陳非+張柏林+李明+曹浩

摘 要：本文以現(xiàn)代轉(zhuǎn)子動力學理論為基礎(chǔ)，應用動力縮減有限元技術(shù)修正傳統(tǒng)的建模、加載及邊界條件設(shè)置方法，深入挖掘600MW機組低壓轉(zhuǎn)子振型畸變的產(chǎn)生機理，為該類型機組的振動故障處理及安全穩(wěn)定運行提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：汽輪機；低壓轉(zhuǎn)子；臨界轉(zhuǎn)速；振型

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.19.245

0 概述

省內(nèi)某新建電廠1號機組汽輪機為哈爾濱汽輪機有限責任公司制造的CLN660-24.2/566/566型超臨界、一次中間再熱、三缸四排汽、單軸、雙背壓、凝汽式汽輪機。高中壓轉(zhuǎn)子和1號低壓轉(zhuǎn)子之間裝有剛性的法蘭聯(lián)軸器。1號低壓轉(zhuǎn)子和2號低壓轉(zhuǎn)子通過中間軸剛性聯(lián)接，2號低壓轉(zhuǎn)子和發(fā)電機轉(zhuǎn)子通過聯(lián)軸器剛性聯(lián)接。汽輪發(fā)電機組整個軸系由9個支持軸承支撐。其中高中壓缸和低壓缸共六個支持軸承為四瓦塊可傾瓦；發(fā)電機兩個軸承采用上半一塊、下半兩塊可傾瓦端蓋式軸承。軸段及軸系臨界轉(zhuǎn)速設(shè)計值見表1。

1 低壓轉(zhuǎn)子基本振動特性

該機組在2011年整套啟動期間發(fā)現(xiàn)沖轉(zhuǎn)過程中1、2號低壓轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)速實際值1105～1200r/min，低于設(shè)計值，當轉(zhuǎn)速達到2500r/min附近時也存在共振峰值，而在2900r/min以后振動隨轉(zhuǎn)速升高而快速上升，類似于進入共振區(qū)域的特征，出現(xiàn)了5、6瓦振動超標嚴重，且為同相振動的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象在同類型的其它機組中較少出現(xiàn)過，依據(jù)制造廠提供的設(shè)計數(shù)據(jù)看，這種現(xiàn)象不應該出現(xiàn)，若仍以轉(zhuǎn)子二階模態(tài)振型來解釋，則會產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子動力學理論相悖的情況，5、6瓦振動超標嚴重，且為同相振動，除非振型發(fā)生了畸變，現(xiàn)場進行了多次動平衡處理，受加重面限制，均無法消除振動，因此考慮該低壓轉(zhuǎn)子在工作轉(zhuǎn)速附近發(fā)生了振型畸變問題。要消除工作轉(zhuǎn)速下的振動必須采取對稱加重的方式，且加重量很大，在主跨內(nèi)兩端加重，導致一階臨界時振動惡化，在外伸端加重又導致相鄰轉(zhuǎn)子振動惡化?；谝陨弦蛩睾同F(xiàn)象，本文以現(xiàn)代轉(zhuǎn)子動力學理論為基礎(chǔ)，應用動力縮減有限元技術(shù)修正傳統(tǒng)的建模、加載及邊界條件設(shè)置方法，分析轉(zhuǎn)子的實際支承剛度，深入挖掘600MW機組低壓轉(zhuǎn)子振型畸變的產(chǎn)生機理，為該類型機組的振動故障處理及安全穩(wěn)定運行提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

2 轉(zhuǎn)子建模及計算方法的選取

2.1 建模方法的選取

幾何模型是汽輪機轉(zhuǎn)子幾何尺寸的直接表達形式，涵蓋了整個轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)特征。幾何模型的建立分為三種類型：一維模型、二維模型和三維模型[1-2]。二維建模時采用轉(zhuǎn)子的軸向截面作為幾何建模依據(jù)，幾乎不存在假設(shè)，可以真實的描述轉(zhuǎn)子截面屬性。該建模方法可將UG圖直接導入，幾乎不存在假設(shè)，且建模速度快，計算速度比一維模型慢，但比三維模型快，計算精度較一維模型高，也不比三維模型低，因此該類建模方法在轉(zhuǎn)子動力學分析中廣泛采用[3]。

2.2 計算方法的選取

動力學縮減有限元方法可以將二維的幾何模型轉(zhuǎn)化為三維的動力學有限元模型，圓周方向采用傅里葉級數(shù)等效化方法，減少了網(wǎng)格的剖分，從計算精度上來講可以滿足轉(zhuǎn)子動力學分析，而又不像直接建立三維模型那樣龐大的網(wǎng)格單元而導致計算資源的浪費，因此在本文中使用ANSYS軟件，通過動力縮減有限元方法進行低壓轉(zhuǎn)子的動力學計算。

3 低壓轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速及模態(tài)振型

3.1 幾何建模

根據(jù)國產(chǎn)超臨界600MW低壓2號轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，建立該轉(zhuǎn)子的二維幾何模型如圖1所示。

