【摘要】：振動直接影響到設(shè)備的噪音、可靠性、壽命甚至經(jīng)濟(jì)性,是旋轉(zhuǎn)機(jī)械一項重要的研究內(nèi)容。因此,在對旋轉(zhuǎn)部件進(jìn)行設(shè)計時,需要考慮其動力學(xué)特性。不論是啟動、停機(jī),還是正常運(yùn)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(jìn)而引發(fā)災(zāi)難性后果。此外,劇烈振動還會對基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利的影響。 轉(zhuǎn)子的柔度、質(zhì)量分布、支撐剛度和工作轉(zhuǎn)速決定了轉(zhuǎn)子的殘余不平衡質(zhì)量能否形成激振源,也就是說,這些因素決定了轉(zhuǎn)子是否存在低于工作轉(zhuǎn)速一階或更多自然頻率。若轉(zhuǎn)子工作轉(zhuǎn)速高于一階或更多自然頻率,則轉(zhuǎn)子被稱為撓性轉(zhuǎn)子。對于撓性轉(zhuǎn)子,在升轉(zhuǎn)速或降轉(zhuǎn)速過程中,轉(zhuǎn)子會通過相應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)速,此時質(zhì)量不平衡會以一階或更多共振頻率的形式產(chǎn)生可能激發(fā)共振的激振力。臨界轉(zhuǎn)速下的模態(tài)(被稱作共振振型),也由轉(zhuǎn)子和軸承支撐特性決定。隨著汽輪機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)子都被設(shè)計成工作轉(zhuǎn)速高于臨界轉(zhuǎn)速的撓性轉(zhuǎn)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(nèi)外的研究都起步較早,也比較深入。目前國內(nèi)外學(xué)者的研究主要集中在以下幾個方面：轉(zhuǎn)子動力學(xué)的研究方法、轉(zhuǎn)子動力學(xué)特性的計算方法、轉(zhuǎn)子-軸承動力系統(tǒng)的不平衡響應(yīng)、故障轉(zhuǎn)子的動力特性、轉(zhuǎn)子動力系統(tǒng)的穩(wěn)定性、機(jī)電耦合特性等。 近幾十年來,隨著計算機(jī)運(yùn)算能力的提升,有限元方法已經(jīng)成為轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)靜力學(xué)和動力學(xué)分析的標(biāo)準(zhǔn)方法。 雖然對于大多數(shù)旋轉(zhuǎn)機(jī)械,轉(zhuǎn)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(jī)和擁有較長機(jī)間軸的長軸機(jī)械而言,不得不考慮轉(zhuǎn)軸彎曲的影響。在正常運(yùn)行工況下,轉(zhuǎn)軸發(fā)生彎曲可能有以下原因：負(fù)載快速變化導(dǎo)致的熱應(yīng)力分布不均、轉(zhuǎn)子局部的冷卻和加熱、動靜部件碰磨、轉(zhuǎn)軸剛度的變化,等等。由彎曲轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生的振動響應(yīng)與質(zhì)量不平衡產(chǎn)生的振動響應(yīng)類似,都與速度的平方成正比,但振幅和相位角略有不同。轉(zhuǎn)軸彎曲可能在運(yùn)輸、安裝或運(yùn)行的過程中產(chǎn)生。轉(zhuǎn)軸有彎曲時不僅會產(chǎn)生強(qiáng)烈振動,還會在運(yùn)行過程中對相關(guān)部件產(chǎn)生很大的應(yīng)力,甚至引起災(zāi)難性的后果。事實證明,汽輪發(fā)電機(jī)組軸系彎曲及扭轉(zhuǎn)振動事故所產(chǎn)生的損失都很大。因此,研究彎曲轉(zhuǎn)軸的振動特性非常重要。 在故障轉(zhuǎn)子的動力特性研究領(lǐng)域：現(xiàn)有研究成果顯示：采用剛性支撐的撓性轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子支撐在柔性軸承上)在轉(zhuǎn)子動力學(xué)中更常見,也就是說,轉(zhuǎn)軸的彎曲勢能對轉(zhuǎn)子的彎曲振動特性有重要的影響,轉(zhuǎn)子的彎曲程度隨著轉(zhuǎn)速和軸承轉(zhuǎn)子剛度比的增加而增加。 此外,溫度變化對轉(zhuǎn)子的動力學(xué)特性有顯著的影響。當(dāng)汽輪發(fā)電機(jī)運(yùn)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(dǎo)致發(fā)電機(jī)繞組失效：當(dāng)轉(zhuǎn)子加載時,會導(dǎo)致大軸彎曲變形。