600MW汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子振型畸變機(jī)理研究

陳非+張柏林+李明+曹浩

摘 要：本文以現(xiàn)代轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)理論為基礎(chǔ)，應(yīng)用動(dòng)力縮減有限元技術(shù)修正傳統(tǒng)的建模、加載及邊界條件設(shè)置方法，深入挖掘600MW機(jī)組低壓轉(zhuǎn)子振型畸變的產(chǎn)生機(jī)理，為該類(lèi)型機(jī)組的振動(dòng)故障處理及安全穩(wěn)定運(yùn)行提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī)；低壓轉(zhuǎn)子；臨界轉(zhuǎn)速；振型

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.19.245

0 概述

省內(nèi)某新建電廠1號(hào)機(jī)組汽輪機(jī)為哈爾濱汽輪機(jī)有限責(zé)任公司制造的CLN660-24.2/566/566型超臨界、一次中間再熱、三缸四排汽、單軸、雙背壓、凝汽式汽輪機(jī)。高中壓轉(zhuǎn)子和1號(hào)低壓轉(zhuǎn)子之間裝有剛性的法蘭聯(lián)軸器。1號(hào)低壓轉(zhuǎn)子和2號(hào)低壓轉(zhuǎn)子通過(guò)中間軸剛性聯(lián)接，2號(hào)低壓轉(zhuǎn)子和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子通過(guò)聯(lián)軸器剛性聯(lián)接。汽輪發(fā)電機(jī)組整個(gè)軸系由9個(gè)支持軸承支撐。其中高中壓缸和低壓缸共六個(gè)支持軸承為四瓦塊可傾瓦；發(fā)電機(jī)兩個(gè)軸承采用上半一塊、下半兩塊可傾瓦端蓋式軸承。軸段及軸系臨界轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)值見(jiàn)表1。

1 低壓轉(zhuǎn)子基本振動(dòng)特性

該機(jī)組在2011年整套啟動(dòng)期間發(fā)現(xiàn)沖轉(zhuǎn)過(guò)程中1、2號(hào)低壓轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)速實(shí)際值1105～1200r/min，低于設(shè)計(jì)值，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到2500r/min附近時(shí)也存在共振峰值，而在2900r/min以后振動(dòng)隨轉(zhuǎn)速升高而快速上升，類(lèi)似于進(jìn)入共振區(qū)域的特征，出現(xiàn)了5、6瓦振動(dòng)超標(biāo)嚴(yán)重，且為同相振動(dòng)的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象在同類(lèi)型的其它機(jī)組中較少出現(xiàn)過(guò)，依據(jù)制造廠提供的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)看，這種現(xiàn)象不應(yīng)該出現(xiàn)，若仍以轉(zhuǎn)子二階模態(tài)振型來(lái)解釋?zhuān)瑒t會(huì)產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)理論相悖的情況，5、6瓦振動(dòng)超標(biāo)嚴(yán)重，且為同相振動(dòng)，除非振型發(fā)生了畸變，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了多次動(dòng)平衡處理，受加重面限制，均無(wú)法消除振動(dòng)，因此考慮該低壓轉(zhuǎn)子在工作轉(zhuǎn)速附近發(fā)生了振型畸變問(wèn)題。要消除工作轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)必須采取對(duì)稱(chēng)加重的方式，且加重量很大，在主跨內(nèi)兩端加重，導(dǎo)致一階臨界時(shí)振動(dòng)惡化，在外伸端加重又導(dǎo)致相鄰轉(zhuǎn)子振動(dòng)惡化。基于以上因素和現(xiàn)象，本文以現(xiàn)代轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)理論為基礎(chǔ)，應(yīng)用動(dòng)力縮減有限元技術(shù)修正傳統(tǒng)的建模、加載及邊界條件設(shè)置方法，分析轉(zhuǎn)子的實(shí)際支承剛度，深入挖掘600MW機(jī)組低壓轉(zhuǎn)子振型畸變的產(chǎn)生機(jī)理，為該類(lèi)型機(jī)組的振動(dòng)故障處理及安全穩(wěn)定運(yùn)行提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

2 轉(zhuǎn)子建模及計(jì)算方法的選取

2.1 建模方法的選取

幾何模型是汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子幾何尺寸的直接表達(dá)形式，涵蓋了整個(gè)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)特征。幾何模型的建立分為三種類(lèi)型：一維模型、二維模型和三維模型[1-2]。二維建模時(shí)采用轉(zhuǎn)子的軸向截面作為幾何建模依據(jù)，幾乎不存在假設(shè)，可以真實(shí)的描述轉(zhuǎn)子截面屬性。該建模方法可將UG圖直接導(dǎo)入，幾乎不存在假設(shè)，且建模速度快，計(jì)算速度比一維模型慢，但比三維模型快，計(jì)算精度較一維模型高，也不比三維模型低，因此該類(lèi)建模方法在轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析中廣泛采用[3]。

