高于一階或更多自然頻率,則轉子被稱為撓性轉子。對于撓性轉子,在升轉速或降轉速過程中,轉子會通過相應的臨界轉速,此時質量不平衡會以一階或更多共振頻率的形式產生可能激發(fā)共振的激振力。臨界轉速下的模態(tài)(被稱作共振振型),也由轉子和軸承支撐特性決定。隨著汽輪機向著緊湊型、大型化的方向發(fā)展,絕大多數(shù)現(xiàn)代汽輪機的轉子都被設計成工作轉速高于臨界轉速的撓性轉子。 一般地,振動可以被分為彎曲振動和扭振振動兩大類。 在彎曲振動特性方面,國內外的研究都起步較早,也比較深入。目前國內外學者的研究主要集中在以下幾個方面：轉子動力學的研究方法、轉子動力學特性的計算方法、轉子-軸承動力系統(tǒng)的不平衡響應、故障轉子的動力特性、轉子動力系統(tǒng)的穩(wěn)定性、機電耦合特性等。 近幾十年來,隨著計算機運算能力的提升,有限元方法已經(jīng)成為轉子-軸承系統(tǒng)靜力學和動力學分析的標準方法。 雖然對于大多數(shù)旋轉機械,轉軸彎曲(拱起、下垂)很小,在實際計算中可以忽略不計,但是對于電廠汽輪機和擁有較長機間軸的長軸機械而言,不得不考慮轉軸彎曲的影響。在正常運行工況下,轉軸發(fā)生彎曲可能有以下原因：負載快速變化導致的熱應力分布不均、轉子局部的冷卻和加熱、動靜部件碰磨、轉軸剛度的變化,等等。由彎曲轉軸產生的振動響應與質量不平衡產生的振動響應類似,都與速度的平方成正比,但振幅和相位角略有不同。轉軸彎曲可能在運輸、安裝或運行的過程中產生。轉軸有彎曲時不僅會產生強烈振動,還會在運行過程中對相關部件產生很大的應力,甚至引起災難性的后果。事實證明,汽輪發(fā)電機組軸系彎曲及扭轉振動事故所產生的損失都很大。因此,研究彎曲轉軸的振動特性非常重要。 在故障轉子的動力特性研究領域：現(xiàn)有研究成果顯示：采用剛性支撐的撓性轉子在軸承處的振動不大,因為剛性支撐提供了必要的緩沖和阻尼。但是,相反的情況(剛性轉子支撐在柔性軸承上)在轉子動力學中更常見,也就是說,轉軸的彎曲勢能對轉子的彎曲振動特性有重要的影響,轉子的彎曲程度隨著轉速和軸承轉子剛度比的增加而增加。 此外,溫度變化對轉子的動力學特性有顯著的影響。當汽輪發(fā)電機運行時,主軸上的溫度分布不均勻,而不均勻的溫度分布將可能導致發(fā)電機繞組失效：當轉子加載時,會導致大軸彎曲變形。不均勻的熱應力分布還會引起材料屬性、剛度和阻尼分布不均,進而會在一定程度上影響轉子的振動特性,使轉子的臨界轉速和自振頻率因此變化。 在軸承穩(wěn)定性方面：在設計和運行階段,軸承系統(tǒng)的穩(wěn)定性是必須考慮的重要因素。轉子-軸承系統(tǒng)的很多不穩(wěn)定是由軸承參數(shù)設計不當或轉子內阻引起的。徑向軸承剛度矩陣的不對稱可能會引起不穩(wěn)定,特別是對采用油膜軸承支撐的轉子來說這種現(xiàn)象更加嚴重。轉子系統(tǒng)具有內阻,設計者希望通過內阻減小振動的振幅。事實上,當轉速高于一階或更多臨界轉速時,轉子內阻會引起不穩(wěn)定。轉子粘性阻尼會使對應于各共振頻率的特征根發(fā)生分離,即某個特征根更大、其他特征根更小。當轉速足夠大時,內阻會使至少一個特征根變得非常大以至于引起不穩(wěn)定。 在機電耦合振動方面,通過分析轉子的振動,可獲取由質量不平衡和其他外力壓力的彎曲變形,此時有必要計算出由此引起的機械應力。轉子旋轉時會產生離心力,而后者會形成環(huán)向應力和徑向應力。轉子的彎曲變形和扭轉變形會產生彎曲應力和剪切應力。這些應力會影響轉子的動力特性。正常運行時,轉子上的這些應力往往可以會被忽略,但是在事故工況下,這些應力將是災難性故障的主要原因。以剪切應力為例,轉子設計制造者需要首先對轉軸的扭轉振動特性進行分析,以便得到轉軸的剪切應力。目前通用的方法是在轉軸上的相關部位施加預估的激振力以獲得轉軸上的扭矩分布,然后再計算得到各軸段的應力,最后將計算得到的應力與材料的許用應力相比較,以評估轉子的疲勞損傷。 