發(fā)布時(shí)間：2020-02-15 22:45

【摘要】：振動(dòng)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(xiàng)重要的研究?jī)?nèi)容。因此,在對(duì)旋轉(zhuǎn)部件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),需要考慮其動(dòng)力學(xué)特性。不論是啟動(dòng)、停機(jī),還是正常運(yùn)行,保持所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)不超過(guò)安全水平都非常重要。如果振動(dòng)超限,將引起軸承損耗加快、動(dòng)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(dòng)還會(huì)對(duì)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?zèng)Q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(shuō),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(chēng)為撓性轉(zhuǎn)子。對(duì)于撓性轉(zhuǎn)子,在升轉(zhuǎn)速或降轉(zhuǎn)速過(guò)程中,轉(zhuǎn)子會(huì)通過(guò)相應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)速,此時(shí)質(zhì)量不平衡會(huì)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(chēng)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(jì)成工作轉(zhuǎn)速高于臨界轉(zhuǎn)速的撓性轉(zhuǎn)子。 一般地,振動(dòng)可以被分為彎曲振動(dòng)和扭振振動(dòng)兩大類(lèi)。 在彎曲振動(dòng)特性方面,國(guó)內(nèi)外的研究都起步較早,也比較深入。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究主要集中在以下幾個(gè)方面：轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的研究方法、轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性的計(jì)算方法、轉(zhuǎn)子-軸承動(dòng)力系統(tǒng)的不平衡響應(yīng)、故障轉(zhuǎn)子的動(dòng)力特性、轉(zhuǎn)子動(dòng)力系統(tǒng)的穩(wěn)定性、機(jī)電耦合特性等。 近幾十年來(lái),隨著計(jì)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(dòng)力學(xué)分析的標(biāo)準(zhǔn)方法。 雖然對(duì)于大多數(shù)旋轉(zhuǎn)機(jī)械,轉(zhuǎn)軸彎曲(拱起、下垂)很小,在實(shí)際計(jì)算中可以忽略不計(jì),但是對(duì)于電廠汽輪機(jī)和擁有較長(zhǎng)機(jī)間軸的長(zhǎng)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(dòng)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(dòng)響應(yīng)與質(zhì)量不平衡產(chǎn)生的振動(dòng)響應(yīng)類(lèi)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(guò)程中產(chǎn)生。轉(zhuǎn)軸有彎曲時(shí)不僅會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng),還會(huì)在運(yùn)行過(guò)程中對(duì)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(shí)證明,汽輪發(fā)電機(jī)組軸系彎曲及扭轉(zhuǎn)振動(dòng)事故所產(chǎn)生的損失都很大。因此,研究彎曲轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)特性非常重要。 在故障轉(zhuǎn)子的動(dòng)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(dòng)不大,因?yàn)閯傂灾翁峁┝吮匾木彌_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(dòng)力學(xué)中更常見(jiàn),也就是說(shuō),轉(zhuǎn)軸的彎曲勢(shì)能對(duì)轉(zhuǎn)子的彎曲振動(dòng)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(duì)轉(zhuǎn)子的動(dòng)力學(xué)特性有顯著的影響。當(dāng)汽輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí),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(shí),會(huì)導(dǎo)致大軸彎曲變形。不均勻的熱應(yīng)力分布還會(huì)引起材料屬性、剛度和阻尼分布不均,進(jìn)而會(huì)在一定程度上影響轉(zhuǎn)子的振動(dòng)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(jì)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(jì)不當(dāng)或轉(zhuǎn)子內(nèi)阻引起的。徑向軸承剛度矩陣的不對(duì)稱(chēng)可能會(huì)引起不穩(wěn)定,特別是對(duì)采用油膜軸承支撐的轉(zhuǎn)子來(lái)說(shuō)這種現(xiàn)象更加嚴(yán)重。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)具有內(nèi)阻,設(shè)計(jì)者希望通過(guò)內(nèi)阻減小振動(dòng)的振幅。事實(shí)上,當(dāng)轉(zhuǎn)速高于一階或更多臨界轉(zhuǎn)速時(shí),轉(zhuǎn)子內(nèi)阻會(huì)引起不穩(wěn)定。轉(zhuǎn)子粘性阻尼會(huì)使對(duì)應(yīng)于各共振頻率的特征根發(fā)生分離,即某個(gè)特征根更大、其他特征根更小。當(dāng)轉(zhuǎn)速足夠大時(shí),內(nèi)阻會(huì)使至少一個(gè)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(dòng)方面,通過(guò)分析轉(zhuǎn)子的振動(dòng),可獲取由質(zhì)量不平衡和其他外力壓力的彎曲變形,此時(shí)有必要計(jì)算出由此引起的機(jī)械應(yīng)力。