超超臨界汽輪機(jī)組轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動(dòng)特性及若干故障轉(zhuǎn)子非線性特性的研究.pdf

1、隨著我國(guó)電力工業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，研制、生產(chǎn)和發(fā)展超超臨界等大型汽輪發(fā)電機(jī)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(shì)。但汽輪機(jī)蒸汽參數(shù)的提高，密封間隙的減小，增大了汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子密封間產(chǎn)生的密封力，同時(shí)由于采用滑動(dòng)軸承而引起的油膜力，使超超臨界汽輪機(jī)組轉(zhuǎn)子系統(tǒng)發(fā)生失穩(wěn)的問題越發(fā)嚴(yán)重。由于密封間隙的減小，增大了轉(zhuǎn)子與密封間發(fā)生碰摩故障的可能性。碰摩過程中產(chǎn)生大量的熱量，嚴(yán)重的可以造成轉(zhuǎn)軸發(fā)生永久彎曲，這種彎曲又進(jìn)一步加劇了碰摩的程

2、度。在實(shí)際的大型汽輪發(fā)電機(jī)組中，由于轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡和外激勵(lì)等因素的存在而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子系統(tǒng)發(fā)生彎扭耦合振動(dòng)問題更加突出，使系統(tǒng)振動(dòng)表現(xiàn)出復(fù)雜的非線性特征，進(jìn)一步增加了轉(zhuǎn)子系統(tǒng)失穩(wěn)的可能性。本文針對(duì)以上問題開展了研究，研究?jī)?nèi)容和成果如下： ⑴針對(duì)大型汽輪機(jī)組中密封力和油膜力聯(lián)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(jì)入密封力和油膜力等因素的大型汽輪機(jī)組軸系動(dòng)力學(xué)特性和穩(wěn)定性分析軟件。該軟件可以計(jì)算軸系各階振型與臨界轉(zhuǎn)速，進(jìn)

3、行系統(tǒng)穩(wěn)定性的分析。利用該軟件研究了國(guó)產(chǎn)1000MW超超臨界汽輪機(jī)組軸系的振動(dòng)特性，解決了該機(jī)組穩(wěn)定性分析這一實(shí)際問題。計(jì)算結(jié)果表明：密封力對(duì)超超臨界汽輪機(jī)軸系的影響，主要集中在高壓和中壓軸段；且使對(duì)數(shù)衰減率顯著減小，表明由于密封力的影響，系統(tǒng)穩(wěn)定性下降。 ⑵對(duì)密封力和油膜力作用下轉(zhuǎn)子軸承密封系統(tǒng)的振動(dòng)特征和穩(wěn)定性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。在國(guó)內(nèi)首次建立了高壓比、高轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)子軸承迷宮密封系統(tǒng)模擬試驗(yàn)臺(tái)，其關(guān)鍵參數(shù)與實(shí)際汽輪機(jī)保持一致。利用

4、該試驗(yàn)臺(tái)，得到了系統(tǒng)的第一階臨界轉(zhuǎn)速，研究了系統(tǒng)由于油膜渦動(dòng)和油膜振蕩而導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)的過程，分析了密封力對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。同時(shí)，采用所開發(fā)的軟件，對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行了理論研究。理論計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，證明了開發(fā)軟件的正確性。結(jié)果表明對(duì)于試驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)：密封力降低了系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速，隨著氣體壓力的升高，臨界轉(zhuǎn)速進(jìn)一步下降；系統(tǒng)因?yàn)橛湍u動(dòng)和油膜振蕩失穩(wěn)，而密封力降低了系統(tǒng)的失穩(wěn)轉(zhuǎn)速，隨著氣體壓力的升高，系統(tǒng)的失穩(wěn)轉(zhuǎn)速進(jìn)一步

5、減小。 ⑶進(jìn)而將試驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)簡(jiǎn)化為Jeffcott轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子軸承密封系統(tǒng)非線性方程。通過數(shù)值仿真研究了系統(tǒng)參數(shù)如轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、密封間隙、密封壓差和系統(tǒng)阻尼等對(duì)系統(tǒng)非線性特性和穩(wěn)定性的影響。并將非線性分析的理論結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，結(jié)果基本吻合。 ⑷針對(duì)實(shí)際汽輪機(jī)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(zhuǎn)子系統(tǒng)發(fā)生碰摩的條件，引入了判斷碰摩發(fā)生的碰摩因子，計(jì)算了碰摩開始的起始轉(zhuǎn)速。基于d'Alembert原理，建立了含初始彎曲的不平衡Jeffcott轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程，通過解析方法，分析了質(zhì)量偏心量、初始彎曲長(zhǎng)度、轉(zhuǎn)子阻尼系數(shù)等對(duì)碰摩因子和碰摩起始轉(zhuǎn)速的影響。然后建立了具有初始彎曲的碰摩轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)模型；考慮了非線性的油膜力和碰摩力模型，得到了相應(yīng)的非線性方程。通過數(shù)值仿真，研究了系統(tǒng)參數(shù)如轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、初始

7、彎曲長(zhǎng)度等對(duì)于系統(tǒng)非線性特性的影響。發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)具有豐富的周期、擬周期和混沌運(yùn)動(dòng)形式。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，初始彎曲的存在較大地改變了系統(tǒng)發(fā)生碰摩的轉(zhuǎn)速，改變了碰摩發(fā)生后轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)形式和系統(tǒng)進(jìn)入或離開混動(dòng)的方式。 ⑸應(yīng)用Lagrange方程建立了轉(zhuǎn)子彎扭耦合振動(dòng)模型，考慮了六個(gè)方向的自由度。分析了兩種轉(zhuǎn)子不平衡的作用，即靜不平衡和動(dòng)不平衡，同時(shí)考慮了重力和陀螺效應(yīng)的影響。建立了在外激勵(lì)力和激勵(lì)扭矩作用下、考慮重力和陀螺效應(yīng)的不平衡轉(zhuǎn)子系統(tǒng)彎扭耦合