不均勻的熱應(yīng)力分布還會引起材料屬性、剛度和阻尼分布不均,進(jìn)而會在一定程度上影響轉(zhuǎn)子的振動特性,使轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速和自振頻率因此變化。 在軸承穩(wěn)定性方面：在設(shè)計和運(yùn)行階段,軸承系統(tǒng)的穩(wěn)定性是必須考慮的重要因素。轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的很多不穩(wěn)定是由軸承參數(shù)設(shè)計不當(dāng)或轉(zhuǎn)子內(nèi)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(zhuǎn)子來說這種現(xiàn)象更加嚴(yán)重。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)具有內(nèi)阻,設(shè)計者希望通過內(nèi)阻減小振動的振幅。事實上,當(dāng)轉(zhuǎn)速高于一階或更多臨界轉(zhuǎn)速時,轉(zhuǎn)子內(nèi)阻會引起不穩(wěn)定。轉(zhuǎn)子粘性阻尼會使對應(yīng)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(dāng)轉(zhuǎn)速足夠大時,內(nèi)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(jī)電耦合振動方面,通過分析轉(zhuǎn)子的振動,可獲取由質(zhì)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(jī)械應(yīng)力。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生離心力,而后者會形成環(huán)向應(yīng)力和徑向應(yīng)力。轉(zhuǎn)子的彎曲變形和扭轉(zhuǎn)變形會產(chǎn)生彎曲應(yīng)力和剪切應(yīng)力。這些應(yīng)力會影響轉(zhuǎn)子的動力特性。正常運(yùn)行時,轉(zhuǎn)子上的這些應(yīng)力往往可以會被忽略,但是在事故工況下,這些應(yīng)力將是災(zāi)難性故障的主要原因。以剪切應(yīng)力為例,轉(zhuǎn)子設(shè)計制造者需要首先對轉(zhuǎn)軸的扭轉(zhuǎn)振動特性進(jìn)行分析,以便得到轉(zhuǎn)軸的剪切應(yīng)力。目前通用的方法是在轉(zhuǎn)軸上的相關(guān)部位施加預(yù)估的激振力以獲得轉(zhuǎn)軸上的扭矩分布,然后再計算得到各軸段的應(yīng)力,最后將計算得到的應(yīng)力與材料的許用應(yīng)力相比較,以評估轉(zhuǎn)子的疲勞損傷。 相對于典型的彎曲振動而言,扭轉(zhuǎn)振動的阻尼很小,因此扭轉(zhuǎn)振動可能在毫無預(yù)警的情況下導(dǎo)致嚴(yán)重的轉(zhuǎn)子故障：當(dāng)扭轉(zhuǎn)振動沒有與彎曲振動耦合時,運(yùn)行人員是無法觀測到扭轉(zhuǎn)振動故障信息的,因此轉(zhuǎn)子可能長時間運(yùn)行于扭轉(zhuǎn)振動狀態(tài)下,由此而產(chǎn)生的材料疲勞會在轉(zhuǎn)子上形成裂紋,最終導(dǎo)致毫無預(yù)警的轉(zhuǎn)子斷裂。運(yùn)行實踐證明,汽輪發(fā)電機(jī)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(jī)組的嚴(yán)重斷軸毀機(jī)事故,都造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。 然而,與彎曲振動相比,目前國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于軸系扭轉(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)、國家標(biāo)準(zhǔn)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(zhuǎn)子及軸系的臨界轉(zhuǎn)速和相應(yīng)振型,使機(jī)組能比較順利地通過轉(zhuǎn)子在工作轉(zhuǎn)速以下的各階臨界轉(zhuǎn)速,然后再對不同工況下特別是甩負(fù)荷工況下的振動值進(jìn)行控制,確保機(jī)組和電網(wǎng)安全。此外,在研究轉(zhuǎn)子彎曲振動特性時,綜合考慮了溫度、轉(zhuǎn)動慣量、陀螺效應(yīng)和轉(zhuǎn)速的影響。 