相對于典型的彎曲振動而言,扭轉振動的阻尼很小,因此扭轉振動可能在毫無預警的情況下導致嚴重的轉子故障：當扭轉振動沒有與彎曲振動耦合時,運行人員是無法觀測到扭轉振動故障信息的,因此轉子可能長時間運行于扭轉振動狀態(tài)下,由此而產生的材料疲勞會在轉子上形成裂紋,最終導致毫無預警的轉子斷裂。運行實踐證明,汽輪發(fā)電機軸系的扭振事故破壞力巨大：如1985年中國大同電廠和1988年秦嶺電廠的200MW汽輪發(fā)電機組的嚴重斷軸毀機事故,都造成了巨大的經(jīng)濟損失。 然而,與彎曲振動相比,目前國內外學者關于軸系扭轉振動特性的研究相對薄弱。特別是在彎扭耦合振動方面,由于在理論方面涉及到解耦計算,故成果有限。 對于振動值的大小有國際標準、國家標準加以限制,但是作為控制振動值最基本的要素是：比較精確地確定單轉子及軸系的臨界轉速和相應振型,使機組能比較順利地通過轉子在工作轉速以下的各階臨界轉速,然后再對不同工況下特別是甩負荷工況下的振動值進行控制,確保機組和電網(wǎng)安全。此外,在研究轉子彎曲振動特性時,綜合考慮了溫度、轉動慣量、陀螺效應和轉速的影響。 當前,在各大電網(wǎng)中的主力機組呈現(xiàn)出向大容量、高參數(shù)方向發(fā)展的特點。近年來,由于1000MW超臨界機組具有高效、節(jié)能和環(huán)保的優(yōu)勢,其得到了迅速的發(fā)展。盡管1000MW超臨界機組轉子的機械性能、安裝精度和機組的運行維護水平也得到了相應的改善和提高,但是由于其軸系具有結構復雜、軸承數(shù)多、軸系長度長和支撐剛度低等特點,軸系振動仍然是這種類型機組失效的主要原因。 從目前中國大陸已經(jīng)投入運行的1000MW超超臨界汽輪發(fā)電機組的運行情況看,這些機組不同程度地存在振動超標的問題。特別是隨著1000MW機組在電網(wǎng)中比例的增加,其振動問題也日顯突出。所以,研究汽輪發(fā)電機組軸系的彎曲及扭轉振動特性不僅關系到大型汽輪發(fā)電機組能否長期穩(wěn)定、安全運行,而且關系到大電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性。因此迫切需要對其進行研究。 本文在總結國內外大量文獻資料的基礎上,從轉子彎曲及扭轉振動的基本理論和數(shù)學模型出發(fā),以某型1000MW超超臨界汽輪發(fā)電機組軸系為例,分別研究了其彎曲振動的動力學特性、扭轉振動的動力學特性、轉子穩(wěn)定性以及轉子強度等內容,主要研究成果包括： 1)針對某型1000MW超超臨界汽輪發(fā)電機組軸系,采用目前轉子動力學分析中最通用的有限元(FEM)方法,利用該軟件中的Shaft-line模型,對所研究軸系進行了全尺寸建模：該軸系由5個轉子(包括高壓轉子-HP、中壓轉子-IP、低壓A轉子-LPA、低壓B轉子-LPB、和發(fā)電機轉子-GEN)組成,5個轉子通過聯(lián)軸器剛性連接成軸系,軸系總長度達到54.652m,而總重量達到約300噸。 2)分析了1000MW超臨界汽輪發(fā)電機軸系的動力學特性,獲得了彎曲振動和扭轉振動的自然頻率、模態(tài)振型、臨界轉速等主要軸承特性。在此基礎上,對于各向同性和各向異性軸承系統(tǒng),分別分析了由轉軸彎曲所引起的不平衡響應。計算結果顯示,由質量不平衡激發(fā)的振動特性與轉軸彎曲激發(fā)的振動特性幾乎一樣,兩者的振動響應幾乎一樣,很難區(qū)分出振動響應是由質量不平衡激發(fā)的還是有轉軸彎曲激發(fā)的。如果轉子的不平衡渦動是由轉軸彎曲而激發(fā),其特征是只能在某一個轉速下對轉子的該階振動進行平衡以消除渦動,如果轉子在其他轉速運行,又會產生新的不平衡渦動。研究發(fā)現(xiàn),對于各向同性的軸承系統(tǒng),轉軸彎曲只會產生于轉速同步的激振力,即產生正進動(同步渦動),并且軸心軌跡呈圓形；對于各向異性的軸承系統(tǒng),轉軸彎曲不僅會產生正進動(同步渦動),同時會產生反進動(異步渦動),此時的軸心軌跡呈橢圓形. 對于扭轉振動,論文還研究了機組軸系在發(fā)生電氣故障時的扭矩響應。