汽輪機轉子動力分析

白潤

摘 要：汽輪機的發展非常迅速，轉速越來越快，由于汽輪機轉子的工作性質，溫度在其復雜工況中處于重要的位置，溫度的改變往往影響其他參數，揭示了汽輪機轉子在動態載荷下位移隨時間變化的規律，為汽輪機轉子的穩定性分析和結構優化設計提供了依據。

關鍵詞：汽輪機；轉子；動力分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.09.026

汽輪機技術的發展速度很快，運轉的速度也大幅度加快，轉子是決定汽輪機運轉速度的關鍵， 我們要考慮到溫度的改變對各個參數的影響。振動信號在復雜的運行狀況中，起到決定性作用。從十九世紀中期就開始轉子動力學研究，著重研究轉子的壽命管理以及轉子的熱應力，故障分析，診斷，能夠實現實時在線狀態監測和故障分析。

1 國內外研究狀況

轉子動力環境考慮到高溫、高壓、高轉速等不適宜環境下，是很難直接達到標準場，作為動力學的分支，轉子動力學的蓬勃發展在也給汽輪機發展奠定良好基礎。計算機轉子溫度及其熱應力的方法很多，國外普遍采用的是一維數學模型或者場模擬的方法，甚至采用有限元計算和分析轉子應力，處理轉子表面的換熱系數和金屬材料的物理特性。轉子承受周期性的溫度變化和交變應力大，英國人Jeffcott在20世紀初提出轉子的研究新模型。美國的GE，Lukas等研究了轉子壽命損耗曲，振動監測、性能監測。在1978年日本研發出汽輪機自啟動系統，這種自啟動通過設定閥值比較，實現無損狀態檢修。一維解析模型分析空氣動力學性能，疊加分段線性。在超臨界轉速狀態下，用數值方法模擬電路溫度場。溫度的試探需要長期的研究。美、日、德在診斷和檢修方面有長足的優勢。

國內對轉子應力的研究起步較晚，初期嘗試有限元法、解析法等解析故障診斷系統，。一些尖端的科學家如孟光、顧家柳等，對轉子力學做出前沿的巨大貢獻。通過研究發達國家的各種先進技術，最早國內對汽輪機轉子的不平衡和不對中等情況作出故障診斷。后來研發熱應力在線監測系統，并投入使用到電廠，經過試驗、完善計算程序的編程。對國產300MW型號的機器進行疲勞性和脆性的實驗和檢測，可以通過溫度異常變化得到預警。清華大學王正的“什么是轉子動力學”深刻闡述了轉子的概念和相關課題。各種熱應力檢測設備逐漸投入使用，采用小波分析方法對故障檢測。1989年能源部開課題“汽輪機轉子壽命的監測”，針對機器故障由疲勞和蠕變引起的做研究。

2 汽輪機轉子運行原理

汽輪機是一種將蒸汽的熱能轉換成機械功的旋轉式原動機，蒸汽膨脹后壓力降低，速度提升，把熱能轉化成動能，機械能，帶動發動機。轉子在瞬間的加熱冷卻后，得到較大熱應力 ，蒸汽對轉子的換熱系數影響很大，以及轉子的結構，軸承等要素。汽輪機啟動過程需要控制轉子的熱應力，沖動力影響運動物體的質量和速度變化和轉子的臨界轉速、不平衡響應和穩定性。一維模型以及二維模型的計算需要使用有限元來求解固有頻率以及瞬態響應，重點分析溫度場。在溫度的冷熱交換中，轉子承受交變熱應力，計算機控制監測轉子熱應力，優化了啟動程序，提升汽輪機的經濟性和發電效率。熱血原理中，溫度升高導致循環次數減少，氣溫氣壓都是影響轉子系統動力特性的計算因素，汽輪機進汽，引起轉子震動，從盤車轉速上升為同步轉速，降低熱應力。熱分析計算出各個節點溫度，計算方法主要有有限元、傳遞矩陣法、模態綜合法和剛度法。轉子溫度升高會加大偏差，材料也會影響數值，但決定因素還是轉子的內外溫差。轉子壽命預測考慮屈服極限問題， 當轉速值超過報警極限，就當即產生轉速保持。溫度要低于蒸汽飽和度，中心無內熱源，蠕變與疲勞交互作用，轉子熱應力，熱流密度，熱梯度等，結合計算出熱應力和位移。熱量凝結后傳遞轉子表面，熱能與其它形式能量轉換，推算出向量公式。過程復雜，溫度升高參數變化，熱應力的壽命損耗計算，轉軸的升溫，保持應力裕度，溫度的分布隨時間變化的載荷，設置時間曲線，與溫度曲線相互作用。大容量的汽輪機應用雙層杠結構，因此要減薄壁厚，放熱系數也隨著轉子的溫度表換，無論軸向還是徑向都較平緩。氣缸金屬溫度不下降，主溫度大概在在450℃以上，潤滑油溫度在40℃左右。最大溫度隨蒸汽溫度升高，專業到達滿負荷。停機時候主蒸汽要保持50℃的過熱度。

3 技術分析

模態分析是進行其他動力學分析的基礎，轉子內表面冷卻慢，升溫率影響應力值和壽命損耗率，啟動停止優化準則可以對調峰方式評估，選取適當的間隔時間，在轉子中心調節級，計算汽輪機的冷態啟動，溫太啟動，熱態啟動，停機過程的溫度場，暖機過程會比較緩慢，內外表面溫差加大，蠕變斷裂時間變短，壽命的評估一般采用線性累積損傷法，當轉子振幅超過動靜間隙，出現碰摩，使一部分動能轉變成熱能。間隙的變化引起摩擦變化，在碰摩周期內，轉子與靜子隔離開，溫度分布不均勻，當轉速低于臨界值時，滯后角小于90度，故障產生震動信號，摩擦加劇引起轉子的彎曲變形。通過仿真研究分析轉子的熱應力分布，找出危險位置，對轉子故障研究有積極的作用。