當(dāng)前,在各大電網(wǎng)中的主力機(jī)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(jī)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(jī)組轉(zhuǎn)子的機(jī)械性能、安裝精度和機(jī)組的運(yùn)行維護(hù)水平也得到了相應(yīng)的改善和提高,但是由于其軸系具有結(jié)構(gòu)復(fù)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(jī)組失效的主要原因。 從目前中國大陸已經(jīng)投入運(yùn)行的1000MW超超臨界汽輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行情況看,這些機(jī)組不同程度地存在振動超標(biāo)的問題。特別是隨著1000MW機(jī)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(jī)組軸系的彎曲及扭轉(zhuǎn)振動特性不僅關(guān)系到大型汽輪發(fā)電機(jī)組能否長期穩(wěn)定、安全運(yùn)行,而且關(guān)系到大電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性。因此迫切需要對其進(jìn)行研究。 本文在總結(jié)國內(nèi)外大量文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上,從轉(zhuǎn)子彎曲及扭轉(zhuǎn)振動的基本理論和數(shù)學(xué)模型出發(fā),以某型1000MW超超臨界汽輪發(fā)電機(jī)組軸系為例,分別研究了其彎曲振動的動力學(xué)特性、扭轉(zhuǎn)振動的動力學(xué)特性、轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性以及轉(zhuǎn)子強(qiáng)度等內(nèi)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(jī)組軸系,采用目前轉(zhuǎn)子動力學(xué)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(jìn)行了全尺寸建模：該軸系由5個轉(zhuǎn)子(包括高壓轉(zhuǎn)子-HP、中壓轉(zhuǎn)子-IP、低壓A轉(zhuǎn)子-LPA、低壓B轉(zhuǎn)子-LPB、和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子-GEN)組成,5個轉(zhuǎn)子通過聯(lián)軸器剛性連接成軸系,軸系總長度達(dá)到54.652m,而總重量達(dá)到約300噸。 2)分析了1000MW超臨界汽輪發(fā)電機(jī)軸系的動力學(xué)特性,獲得了彎曲振動和扭轉(zhuǎn)振動的自然頻率、模態(tài)振型、臨界轉(zhuǎn)速等主要軸承特性。在此基礎(chǔ)上,對于各向同性和各向異性軸承系統(tǒng),分別分析了由轉(zhuǎn)軸彎曲所引起的不平衡響應(yīng)。計算結(jié)果顯示,由質(zhì)量不平衡激發(fā)的振動特性與轉(zhuǎn)軸彎曲激發(fā)的振動特性幾乎一樣,兩者的振動響應(yīng)幾乎一樣,很難區(qū)分出振動響應(yīng)是由質(zhì)量不平衡激發(fā)的還是有轉(zhuǎn)軸彎曲激發(fā)的。如果轉(zhuǎn)子的不平衡渦動是由轉(zhuǎn)軸彎曲而激發(fā),其特征是只能在某一個轉(zhuǎn)速下對轉(zhuǎn)子的該階振動進(jìn)行平衡以消除渦動,如果轉(zhuǎn)子在其他轉(zhuǎn)速運(yùn)行,又會產(chǎn)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(zhuǎn)軸彎曲只會產(chǎn)生于轉(zhuǎn)速同步的激振力,即產(chǎn)生正進(jìn)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(zhuǎn)軸彎曲不僅會產(chǎn)生正進(jìn)動(同步渦動),同時會產(chǎn)生反進(jìn)動(異步渦動),此時的軸心軌跡呈橢圓形. 對于扭轉(zhuǎn)振動,論文還研究了機(jī)組軸系在發(fā)生電氣故障時的扭矩響應(yīng)。研究結(jié)果表明：當(dāng)出現(xiàn)電氣故障時,低壓轉(zhuǎn)子和電機(jī)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)振動特性對其熱狀態(tài)的敏感性。本文分析了在實際運(yùn)行工況下,當(dāng)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(zhuǎn)振動特性對熱狀態(tài)的敏感性,主要考慮了溫度變化導(dǎo)致的材料屬性變化對振動特性的影響,溫度升高導(dǎo)致材料屬性的變化,進(jìn)而影響臨界轉(zhuǎn)速。