研究結果表明：當出現(xiàn)電氣故障時,低壓轉子和電機轉子間聯(lián)軸器上的扭矩最大,也就是說,發(fā)生電氣故障時上述部位最可能出現(xiàn)裂紋或斷裂。 3)在轉子振動的敏感性方面,論文先研究了軸系的彎曲振動和扭轉振動特性對其熱狀態(tài)的敏感性。本文分析了在實際運行工況下,當材料的溫度在20-570℃之間的范圍變化時,軸系的彎曲振動和扭轉振動特性對熱狀態(tài)的敏感性,主要考慮了溫度變化導致的材料屬性變化對振動特性的影響,溫度升高導致材料屬性的變化,進而影響臨界轉速。結果表明：該型汽輪發(fā)電機組的高中壓轉子和低壓轉子的彎曲振動模態(tài)對溫度的變化非常敏感,最高值約為73%；而該軸系扭振模態(tài)對溫度的敏感性則較小,最大值約為4%。其次,論文還分析研究了彎曲振動臨界轉速對軸承剛度的敏感性。研究結果表明：軸承剛度的增加會導致自然頻率非線性的增長,其中一階頻率最為敏感。當軸承剛度增加到足夠大時,自然頻率不再改變,此時的自然頻率是振動頻率的上限。對于扭轉振動,通過改變一些力學參數(shù)來分析自然頻率的敏感性,當改變轉子的剛度和慣量將對扭轉振動特性產生直接的影響。可以通過改變轉軸的截面結構調整轉子自然頻率以避免扭轉振動共振,也就是說,可以通過調整結構尺寸,比如聯(lián)軸器、連接軸,或者改變某段軸的直徑方便地調整汽輪機轉子的頻率。研究結果表明：相較熱狀態(tài),扭轉振動頻率對結構參數(shù)更敏感。 4)研究分析了滑動軸承和轉子內阻導致的不穩(wěn)定性。在滑動軸承中,在軸頸和軸瓦間隙里存在一層油膜,轉子的旋轉在油膜中形成油壓,油壓與不平衡力和重力相平衡。結果顯示,軸承不對稱的剛度矩陣和阻尼矩陣都會引起轉子不穩(wěn)定。阻尼通常被認為會.減小振動的振幅,但本文對1000MW撓性轉子的分析表明,當轉子轉速超過臨界轉速時,轉子的內阻會引起不穩(wěn)定。 5)本文通過ANSYS軟件對全尺寸轉子進行建模,并計算得到相關應力,進而確定了轉子上的危險區(qū)域。結果表明,在正常運行期間,軸系因彎曲振動和扭轉振動引起的變形都很小,此時的動應力也很小。剪切應力主要集中在幾何突變的區(qū)域,最大應力出現(xiàn)在聯(lián)軸器上。相對轉子主體,由于聯(lián)軸器的剛度更小,因此,當機組出現(xiàn)扭振故障時,聯(lián)軸器將最先斷裂。 針對1000MW超超臨界汽輪發(fā)電機組轉子動力學行為,本文通過研究溫度效應對轉子振動特性的影響以及轉子穩(wěn)定性問題等,取得如下創(chuàng)新性成果： 1)研究了該轉子振動特性對溫度效應的敏感性。研究發(fā)現(xiàn)：與其他階次相比,第四階和第五階彎曲振動振型對溫度更加敏感,其原因是高中壓轉子的工作問題很高；彎曲振動特性對溫度的敏感性(最高達到73.66%)要比扭轉振動特性高。 2)通過改變軸承參數(shù),研究該轉子振動特性對支持剛度的敏感性。研究成果顯示：與支撐在剛性軸承上的轉子相比,支撐在彈性軸承上的轉子對軸承參數(shù)的變化更加敏感；同時,隨軸承剛度的變化,臨界轉速可能升高也可能降低。 3)研究了滑動軸承油膜剛度和內阻尼對轉子失穩(wěn)定特性的影響。研究發(fā)現(xiàn)：軸承的交叉剛度變化和內阻尼變化都將引起撓性轉子的失穩(wěn)定. 4)在研究轉子動力學特性時,首次綜合考慮了回轉力矩、剪切模量、轉動慣量、溫度作用等因素對軸系振動響應的影響。 研究成果具有重要的學術價值,并對1000MW超超臨界汽輪發(fā)電機組的設計制造和調試運行具有一定的參考價值和指導意義。
【圖文】：

圖.貝伸窄叫睜，，叻問

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【學位授予單位】：武漢大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TM311

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