陳壽岳

（中國鋁業(yè)廣西分公司，廣西 平果 531400）

0 引言

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子熱彎曲作為一種重要的失效模式，對(duì)汽輪機(jī)的安全性、可靠性和運(yùn)行效率產(chǎn)生了極大的影響。熱彎曲現(xiàn)象主要是由于轉(zhuǎn)子在工作時(shí)由于溫度梯度產(chǎn)生的熱應(yīng)力不平衡所致。熱應(yīng)力的不平衡會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子在運(yùn)行中出現(xiàn)形變和應(yīng)力集中，從而引發(fā)轉(zhuǎn)子的熱彎曲現(xiàn)象。而熱彎曲現(xiàn)象的存在不僅會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的變形，還會(huì)引發(fā)結(jié)構(gòu)共振和振動(dòng)過大的問題，加速轉(zhuǎn)子的疲勞破壞和斷裂，對(duì)系統(tǒng)的安全運(yùn)行造成威脅。

1 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子熱彎曲的原因

1.1 熱應(yīng)力因素

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子是汽輪機(jī)的核心組件之一，承擔(dān)著將蒸汽能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的重要任務(wù)。然而，在汽輪機(jī)工作過程中，轉(zhuǎn)子會(huì)受到高溫和高速氣流的影響，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子發(fā)生熱彎曲的現(xiàn)象。熱彎曲是轉(zhuǎn)子在高溫工況下由于熱應(yīng)力引起的形變。首先，熱應(yīng)力是導(dǎo)致汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子熱彎曲的主要因素之一。在汽輪機(jī)運(yùn)行過程中，蒸汽在高溫高速的作用下通過轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子表面溫度升高。由于轉(zhuǎn)子各部位溫度升高的不一致性，就會(huì)在轉(zhuǎn)子內(nèi)部產(chǎn)生溫度梯度，從而引起熱應(yīng)力。這種熱應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的某些部位發(fā)生熱彎曲，進(jìn)而影響轉(zhuǎn)子的正常工作。其次，熱膨脹也是導(dǎo)致熱應(yīng)力的一個(gè)重要因素。當(dāng)轉(zhuǎn)子受到高溫氣體熱能的作用時(shí)，轉(zhuǎn)子會(huì)發(fā)生熱膨脹。轉(zhuǎn)子的熱膨脹率與其材料的熱膨脹系數(shù)有關(guān)，而不同部位的轉(zhuǎn)子所用的材料和結(jié)構(gòu)也不盡相同。由于轉(zhuǎn)子不同部位受熱膨脹的程度不一致，就會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，進(jìn)一步導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的熱彎曲。此外，轉(zhuǎn)子在運(yùn)行過程中由于受到循環(huán)熱載荷的影響，也容易發(fā)生熱彎曲。汽輪機(jī)的工作周期性地經(jīng)歷啟動(dòng)、停機(jī)、負(fù)荷變化等工況變化，而每次啟停過程都會(huì)產(chǎn)生溫度的變化。由于轉(zhuǎn)子的熱慣性，溫度變化過程中會(huì)產(chǎn)生熱循環(huán)應(yīng)力，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的熱彎曲。最后，轉(zhuǎn)子在設(shè)計(jì)和制造過程中的不均勻性也是導(dǎo)致熱彎曲的原因之一。由于制造過程中的誤差、材料不均勻等因素，轉(zhuǎn)子的性能可能會(huì)存在缺陷或者不均勻。這些不均勻性在高溫高速工況下就會(huì)被放大，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子在工作過程中受到更加復(fù)雜的熱應(yīng)力，進(jìn)而引發(fā)熱彎曲。圖1 為汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。