結(jié)果表明：該型汽輪發(fā)電機(jī)組的高中壓轉(zhuǎn)子和低壓轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速對軸承剛度的敏感性。研究結(jié)果表明：軸承剛度的增加會導(dǎo)致自然頻率非線性的增長,其中一階頻率最為敏感。當(dāng)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(zhuǎn)振動,通過改變一些力學(xué)參數(shù)來分析自然頻率的敏感性,當(dāng)改變轉(zhuǎn)子的剛度和慣量將對扭轉(zhuǎn)振動特性產(chǎn)生直接的影響�？梢酝ㄟ^改變轉(zhuǎn)軸的截面結(jié)構(gòu)調(diào)整轉(zhuǎn)子自然頻率以避免扭轉(zhuǎn)振動共振,也就是說,可以通過調(diào)整結(jié)構(gòu)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(diào)整汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的頻率。研究結(jié)果表明：相較熱狀態(tài),扭轉(zhuǎn)振動頻率對結(jié)構(gòu)參數(shù)更敏感。 4)研究分析了滑動軸承和轉(zhuǎn)子內(nèi)阻導(dǎo)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(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)在油膜中形成油壓,油壓與不平衡力和重力相平衡。結(jié)果顯示,軸承不對稱的剛度矩陣和阻尼矩陣都會引起轉(zhuǎn)子不穩(wěn)定。阻尼通常被認(rèn)為會.減小振動的振幅,但本文對1000MW撓性轉(zhuǎn)子的分析表明,當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過臨界轉(zhuǎn)速時,轉(zhuǎn)子的內(nèi)阻會引起不穩(wěn)定。 5)本文通過ANSYS軟件對全尺寸轉(zhuǎn)子進(jìn)行建模,并計算得到相關(guān)應(yīng)力,進(jìn)而確定了轉(zhuǎn)子上的危險區(qū)域。結(jié)果表明,在正常運(yùn)行期間,軸系因彎曲振動和扭轉(zhuǎn)振動引起的變形都很小,此時的動應(yīng)力也很小。剪切應(yīng)力主要集中在幾何突變的區(qū)域,最大應(yīng)力出現(xiàn)在聯(lián)軸器上。相對轉(zhuǎn)子主體,由于聯(lián)軸器的剛度更小,因此,當(dāng)機(jī)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(jī)組轉(zhuǎn)子動力學(xué)行為,本文通過研究溫度效應(yīng)對轉(zhuǎn)子振動特性的影響以及轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性問題等,取得如下創(chuàng)新性成果： 1)研究了該轉(zhuǎn)子振動特性對溫度效應(yīng)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(zhuǎn)子的工作問題很高；彎曲振動特性對溫度的敏感性(最高達(dá)到73.66%)要比扭轉(zhuǎn)振動特性高。 2)通過改變軸承參數(shù),研究該轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子相比,支撐在彈性軸承上的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速可能升高也可能降低。 3)研究了滑動軸承油膜剛度和內(nèi)阻尼對轉(zhuǎn)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(nèi)阻尼變化都將引起撓性轉(zhuǎn)子的失穩(wěn)定. 4)在研究轉(zhuǎn)子動力學(xué)特性時,首次綜合考慮了回轉(zhuǎn)力矩、剪切模量、轉(zhuǎn)動慣量、溫度作用等因素對軸系振動響應(yīng)的影響。 研究成果具有重要的學(xué)術(shù)價值,并對1000MW超超臨界汽輪發(fā)電機(jī)組的設(shè)計制造和調(diào)試運(yùn)行具有一定的參考價值和指導(dǎo)意義。
【圖文】：

圖.貝伸窄叫睜，，叻問

圖.貝伸窄叫睜，叻問
【學(xué)位授予單位】：武漢大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TM311

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