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生離心力,而后者會(huì)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(huì)產(chǎn)生彎曲應(yīng)力和剪切應(yīng)力。這些應(yīng)力會(huì)影響轉(zhuǎn)子的動(dòng)力特性。正常運(yùn)行時(shí),轉(zhuǎn)子上的這些應(yīng)力往往可以會(huì)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(jì)制造者需要首先對(duì)轉(zhuǎn)軸的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)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(jì)算得到各軸段的應(yīng)力,最后將計(jì)算得到的應(yīng)力與材料的許用應(yīng)力相比較,以評(píng)估轉(zhuǎn)子的疲勞損傷。 相對(duì)于典型的彎曲振動(dòng)而言,扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的阻尼很小,因此扭轉(zhuǎn)振動(dòng)可能在毫無(wú)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(dòng)沒(méi)有與彎曲振動(dòng)耦合時(shí),運(yùn)行人員是無(wú)法觀測(cè)到扭轉(zhuǎn)振動(dòng)故障信息的,因此轉(zhuǎn)子可能長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行于扭轉(zhuǎn)振動(dòng)狀態(tài)下,由此而產(chǎn)生的材料疲勞會(huì)在轉(zhuǎn)子上形成裂紋,最終導(dǎo)致毫無(wú)預(yù)警的轉(zhuǎn)子斷裂。運(yùn)行實(shí)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(guó)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?cái)噍S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(dòng)相比,目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)特性的研究相對(duì)薄弱。特別是在彎扭耦合振動(dòng)方面,由于在理論方面涉及到解耦計(jì)算,故成果有限。 對(duì)于振動(dòng)值的大小有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)加以限制,但是作為控制振動(dòng)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(guò)轉(zhuǎn)子在工作轉(zhuǎn)速以下的各階臨界轉(zhuǎn)速,然后再對(duì)不同工況下特別是甩負(fù)荷工況下的振動(dòng)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(dòng)特性時(shí),綜合考慮了溫度、轉(zhuǎn)動(dòng)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(diǎn)。近年來(lái),由于1000MW超臨界機(jī)組具有高效、節(jié)能和環(huán)保的優(yōu)勢(shì),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(zhǎng)度長(zhǎng)和支撐剛度低等特點(diǎn),軸系振動(dòng)仍然是這種類(lèi)型機(jī)組失效的主要原因。 從目前中國(guó)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(dòng)超標(biāo)的問(wèn)題。特別是隨著1000MW機(jī)組在電網(wǎng)中比例的增加,其振動(dòng)問(wèn)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(dòng)特性不僅關(guān)系到大型汽輪發(fā)電機(jī)組能否長(zhǎng)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(duì)其進(jìn)行研究。 本文在總結(jié)國(guó)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(dòng)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(dòng)的動(dòng)力學(xué)特性、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的動(dòng)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(duì)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(dòng)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(duì)所研究軸系進(jìn)行了全尺寸建模：該軸系由5個(gè)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(gè)轉(zhuǎn)子通過(guò)聯(lián)軸器剛性連接成軸系,軸系總長(zhǎng)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(dòng)力學(xué)特性,獲得了彎曲振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)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(duì)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(jì)算結(jié)果顯示,由質(zhì)量不平衡激發(fā)的振動(dòng)特性與轉(zhuǎn)軸彎曲激發(fā)的振動(dòng)特性幾乎一樣,兩者的振動(dòng)響應(yīng)幾乎一樣,很難區(qū)分出振動(dòng)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(dòng)是由轉(zhuǎn)軸彎曲而激發(fā),其特征是只能在某一個(gè)轉(zhuǎn)速下對(duì)轉(zhuǎn)子的該階振動(dòng)進(jìn)行平衡以消除渦動(dòng),如果轉(zhuǎn)子在其他轉(zhuǎn)速運(yùn)行,又會(huì)產(chǎn)生新的不平衡渦動(dòng)。