圖1 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

1.2 材料疲勞因素

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的材料疲勞是導(dǎo)致其熱彎曲的另一個(gè)重要原因。材料疲勞是指在長期循環(huán)加載下，材料內(nèi)部的微觀組織和結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)生損傷積累，導(dǎo)致材料性能下降，甚至發(fā)生裂紋和斷裂的現(xiàn)象。首先，高溫下的材料疲勞是導(dǎo)致汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子熱彎曲的一個(gè)重要因素。汽輪機(jī)在高溫工況下運(yùn)行，轉(zhuǎn)子所用的材料會(huì)長期處于高溫狀態(tài)。高溫會(huì)導(dǎo)致材料內(nèi)部的晶粒長大，晶界擴(kuò)散加劇，晶界強(qiáng)度減弱，從而導(dǎo)致材料的疲勞性能下降。在高溫循環(huán)載荷下，轉(zhuǎn)子材料內(nèi)部的應(yīng)力集中和裂紋的擴(kuò)展將變得更加明顯，最終導(dǎo)致熱彎曲的發(fā)生。其次，高速氣流對(duì)材料的沖擊也是導(dǎo)致材料疲勞的因素之一。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子在工作過程中會(huì)受到來自高速氣流的沖擊和摩擦作用。這種沖擊和摩擦?xí)?dǎo)致材料表面的細(xì)小裂紋和損傷，進(jìn)而引起疲勞斷裂的發(fā)生。特別是在轉(zhuǎn)子表面積聚熱應(yīng)力的區(qū)域，更容易發(fā)生材料疲勞，造成熱彎曲現(xiàn)象。最后，材料的晶界和缺陷也對(duì)熱彎曲有重要影響。晶界是材料內(nèi)部的缺陷集中區(qū)，容易成為裂紋發(fā)生和擴(kuò)展的起始點(diǎn)。而材料的缺陷、夾雜物、微觀組織不均勻性等也會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子材料局部應(yīng)力增加和損傷積累，最終導(dǎo)致熱彎曲的發(fā)生。

1.3 不恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)或制造

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子在設(shè)計(jì)和制造過程中的不恰當(dāng)問題也是導(dǎo)致熱彎曲的一個(gè)重要原因。首先，不恰當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可能導(dǎo)致熱彎曲。轉(zhuǎn)子在高溫高速工況下承受著復(fù)雜的熱應(yīng)力和機(jī)械載荷，如果轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，如截面尺寸、幾何形狀、支撐方式等方面存在缺陷，就容易引起應(yīng)力集中和熱彎曲的發(fā)生。例如，轉(zhuǎn)子的截面尺寸不足以承受工作載荷，或者轉(zhuǎn)子的支撐方式不穩(wěn)定，都會(huì)增加轉(zhuǎn)子發(fā)生熱彎曲的風(fēng)險(xiǎn)。其次，材料選擇不當(dāng)也可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子熱彎曲。不同部位的轉(zhuǎn)子所承受的熱應(yīng)力和機(jī)械載荷是不一樣的，對(duì)材料的要求也不同。如果選擇的材料強(qiáng)度不符合設(shè)計(jì)和工作要求，材料的熱膨脹系數(shù)與轉(zhuǎn)子不匹配，或者存在材料缺陷和不均勻性，都會(huì)使轉(zhuǎn)子在工作中發(fā)生熱應(yīng)力集中，進(jìn)而導(dǎo)致熱彎曲的發(fā)生。最后，制造工藝和質(zhì)量控制不當(dāng)也會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子的熱彎曲產(chǎn)生影響。制造過程中的誤差、成型和加工工藝缺陷或工藝參數(shù)不合理，都可能引入內(nèi)部應(yīng)力集中和裂紋缺陷，進(jìn)而促進(jìn)熱彎曲的發(fā)展。如果制造過程中的質(zhì)量控制不嚴(yán)格，例如材料的選取、加工過程中的溫度和壓力控制不當(dāng)，都會(huì)影響轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)完整性和性能穩(wěn)定性，增加熱彎曲的風(fēng)險(xiǎn)。

