高進(jìn)，郭勇，李溶江，何江南，陳延強(qiáng)

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽，618000)

0 引言

由于受排汽結(jié)構(gòu)的限制，大型汽輪機(jī)軸系轉(zhuǎn)子尤其是低壓轉(zhuǎn)子的外伸段較長(zhǎng)。具有長(zhǎng)外伸段或外伸段不長(zhǎng)但轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大的轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，外伸段容易發(fā)生變形，俗稱 “甩軸”現(xiàn)象， 會(huì)導(dǎo)致大的周期振動(dòng)[1-2]，給轉(zhuǎn)子廠內(nèi)高速動(dòng)平衡帶來困難[3-7]。解決辦法是在外伸段增加輔助支承[3-5]。由于輔助支承幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不少學(xué)者采用了三維有限元軟件分析其動(dòng)力學(xué)特性[8-12]。然而，工程實(shí)際中高速動(dòng)平衡試驗(yàn)臺(tái)需要進(jìn)行不同額定轉(zhuǎn)速汽輪機(jī)

作者簡(jiǎn)介：高進(jìn) （1985-），男，工學(xué)博士，工程師，主要從事旋轉(zhuǎn)機(jī)械的強(qiáng)度和振動(dòng)研究工作。轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡，其對(duì)輔助支承在不同試驗(yàn)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的動(dòng)力學(xué)特性有不同的要求。本文為350 t動(dòng)平衡試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)的輔助支承，其L型導(dǎo)軌水平向?qū)挾乳L(zhǎng)達(dá)6 600 mm。為了使輔助支承的重量輕且具有優(yōu)良動(dòng)力學(xué)特性，使其能滿足25 Hz、50 Hz和60 Hz轉(zhuǎn)子高速動(dòng)平衡試驗(yàn)，本文通過對(duì)公司已投運(yùn)的動(dòng)平衡試驗(yàn)臺(tái)輔助支承的計(jì)算模態(tài)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，并結(jié)合反饋的投運(yùn)情況，提出了輔助支承動(dòng)力特性的設(shè)計(jì)原則。同時(shí)，對(duì)新設(shè)計(jì)的350 t動(dòng)平衡試驗(yàn)臺(tái)輔助支承模態(tài)頻率和動(dòng)剛度進(jìn)行了三維有限元計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明設(shè)計(jì)的輔助支承結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的動(dòng)力學(xué)特性。

1 350 t動(dòng)平衡試驗(yàn)臺(tái)輔助支承設(shè)計(jì)方法

350 t動(dòng)平衡試驗(yàn)臺(tái)輔助支承中心高3 060 mm，較原250 t動(dòng)平衡試驗(yàn)臺(tái)輔助支承中心高增加510 mm，L型導(dǎo)軌水平向?qū)挾? 600 mm，較原250 t動(dòng)平衡試驗(yàn)臺(tái)輔助支承L型導(dǎo)軌水平向?qū)挾仍黾?60 mm，由于L型導(dǎo)軌水平向?qū)挾仍黾訉⒋蟠蠼档洼o助支承的天地方向剛度，所以350 t動(dòng)平衡試驗(yàn)臺(tái)輔助支承需要在原250 t動(dòng)平衡試驗(yàn)臺(tái)輔助支承結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行剛度加強(qiáng)。為了保證350 t動(dòng)平衡試驗(yàn)臺(tái)輔助支承既具有良好的動(dòng)力學(xué)特性又有較輕的重量，本文的設(shè)計(jì)方法是采用大量焊接的鏤空支承板作為天地方向和橫向的主要支承，在主體支承結(jié)構(gòu)確定后再通過改變支承板的厚度來調(diào)整輔助支承動(dòng)力學(xué)特性。為了方便更換軸承座部分，其與輔助支承主體的連接設(shè)計(jì)為可拆卸的螺栓連接結(jié)構(gòu)。

2 350 t動(dòng)平衡試驗(yàn)臺(tái)輔助支承計(jì)算模型

圖1是350 t動(dòng)平衡試驗(yàn)臺(tái)輔助支承三維模型，可見其主體的支承結(jié)構(gòu)采用了焊接的鏤空鋼板，本文采用三維有限元法對(duì)厚度分別為25 mm、28 mm和30 mm主支承鋼板方案的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了分析。輔助支承為碳鋼材質(zhì)，密度為7.85×103kg/m3，彈性模量取為 2.0×1011Pa，泊松比為0.3。

圖1 350 t動(dòng)平衡試驗(yàn)臺(tái)輔助支承模型

圖2為350 t動(dòng)平衡試驗(yàn)臺(tái)輔助支承的三維有限元模型，其同樣采用二次單元（20節(jié)點(diǎn)六面體及10節(jié)點(diǎn)四面體）進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

圖2 350 t動(dòng)平衡試驗(yàn)臺(tái)輔助支承有限元模型

3 模態(tài)計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 輔助支承模態(tài)頻率計(jì)算結(jié)果

350 t動(dòng)平衡試驗(yàn)臺(tái)輔助支承方案1～3的模態(tài)頻率計(jì)算值見表1，可見增加鋼板厚度可提高輔助支承各階模態(tài)頻率。

