超超臨界汽輪機組轉子系統振動特性及若干故障轉子非線性特性的研究.pdf

1、隨著我國電力工業(yè)結構的調整，研制、生產和發(fā)展超超臨界等大型汽輪發(fā)電機組是節(jié)約能源、改善環(huán)保、提高發(fā)電效率、降低發(fā)電成本的必然趨勢。但汽輪機蒸汽參數的提高，密封間隙的減小，增大了汽輪機轉子密封間產生的密封力，同時由于采用滑動軸承而引起的油膜力，使超超臨界汽輪機組轉子系統發(fā)生失穩(wěn)的問題越發(fā)嚴重。由于密封間隙的減小，增大了轉子與密封間發(fā)生碰摩故障的可能性。碰摩過程中產生大量的熱量，嚴重的可以造成轉軸發(fā)生永久彎曲，這種彎曲又進一步加劇了碰摩的程

2、度。在實際的大型汽輪發(fā)電機組中，由于轉子質量不平衡和外激勵等因素的存在而導致轉子系統發(fā)生彎扭耦合振動問題更加突出，使系統振動表現出復雜的非線性特征，進一步增加了轉子系統失穩(wěn)的可能性。本文針對以上問題開展了研究，研究內容和成果如下： ⑴針對大型汽輪機組中密封力和油膜力聯合作用引起的軸系流體失穩(wěn)問題，基于有限元法，開發(fā)了能夠計入密封力和油膜力等因素的大型汽輪機組軸系動力學特性和穩(wěn)定性分析軟件。該軟件可以計算軸系各階振型與臨界轉速，進

3、行系統穩(wěn)定性的分析。利用該軟件研究了國產1000MW超超臨界汽輪機組軸系的振動特性，解決了該機組穩(wěn)定性分析這一實際問題。計算結果表明：密封力對超超臨界汽輪機軸系的影響，主要集中在高壓和中壓軸段；且使對數衰減率顯著減小，表明由于密封力的影響，系統穩(wěn)定性下降。 ⑵對密封力和油膜力作用下轉子軸承密封系統的振動特征和穩(wěn)定性進行了試驗研究。在國內首次建立了高壓比、高轉速的轉子軸承迷宮密封系統模擬試驗臺，其關鍵參數與實際汽輪機保持一致。利用

4、該試驗臺，得到了系統的第一階臨界轉速，研究了系統由于油膜渦動和油膜振蕩而導致系統失穩(wěn)的過程，分析了密封力對轉子系統穩(wěn)定性的影響。同時，采用所開發(fā)的軟件，對試驗臺的轉子系統進行了理論研究。理論計算結果和試驗結果基本吻合，證明了開發(fā)軟件的正確性。結果表明對于試驗臺轉子系統：密封力降低了系統的臨界轉速，隨著氣體壓力的升高，臨界轉速進一步下降；系統因為油膜渦動和油膜振蕩失穩(wěn)，而密封力降低了系統的失穩(wěn)轉速，隨著氣體壓力的升高，系統的失穩(wěn)轉速進一步

5、減小。 ⑶進而將試驗臺轉子系統簡化為Jeffcott轉子，采用短軸承理論建立了油膜力的非線性模型，采用Muszynska模型得到了非線性的密封力，建立了考慮油膜力和密封力的轉子軸承密封系統非線性方程。通過數值仿真研究了系統參數如轉子轉速、密封間隙、密封壓差和系統阻尼等對系統非線性特性和穩(wěn)定性的影響。并將非線性分析的理論結果與試驗結果進行了比較，結果基本吻合。 ⑷針對實際汽輪機組中廣泛存在的初始彎曲故障和碰摩故障展開了理論

6、研究。首先研究了具有初始彎曲的轉子系統發(fā)生碰摩的條件，引入了判斷碰摩發(fā)生的碰摩因子，計算了碰摩開始的起始轉速。基于d'Alembert原理，建立了含初始彎曲的不平衡Jeffcott轉子系統動力學方程，通過解析方法，分析了質量偏心量、初始彎曲長度、轉子阻尼系數等對碰摩因子和碰摩起始轉速的影響。然后建立了具有初始彎曲的碰摩轉子軸承系統模型；考慮了非線性的油膜力和碰摩力模型，得到了相應的非線性方程。通過數值仿真，研究了系統參數如轉子轉速、初始

7、彎曲長度等對于系統非線性特性的影響。發(fā)現系統具有豐富的周期、擬周期和混沌運動形式。同時發(fā)現，初始彎曲的存在較大地改變了系統發(fā)生碰摩的轉速，改變了碰摩發(fā)生后轉子運動形式和系統進入或離開混動的方式。 ⑸應用Lagrange方程建立了轉子彎扭耦合振動模型，考慮了六個方向的自由度。分析了兩種轉子不平衡的作用，即靜不平衡和動不平衡，同時考慮了重力和陀螺效應的影響。建立了在外激勵力和激勵扭矩作用下、考慮重力和陀螺效應的不平衡轉子系統彎扭耦合