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        汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)與轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析

        2018-08-20 09:53:36代有為
        山東工業(yè)技術(shù) 2018年13期
        關(guān)鍵詞:汽輪機(jī)動(dòng)力學(xué)

        代有為

        摘 要:本論文討論了幾種典型的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)現(xiàn)象,由于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的外力,機(jī)械外力,電力外力,流體外力等。強(qiáng)迫振動(dòng)分為同步振動(dòng)和異步振動(dòng),轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)對(duì)于一些振動(dòng)模式,耦合振動(dòng)的響應(yīng)特性可以從非耦合振動(dòng)急劇地改變。

        關(guān)鍵詞:汽輪機(jī);轉(zhuǎn)子;動(dòng)力學(xué)

        DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.13.044

        強(qiáng)迫振動(dòng)分為同步振動(dòng)和異步振動(dòng)。同步振動(dòng)定義為外力頻率為整數(shù)的振動(dòng)。典型的同步振動(dòng)是轉(zhuǎn)子質(zhì)量分布不均勻引起的振動(dòng)。如果外力的頻率與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān),則振動(dòng)被稱(chēng)為異步振動(dòng)。自激振動(dòng)是由各種機(jī)制引起的,在這些機(jī)制中,周?chē)黧w或旋轉(zhuǎn)機(jī)械的能量被不斷地轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子的振動(dòng)能量,在轉(zhuǎn)子上施加永恒力。典型的自激振動(dòng)類(lèi)型是油鞭和蒸汽旋渦。本論文討論了幾種典型的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)現(xiàn)象。

        1 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)的分類(lèi)

        汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子強(qiáng)迫振動(dòng)是由外力引起的,外力可分為以下五種類(lèi)型:

        (1)由于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的外力(由于轉(zhuǎn)子的不平衡、彎曲等);

        (2)機(jī)械外力(來(lái)自齒輪、其他連接機(jī)械等);

        (3)電力外力(來(lái)自電機(jī)、發(fā)電機(jī)等);

        (4)流體外力(由于控制級(jí)葉片的流動(dòng)擾動(dòng)等);

        (5)其他的(例如地震產(chǎn)生的外力)。

        2 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的強(qiáng)迫振動(dòng)

        2.1 振動(dòng)是由于轉(zhuǎn)子不平衡

        這種振動(dòng)是由質(zhì)量不平衡(軸向和切向方向轉(zhuǎn)子質(zhì)量分布的不平衡)引起的,而在實(shí)際轉(zhuǎn)子上觀(guān)察到的大部分振動(dòng)都是廣義上的振動(dòng)。根據(jù)Q因子準(zhǔn)則設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子,并適當(dāng)平衡轉(zhuǎn)子,可以防止不平衡振動(dòng)。 雖然設(shè)計(jì)和平衡轉(zhuǎn)子的技術(shù)已經(jīng)有了很好的發(fā)展,但在這一領(lǐng)域中遇到的大多數(shù)振動(dòng)問(wèn)題仍然與廣義上的不平衡振動(dòng)有關(guān)。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡振動(dòng)的典型類(lèi)型如下:

        2.2 轉(zhuǎn)子幾何誤差引起的不平衡振動(dòng)

        在像汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子一樣由剛性法蘭聯(lián)軸器連接的轉(zhuǎn)子中,即使每個(gè)轉(zhuǎn)子都是平衡的,在現(xiàn)場(chǎng)組裝整個(gè)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)后,有時(shí)也會(huì)觀(guān)察到不平衡振動(dòng)。 在制造過(guò)程中做得很好,這不僅是因?yàn)檗D(zhuǎn)子在磁場(chǎng)中的支承條件與后加工試驗(yàn)中的支承條件不同,而且也是因?yàn)檗D(zhuǎn)子自體的誤差。換句話(huà)說(shuō),如果一個(gè)轉(zhuǎn)子有表面偏轉(zhuǎn)或在聯(lián)軸器偏離中心,轉(zhuǎn)子是由耦合轉(zhuǎn)子彎曲初始彎曲, 在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生頻率相等的強(qiáng)迫振動(dòng)。

        轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)子的速度。汽輪發(fā)電機(jī)在聯(lián)軸器處有面偏轉(zhuǎn)的頻率響應(yīng)的例子,結(jié)果表明,這種偏轉(zhuǎn)引起的頻率響應(yīng) 與通常的質(zhì)量不平衡所造成的有很大不同。在汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)中,應(yīng)確定端面撓度或聯(lián)軸器偏離中心的可接受誤差。

        2.3 熱彎曲振動(dòng)

        由于熱彎曲引起的典型振動(dòng)之一有時(shí)被稱(chēng)為“彎曲轉(zhuǎn)子”振動(dòng)。當(dāng)高溫轉(zhuǎn)子停止工作一段時(shí)間后,轉(zhuǎn)子很大的不平衡。這種現(xiàn)象叫做彎轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子彎曲的原因是熱氣體聚集在轉(zhuǎn)子的上部,轉(zhuǎn)子由于溫度的升高而彎曲。 轉(zhuǎn)子上、下兩面之間的差異,通過(guò)在冷卻過(guò)程中轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子,使轉(zhuǎn)子在圓周方向均勻冷卻,可以防止彎曲轉(zhuǎn)子。