研究發(fā)現(xiàn),對(duì)于各向同性的軸承系統(tǒng),轉(zhuǎn)軸彎曲只會(huì)產(chǎn)生于轉(zhuǎn)速同步的激振力,即產(chǎn)生正進(jìn)動(dòng)(同步渦動(dòng)),并且軸心軌跡呈圓形；對(duì)于各向異性的軸承系統(tǒng),轉(zhuǎn)軸彎曲不僅會(huì)產(chǎn)生正進(jìn)動(dòng)(同步渦動(dòng)),同時(shí)會(huì)產(chǎn)生反進(jìn)動(dòng)(異步渦動(dòng)),此時(shí)的軸心軌跡呈橢圓形. 對(duì)于扭轉(zhuǎn)振動(dòng),論文還研究了機(jī)組軸系在發(fā)生電氣故障時(shí)的扭矩響應(yīng)。研究結(jié)果表明：當(dāng)出現(xiàn)電氣故障時(shí),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(shuō),發(fā)生電氣故障時(shí)上述部位最可能出現(xiàn)裂紋或斷裂。 3)在轉(zhuǎn)子振動(dòng)的敏感性方面,論文先研究了軸系的彎曲振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)特性對(duì)其熱狀態(tài)的敏感性。本文分析了在實(shí)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(shí),軸系的彎曲振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)特性對(duì)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(duì)振動(dòng)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(dòng)模態(tài)對(duì)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(duì)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(dòng)臨界轉(zhuǎn)速對(duì)軸承剛度的敏感性。研究結(jié)果表明：軸承剛度的增加會(huì)導(dǎo)致自然頻率非線性的增長(zhǎng),其中一階頻率最為敏感。當(dāng)軸承剛度增加到足夠大時(shí),自然頻率不再改變,此時(shí)的自然頻率是振動(dòng)頻率的上限。對(duì)于扭轉(zhuǎn)振動(dòng),通過(guò)改變一些力學(xué)參數(shù)來(lái)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(duì)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)特性產(chǎn)生直接的影響�？梢酝ㄟ^(guò)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(dòng)共振,也就是說(shuō),可以通過(guò)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(dòng)頻率對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)更敏感。 4)研究分析了滑動(dòng)軸承和轉(zhuǎn)子內(nèi)阻導(dǎo)致的不穩(wěn)定性。在滑動(dòng)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(duì)稱(chēng)的剛度矩陣和阻尼矩陣都會(huì)引起轉(zhuǎn)子不穩(wěn)定。阻尼通常被認(rèn)為會(huì).減小振動(dòng)的振幅,但本文對(duì)1000MW撓性轉(zhuǎn)子的分析表明,當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過(guò)臨界轉(zhuǎn)速時(shí),轉(zhuǎn)子的內(nèi)阻會(huì)引起不穩(wěn)定。 5)本文通過(guò)ANSYS軟件對(duì)全尺寸轉(zhuǎn)子進(jìn)行建模,并計(jì)算得到相關(guān)應(yīng)力,進(jìn)而確定了轉(zhuǎn)子上的危險(xiǎn)區(qū)域。結(jié)果表明,在正常運(yùn)行期間,軸系因彎曲振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)引起的變形都很小,此時(shí)的動(dòng)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(duì)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(shí),聯(lián)軸器將最先斷裂。 針對(duì)1000MW超超臨界汽輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)行為,本文通過(guò)研究溫度效應(yīng)對(duì)轉(zhuǎn)子振動(dòng)特性的影響以及轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性問(wèn)題等,取得如下創(chuàng)新性成果： 1)研究了該轉(zhuǎn)子振動(dòng)特性對(duì)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(dòng)振型對(duì)溫度更加敏感,其原因是高中壓轉(zhuǎn)子的工作問(wèn)題很高；彎曲振動(dòng)特性對(duì)溫度的敏感性(最高達(dá)到73.66%)要比扭轉(zhuǎn)振動(dòng)特性高。 2)通過(guò)改變軸承參數(shù),研究該轉(zhuǎn)子振動(dòng)特性對(duì)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(duì)軸承參數(shù)的變化更加敏感；同時(shí),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(dòng)軸承油膜剛度和內(nèi)阻尼對(duì)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(dòng)力學(xué)特性時(shí),首次綜合考慮了回轉(zhuǎn)力矩、剪切模量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、溫度作用等因素對(duì)軸系振動(dòng)響應(yīng)的影響。 研究成果具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值,并對(duì)1000MW超超臨界汽輪發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)制造和調(diào)試運(yùn)行具有一定的參考價(jià)值和指導(dǎo)意義。
【圖文】：

圖.貝伸窄叫睜，，叻問(wèn)

圖.貝伸窄叫睜，叻問(wèn)
【學(xué)位授予單位】：武漢大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類(lèi)號(hào)】：TM311

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本文編號(hào)：2579945