表1 350 t動(dòng)平衡試驗(yàn)臺(tái)輔助支承各階頻率

3.2 輔助支承模態(tài)頻率計(jì)算結(jié)果分析

為了避免輔助支承在試驗(yàn)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)發(fā)生共振，要求其模態(tài)頻率與工作轉(zhuǎn)速有合適的避開率。對(duì)于25 Hz、50 Hz和60 Hz轉(zhuǎn)子，考慮其超速120%，輔助支承模態(tài)頻率避開率為±10%時(shí)應(yīng)避開的頻率范圍如表2所示。

表2 25 Hz、50 Hz和60 Hz轉(zhuǎn)子輔助支承需避開的頻率范圍（設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子超速為120%，避開率為10%）單位：Hz

表3列出了已投運(yùn)的250 t動(dòng)平衡試驗(yàn)臺(tái)輔助支承（見圖3）前4階固有頻率及對(duì)應(yīng)的振型，可見計(jì)算值和實(shí)測(cè)值基本吻合。該已投運(yùn)的輔助支承的水平（124 Hz）和天地方向（96 Hz）模態(tài)頻率皆滿足1倍頻避開率，而水平方向模態(tài)頻率不滿足2倍頻避開率。而多年投運(yùn)情況表明，該輔助支承的動(dòng)力學(xué)特性優(yōu)良，并沒有出現(xiàn)明顯的水平方向2倍頻振動(dòng)，這是由于在高速動(dòng)平衡時(shí)，輔助支承上主要是水平和天地方向的1倍頻激勵(lì)，軸向和2倍頻激勵(lì)很小。可見，輔助支承的設(shè)計(jì)中最重要的原則是使水平和天地方向模態(tài)頻率符合1倍頻避開率。而從表1可見350 t動(dòng)平衡試驗(yàn)臺(tái)輔助支承各方案模態(tài)頻率都滿足上述原則。

圖3 已投運(yùn)的250 t動(dòng)平衡試驗(yàn)臺(tái)輔助支承

表3 已投運(yùn)250 t動(dòng)平衡試驗(yàn)臺(tái)輔助支承各階模態(tài)頻率值

4 輔助支承動(dòng)剛度分析

動(dòng)剛度是引起單位振幅所需要的動(dòng)態(tài)力，其表征結(jié)構(gòu)抵抗動(dòng)態(tài)交變外力產(chǎn)生變形的能力，是系統(tǒng)輸入和響應(yīng)的比值，與激勵(lì)形式無關(guān)。輔助支承本身的動(dòng)剛度特性直接影響著轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡試驗(yàn)及臨界轉(zhuǎn)速的測(cè)量，所以需要對(duì)其動(dòng)剛度進(jìn)行分析。

輔助支承的動(dòng)剛度分析通過三維有限元的諧響應(yīng)的分析得到，同樣采用圖2所示的有限元模型，在軸承座下半加載單位軸承載荷進(jìn)行諧響應(yīng)分析。分析中取計(jì)算頻率范圍為0～120 Hz，每隔1 Hz計(jì)算一次響應(yīng)。

350 t動(dòng)平衡試驗(yàn)臺(tái)輔助支承動(dòng)剛度幅值見圖4，可見天地方向動(dòng)剛度值大于水平方向。各方案水平和天地方向的動(dòng)剛度在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都大于1 GN/m，且剛度值穩(wěn)定，說明其動(dòng)剛度特性優(yōu)良。同時(shí)可見已投運(yùn)的250 t動(dòng)平衡試驗(yàn)臺(tái)輔助支承水平和垂直方向動(dòng)剛度幅值大于350 t動(dòng)平衡試驗(yàn)臺(tái)輔助支承的方案1而小于方案2和方案3。

圖4 輔助支承動(dòng)剛度幅值計(jì)算值

5 結(jié)論

本文研究了350 t動(dòng)平衡試驗(yàn)臺(tái)輔助支承動(dòng)力學(xué)特性的分析設(shè)計(jì)方法，研究結(jié)果表明：

（1）通過對(duì)已投運(yùn)的250 t動(dòng)平衡試驗(yàn)臺(tái)輔助支承的模態(tài)頻率實(shí)測(cè)值和投運(yùn)情況的分析，表明在輔助支承設(shè)計(jì)中最重要的原則是使水平和天地方向模態(tài)頻率符合1倍頻避開率；

（2）通過采用大量焊接的鏤空支承板作為天地方向和橫向的主要支承，新設(shè)計(jì)的350 t動(dòng)平衡試驗(yàn)臺(tái)輔助支承各方案模態(tài)頻率都滿足水平和天地方向模態(tài)頻率1倍頻避開率；

（3）新設(shè)計(jì)的350 t動(dòng)平衡試驗(yàn)臺(tái)輔助支承各方案水平和天地方向的動(dòng)剛度在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都大于1 GN/m，其動(dòng)剛度特性優(yōu)良。綜合考慮輔助支承的成本和動(dòng)力學(xué)特性，350 t動(dòng)平衡試驗(yàn)臺(tái)輔助支承宜采用方案2。