2 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)特性

2.1 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)影響因素

相對(duì)膨脹也會(huì)造成汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)生振動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子受到熱載荷時(shí)，不同部位的溫度可能存在梯度差異。由于材料的熱膨脹系數(shù)不同，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子各部分膨脹程度不一致，從而引起振動(dòng)。同時(shí)，溫度梯度引起的相對(duì)膨脹會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力。當(dāng)熱應(yīng)力超過材料的強(qiáng)度極限時(shí)，就會(huì)發(fā)生振動(dòng)。并且，在運(yùn)行過程中，由于汽缸的熱量分布不均勻或冷卻系統(tǒng)故障等原因，可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子局部加熱或冷卻不均勻，進(jìn)而引起相對(duì)膨脹偏差大和振動(dòng)。此外，轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和所選用的材料也會(huì)對(duì)相對(duì)膨脹和振動(dòng)產(chǎn)生影響。設(shè)計(jì)不合理或選用不合適的材料可能增加轉(zhuǎn)子的振動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)汽缸和轉(zhuǎn)子在工作溫度下發(fā)生膨脹時(shí)，由于它們的材料和結(jié)構(gòu)不同，其膨脹系數(shù)也會(huì)存在差異。這導(dǎo)致了汽缸和轉(zhuǎn)子之間的相對(duì)膨脹不一致，可能會(huì)引起摩擦。具體來說，當(dāng)汽缸和轉(zhuǎn)子由低溫升至高溫時(shí)，它們都會(huì)發(fā)生膨脹。然而，由于兩者的材料和結(jié)構(gòu)不同，在熱膨脹系數(shù)上存在差異。例如，汽缸通常由鑄鋼制成，而轉(zhuǎn)子通常由鋼或鎳合金制成。這些材料的熱膨脹系數(shù)不同，因此在相同溫度變化下，它們的尺寸變化程度也會(huì)不同。當(dāng)汽缸和轉(zhuǎn)子之間存在溫度差異時(shí)，它們的尺寸變化就不會(huì)完全匹配，造成了相對(duì)膨脹不一致。這種不一致導(dǎo)致汽缸與轉(zhuǎn)子之間形成了間隙或接觸面，從而產(chǎn)生摩擦[1]。

2.2 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)分析方法

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)分析是評(píng)估轉(zhuǎn)子振動(dòng)特性、檢測潛在問題和采取相應(yīng)措施的重要手段。首先，動(dòng)力學(xué)模型方法是一種常用的轉(zhuǎn)子振動(dòng)分析方法。該方法基于轉(zhuǎn)子的幾何形狀和剛度信息，建立數(shù)學(xué)模型來描述轉(zhuǎn)子的振動(dòng)特性。常見的動(dòng)力學(xué)模型方法包括剛性轉(zhuǎn)子模型和柔性轉(zhuǎn)子模型。剛性轉(zhuǎn)子模型假設(shè)轉(zhuǎn)子是剛體，簡化分析過程，適用于低速轉(zhuǎn)子。而柔性轉(zhuǎn)子模型則考慮轉(zhuǎn)子的彎曲和扭轉(zhuǎn)變形，適用于高速轉(zhuǎn)子。通過求解動(dòng)力學(xué)模型，可以獲得轉(zhuǎn)子的固有頻率、振型和振幅等信息，為進(jìn)一步分析和優(yōu)化提供基礎(chǔ)。其次，模態(tài)分析是轉(zhuǎn)子振動(dòng)分析的常用方法之一。模態(tài)分析通過實(shí)驗(yàn)或數(shù)值模擬的方式，識(shí)別出轉(zhuǎn)子的固有頻率、振型和振幅等信息。實(shí)驗(yàn)方法常用的包括激勵(lì)－響應(yīng)法和掃頻法，通過在轉(zhuǎn)子上施加激勵(lì)力或改變激勵(lì)頻率，測量振動(dòng)響應(yīng)，進(jìn)而確定轉(zhuǎn)子的模態(tài)。數(shù)值模擬方法則通過有限元分析等手段，模擬轉(zhuǎn)子的振動(dòng)響應(yīng)，得到模態(tài)信息。模態(tài)分析可以幫助工程師了解轉(zhuǎn)子的振動(dòng)特性，識(shí)別出潛在的振動(dòng)問題，并根據(jù)模態(tài)信息進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化[2]。再次，頻譜分析是用于轉(zhuǎn)子振動(dòng)分析的重要方法之一。頻譜分析基于傅里葉變換原理，將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)，以檢測轉(zhuǎn)子振動(dòng)信號(hào)中的頻率成分。通過采集轉(zhuǎn)子振動(dòng)信號(hào)，利用頻譜分析方法可以得到振動(dòng)信號(hào)的頻譜圖，進(jìn)而判斷振動(dòng)的主導(dǎo)頻率和頻率分布情況。頻譜分析可以幫助工程師識(shí)別出轉(zhuǎn)子振動(dòng)的主要頻率和諧振情況，進(jìn)而采取相應(yīng)的措施，如調(diào)整工作參數(shù)或加裝減振裝置等。最后，有限元分析是一種廣泛應(yīng)用于轉(zhuǎn)子振動(dòng)分析的計(jì)算方法。有限元分析基于轉(zhuǎn)子的幾何形狀和材料性質(zhì)，將轉(zhuǎn)子劃分為多個(gè)小單元，并利用連續(xù)體力學(xué)理論求解轉(zhuǎn)子的振動(dòng)響應(yīng)。有限元分析可以模擬轉(zhuǎn)子在不同工況下的振動(dòng)特性，預(yù)測振動(dòng)幅值、模態(tài)以及共振情況，為優(yōu)化轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和降低振動(dòng)提供參考[3]。圖2 為轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)模塊。