3.2 動力縮減有限元轉(zhuǎn)子動力學模型

對2號低壓轉(zhuǎn)子及整個軸系的幾何模型進行網(wǎng)格劃分，采用軸對稱8節(jié)點實體單元對轉(zhuǎn)軸和葉輪進行網(wǎng)格劃分。在葉輪的重心位置節(jié)點賦以集中質(zhì)量單元，用來模擬葉片質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量，經(jīng)過網(wǎng)格劃分后二維幾何模型變?yōu)槿S有限元動力學模型，接著采用2維軸承單元進行模化，該單元通過4個剛度和4個阻尼系數(shù)來等效軸承力，并且這8個系數(shù)可與轉(zhuǎn)速關(guān)聯(lián)。

3.3 邊界條件與載荷

（1）邊界條件：轉(zhuǎn)子在軸頸處無軸向位移，可以繞軸旋轉(zhuǎn)；軸承座處節(jié)點約束定義為全約束，具體邊界條件如圖2所示。

（2）不平衡量：輸入的不平衡量=質(zhì)量*半徑，施加位置為軸心質(zhì)量點處，分為Y（實值）方向和Z（虛值）方向，通過這兩個方向來控制不平衡載荷相位。根據(jù)現(xiàn)場提供的轉(zhuǎn)子不平衡量可知，低壓轉(zhuǎn)子主跨中部存在2.5kg.m的不平衡量，將其輸入到有限元模型中。

其中轉(zhuǎn)子的彈性模量為2.1e11MPa，泊松比為0.3，密度為7800kg/m3。

3.4 臨界轉(zhuǎn)速的計算

應用有限元法分析轉(zhuǎn)子振動問題的動力學方程如下所示。假如有限元中轉(zhuǎn)子具有N個節(jié)點，則系統(tǒng)的位移向量為：

根據(jù)式（6），可求出矩陣的特征值ω，即轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速，而特征值對應的特征向量即為轉(zhuǎn)子的模態(tài)振型。

根據(jù)低壓轉(zhuǎn)子及軸系的有限元模型，結(jié)合軸承動力學參數(shù)可以計算出2號低壓轉(zhuǎn)子各階臨界轉(zhuǎn)速：2號低壓轉(zhuǎn)子在單跨時一階臨界轉(zhuǎn)速為1220r/min，二階臨界轉(zhuǎn)速為3060r/min，三階臨界轉(zhuǎn)速為4207r/min。

通過一維幾何模型（工程經(jīng)驗法）計算，可以得出2號低壓轉(zhuǎn)子在單跨時一階臨界轉(zhuǎn)速為1540r/min，二階臨界轉(zhuǎn)速為3445r/min，三階臨界轉(zhuǎn)速為4772r/min。，對比表1可知，通過這種模型計算出的臨界轉(zhuǎn)速與制造廠提供的臨界轉(zhuǎn)速相符，因此可以判斷制造廠在計算該機組的臨界轉(zhuǎn)速和模態(tài)振型時采用了該建模方法。

根據(jù)工程經(jīng)驗法建立的模型與實體模型對比可知，工程經(jīng)驗法所建立的模型求取的前三階臨界轉(zhuǎn)速要高于實體模型所求取的臨界轉(zhuǎn)速，其中第一階和第二階相差約300r/min，第三階相差約500r/min。通過與現(xiàn)場實際臨界轉(zhuǎn)速進行對比，可以發(fā)現(xiàn)實體模型的計算結(jié)果更接近于現(xiàn)場實際，而制造廠所提供的各階臨界轉(zhuǎn)速普遍偏高。由此也可知道，在工作轉(zhuǎn)速及超速試驗時機組低壓轉(zhuǎn)子發(fā)生了振型畸變，主要以第三階模態(tài)振型發(fā)生振動。

4 結(jié)束語

本文以現(xiàn)代轉(zhuǎn)子動力學理論為基礎(chǔ)，應用動力縮減有限元技術(shù)修正傳統(tǒng)的建模、加載及邊界條件設(shè)置方法，并對比機組實測數(shù)據(jù)驗證了修正方法的正確性，進一步提高動力學模型的精確性。并且在研究中發(fā)現(xiàn)，在工作轉(zhuǎn)速及超速試驗時機組低壓轉(zhuǎn)子發(fā)生了振型畸變，主要以第三階模態(tài)振型發(fā)生振動，為該類型機組的振動故障振動及安全穩(wěn)定運行提供了理論依據(jù)和技術(shù)支持。

參考文獻：

[1]曾嫣，樊久明等.汽輪機轉(zhuǎn)子動力學建模[J].電站系統(tǒng)工程，2017，23（04）：27-28.

[2]甕雷，楊自春等.轉(zhuǎn)子系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速計算及不平衡響應分析[J].四川兵工學報，2013，33（11）：65-69.

[3]楊永鋒，任興民等.國外轉(zhuǎn)子動力學研究綜述[J].機械科學與技術(shù)，2011，30（10）：1775-1780.

作者簡介：陳非（1979-），男，高工，主要研究方向：電力設(shè)備信息融合故障診斷技術(shù)。