        過(guò)度不平衡的振動(dòng)有時(shí)會(huì)發(fā)生在轉(zhuǎn)子摩擦固定物體,如密封,或油投擲器。這種振動(dòng)被稱(chēng)為由旋轉(zhuǎn)引起的熱彎曲振動(dòng)。 托爾摩擦,或紐基爾克效應(yīng)。在熱彎曲振動(dòng)中,不穩(wěn)定振動(dòng)有時(shí)會(huì)增加,并最終達(dá)到極限環(huán)。在這種情況下,振動(dòng)的振幅與頻率轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速周期性變化。在某些情況下,這段時(shí)間可能是幾天,而在其他情況下,則不到1秒。在這種情況下,極限環(huán)的周期約為20小時(shí),而振動(dòng)的軌跡會(huì)產(chǎn)生一個(gè)環(huán),中心對(duì)應(yīng)于一定的振.動(dòng),這一現(xiàn)象是由熱彎曲引起的不平衡與轉(zhuǎn)子響應(yīng)方向之間的相位差引起的。例如,在臨界速度下, 振動(dòng)幅值的相位從轉(zhuǎn)子不平衡的方向延遲90。因此,轉(zhuǎn)子的“熱點(diǎn)”(摩擦點(diǎn))逐漸向圓周方向移動(dòng)。 和轉(zhuǎn)子在定子的整個(gè)周長(zhǎng)上摩擦。如果不摩擦不平衡響應(yīng)的方向與熱彎曲引起的響應(yīng)方向一致,則振動(dòng)的振幅變得很大。如果不摩擦不平衡響應(yīng)的方向與熱彎曲引起的響應(yīng)方向相反,則振動(dòng)的振幅變小。同時(shí),在轉(zhuǎn)子上觀(guān)察到振動(dòng)幅值的周期性變化。

        由于極限環(huán)的周期和轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性取決于輸入和散熱,轉(zhuǎn)子的熱容量,臨界轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等,目前尚不可能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)極限環(huán)的周期。然而,對(duì)轉(zhuǎn)子定子摩擦引起的熱彎曲振動(dòng)的對(duì)策很簡(jiǎn)單:這種振動(dòng),通??梢酝ㄟ^(guò)增加摩擦點(diǎn)與定子之間的間隙,在拆卸轉(zhuǎn)子后,確定摩擦的位置來(lái)固化。這種振動(dòng)也可由軸頸軸承中轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)引起,稱(chēng)為Morton效應(yīng)。Morton效應(yīng)是由熱點(diǎn)引起的。 轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)對(duì)于一些振動(dòng)模式,耦合振動(dòng)的響應(yīng)特性可以從非耦合振動(dòng)急劇地改變。

        2.4 流體擾動(dòng)引起的振動(dòng)

        在部分進(jìn)氣操作下,在控制階段產(chǎn)生的流體擾動(dòng)會(huì)隨機(jī)激發(fā)轉(zhuǎn)子。通常,第一彎曲模式是由這樣的隨機(jī)激勵(lì)力主導(dǎo)的, 當(dāng)隨機(jī)激勵(lì)力很大時(shí),轉(zhuǎn)子振動(dòng)就會(huì)變得明顯。因此,轉(zhuǎn)子的大部分隨機(jī)振動(dòng)可以通過(guò)去除或減少不期望的隨機(jī)振動(dòng)來(lái)治愈激發(fā)力。另外,增加轉(zhuǎn)子阻尼是減小轉(zhuǎn)子對(duì)隨機(jī)激勵(lì)響應(yīng)的另一有效對(duì)策。

        由于部分進(jìn)位操作不僅在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生隨機(jī)的激勵(lì)力,而且改變了軸承的載荷,導(dǎo)致了轉(zhuǎn)子的動(dòng)態(tài)特性(剛度和阻尼)的變化方位。因此,在高壓汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)中,有必要評(píng)估部分進(jìn)氣操作對(duì)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的影響。

        3 結(jié)論

        綜上所述,振動(dòng)是由于轉(zhuǎn)子不平衡,在汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)中,應(yīng)確定端面撓度或聯(lián)軸器偏離中心的可接受誤差,通過(guò)在冷卻過(guò)程中轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子,使轉(zhuǎn)子在圓周方向均勻冷卻,可以防止彎曲轉(zhuǎn)子,在高壓汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)中,有必要評(píng)估部分進(jìn)氣操作對(duì)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的影響。

        參考文獻(xiàn):

        [1]盛步云,張濤,丁毓峰等.支承剛度對(duì)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性的影響分析[M].機(jī)械設(shè)計(jì),2008,12(25):28-32.

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