圖2 轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)模塊（單位：m）

2.3 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)控制與優(yōu)化

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)控制與優(yōu)化是汽輪機(jī)設(shè)計(jì)和運(yùn)行中的重要問題，它涉及提高汽輪機(jī)可靠性、延長設(shè)備壽命和降低振動(dòng)對(duì)設(shè)備及周圍環(huán)境的影響。首先，動(dòng)平衡是一種常用的振動(dòng)控制方法。動(dòng)平衡通過在轉(zhuǎn)子上安裝平衡塊，使轉(zhuǎn)子在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中達(dá)到動(dòng)平衡狀態(tài)。平衡塊的位置和質(zhì)量可以根據(jù)振動(dòng)測量數(shù)據(jù)和分析結(jié)果進(jìn)行合理調(diào)整。通過動(dòng)平衡，可以減小不平衡造成的振動(dòng)幅值，提高轉(zhuǎn)子的運(yùn)行平穩(wěn)性。其次，提高轉(zhuǎn)子剛度是振動(dòng)控制與優(yōu)化的重要手段之一[4]。轉(zhuǎn)子的剛度直接影響其自振頻率和振動(dòng)特性。通過優(yōu)化轉(zhuǎn)子的幾何形狀和材料選擇，增加轉(zhuǎn)子的剛度，可以提高其自振頻率，減小振動(dòng)幅值，并避免共振現(xiàn)象的發(fā)生。最后，采用減振裝置是常用的振動(dòng)控制方法。減振裝置可以通過消耗或傳遞振動(dòng)能量來減小振動(dòng)幅值，降低振動(dòng)對(duì)設(shè)備的影響。常見的減振裝置包括液力減振器、彈性支撐、阻尼器等。通過合理選擇和設(shè)計(jì)減振裝置，可以顯著改善轉(zhuǎn)子的振動(dòng)特性，提高其穩(wěn)定性和可靠性[5]。

2.4 轉(zhuǎn)子支撐方式選擇

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)特性研究是指分析和評(píng)估轉(zhuǎn)子在運(yùn)行過程中的振動(dòng)情況，旨在確保轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性和安全性。轉(zhuǎn)子的支撐方式選擇是轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要決策，下面將介紹轉(zhuǎn)子支撐方式的幾種常見選擇。首先，剛性支撐是一種常見的轉(zhuǎn)子支撐方式。在剛性支撐系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)子通過徑向軸承和軸向受力支撐，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。剛性支撐方式適用于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速較低、轉(zhuǎn)子長度較短的情況。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好，但在高速轉(zhuǎn)子應(yīng)用中可能會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定情況。另一種常見的轉(zhuǎn)子支撐方式是活動(dòng)支撐?；顒?dòng)支撐系統(tǒng)采用帶有彈簧和阻尼器的軸承，能夠在轉(zhuǎn)子運(yùn)行時(shí)對(duì)振動(dòng)進(jìn)行控制和抑制。該支撐方式適用于高速、長轉(zhuǎn)子應(yīng)用，能夠在轉(zhuǎn)子受到外界干擾時(shí)提供額外的穩(wěn)定性和振動(dòng)抑制能力。此外，流體動(dòng)壓支承也是一種常見的轉(zhuǎn)子支撐方式。流體動(dòng)壓支承利用高速旋轉(zhuǎn)的氣體或液體產(chǎn)生的動(dòng)壓力支撐轉(zhuǎn)子，并且能夠減小振動(dòng)和摩擦損失。該支撐方式適用于超高速轉(zhuǎn)子和對(duì)摩擦敏感的應(yīng)用，能夠提供高度的穩(wěn)定性和振動(dòng)抑制效果。最后，混合支撐方式將多種支撐方式結(jié)合起來，以實(shí)現(xiàn)更好的性能。例如，在活動(dòng)支撐和流體動(dòng)壓支撐的組合中，可以在轉(zhuǎn)子的兩端采用活動(dòng)支撐，而在中間采用流體動(dòng)壓支撐，以平衡性能和成本的關(guān)系。在選擇轉(zhuǎn)子支撐方式時(shí)，需要考慮轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、長度、運(yùn)行環(huán)境以及性能要求等因素。同時(shí)，需要進(jìn)行振動(dòng)特性分析和模擬，評(píng)估不同支撐方式對(duì)振動(dòng)抑制和穩(wěn)定性的影響。綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、可靠性和性能需求，選擇最合適的轉(zhuǎn)子支撐方式，以確保轉(zhuǎn)子的安全運(yùn)行和長壽命。

2.5 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)特性研究是為了改善轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性和減小振動(dòng)幅值，從而提高汽輪機(jī)的性能和運(yùn)行安全性。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化是轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，下面將介紹轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的幾個(gè)關(guān)鍵方面。首先，轉(zhuǎn)子的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)是影響振動(dòng)特性的重要因素。包括轉(zhuǎn)子的長度、直徑、槽口形狀和數(shù)量等。例如，增加轉(zhuǎn)子的直徑可以提高其承載能力和剛度，從而減小振動(dòng)幅值。此外，優(yōu)化槽口形狀和數(shù)量，可以減小轉(zhuǎn)子的質(zhì)量和慣性矩，進(jìn)而降低振動(dòng)。其次，轉(zhuǎn)子的受力分析和模態(tài)分析是進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的重要手段。通過受力分析，可以確定轉(zhuǎn)子在工作過程中的最大受力位置，進(jìn)而合理調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)，提高轉(zhuǎn)子的受力均衡性。模態(tài)分析可以確定轉(zhuǎn)子的固有頻率和模態(tài)形態(tài)，以及對(duì)應(yīng)的振型。根據(jù)模態(tài)分析的結(jié)果，可以調(diào)整轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)參數(shù)，避免共振現(xiàn)象，減小振動(dòng)幅值。

3 結(jié)語

對(duì)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子熱彎曲問題及其振動(dòng)特性的深入研究，將有助于進(jìn)一步提升汽輪機(jī)的性能和可靠性。未來的工作需要跨學(xué)科的合作和創(chuàng)新，繼續(xù)探索新的理論和方法，為解決熱彎曲問題和改進(jìn)汽輪機(jī)的運(yùn)行提供更有效的解決方案。