2.2 計(jì)算方法的選取

動(dòng)力學(xué)縮減有限元方法可以將二維的幾何模型轉(zhuǎn)化為三維的動(dòng)力學(xué)有限元模型，圓周方向采用傅里葉級(jí)數(shù)等效化方法，減少了網(wǎng)格的剖分，從計(jì)算精度上來(lái)講可以滿(mǎn)足轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析，而又不像直接建立三維模型那樣龐大的網(wǎng)格單元而導(dǎo)致計(jì)算資源的浪費(fèi)，因此在本文中使用ANSYS軟件，通過(guò)動(dòng)力縮減有限元方法進(jìn)行低壓轉(zhuǎn)子的動(dòng)力學(xué)計(jì)算。

3 低壓轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速及模態(tài)振型

3.1 幾何建模

根據(jù)國(guó)產(chǎn)超臨界600MW低壓2號(hào)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，建立該轉(zhuǎn)子的二維幾何模型如圖1所示。

3.2 動(dòng)力縮減有限元轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)模型

對(duì)2號(hào)低壓轉(zhuǎn)子及整個(gè)軸系的幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用軸對(duì)稱(chēng)8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元對(duì)轉(zhuǎn)軸和葉輪進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在葉輪的重心位置節(jié)點(diǎn)賦以集中質(zhì)量單元，用來(lái)模擬葉片質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，經(jīng)過(guò)網(wǎng)格劃分后二維幾何模型變?yōu)槿S有限元?jiǎng)恿W(xué)模型，接著采用2維軸承單元進(jìn)行模化，該單元通過(guò)4個(gè)剛度和4個(gè)阻尼系數(shù)來(lái)等效軸承力，并且這8個(gè)系數(shù)可與轉(zhuǎn)速關(guān)聯(lián)。

3.3 邊界條件與載荷

（1）邊界條件：轉(zhuǎn)子在軸頸處無(wú)軸向位移，可以繞軸旋轉(zhuǎn)；軸承座處節(jié)點(diǎn)約束定義為全約束，具體邊界條件如圖2所示。

（2）不平衡量：輸入的不平衡量=質(zhì)量*半徑，施加位置為軸心質(zhì)量點(diǎn)處，分為Y（實(shí)值）方向和Z（虛值）方向，通過(guò)這兩個(gè)方向來(lái)控制不平衡載荷相位。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)提供的轉(zhuǎn)子不平衡量可知，低壓轉(zhuǎn)子主跨中部存在2.5kg.m的不平衡量，將其輸入到有限元模型中。

其中轉(zhuǎn)子的彈性模量為2.1e11MPa，泊松比為0.3，密度為7800kg/m3。

3.4 臨界轉(zhuǎn)速的計(jì)算

應(yīng)用有限元法分析轉(zhuǎn)子振動(dòng)問(wèn)題的動(dòng)力學(xué)方程如下所示。假如有限元中轉(zhuǎn)子具有N個(gè)節(jié)點(diǎn)，則系統(tǒng)的位移向量為：

根據(jù)式（6），可求出矩陣的特征值ω，即轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速，而特征值對(duì)應(yīng)的特征向量即為轉(zhuǎn)子的模態(tài)振型。

根據(jù)低壓轉(zhuǎn)子及軸系的有限元模型，結(jié)合軸承動(dòng)力學(xué)參數(shù)可以計(jì)算出2號(hào)低壓轉(zhuǎn)子各階臨界轉(zhuǎn)速：2號(hào)低壓轉(zhuǎn)子在單跨時(shí)一階臨界轉(zhuǎn)速為1220r/min，二階臨界轉(zhuǎn)速為3060r/min，三階臨界轉(zhuǎn)速為4207r/min。

通過(guò)一維幾何模型（工程經(jīng)驗(yàn)法）計(jì)算，可以得出2號(hào)低壓轉(zhuǎn)子在單跨時(shí)一階臨界轉(zhuǎn)速為1540r/min，二階臨界轉(zhuǎn)速為3445r/min，三階臨界轉(zhuǎn)速為4772r/min。，對(duì)比表1可知，通過(guò)這種模型計(jì)算出的臨界轉(zhuǎn)速與制造廠提供的臨界轉(zhuǎn)速相符，因此可以判斷制造廠在計(jì)算該機(jī)組的臨界轉(zhuǎn)速和模態(tài)振型時(shí)采用了該建模方法。

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)法建立的模型與實(shí)體模型對(duì)比可知，工程經(jīng)驗(yàn)法所建立的模型求取的前三階臨界轉(zhuǎn)速要高于實(shí)體模型所求取的臨界轉(zhuǎn)速，其中第一階和第二階相差約300r/min，第三階相差約500r/min。通過(guò)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際臨界轉(zhuǎn)速進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)實(shí)體模型的計(jì)算結(jié)果更接近于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，而制造廠所提供的各階臨界轉(zhuǎn)速普遍偏高。由此也可知道，在工作轉(zhuǎn)速及超速試驗(yàn)時(shí)機(jī)組低壓轉(zhuǎn)子發(fā)生了振型畸變，主要以第三階模態(tài)振型發(fā)生振動(dòng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以現(xiàn)代轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)理論為基礎(chǔ)，應(yīng)用動(dòng)力縮減有限元技術(shù)修正傳統(tǒng)的建模、加載及邊界條件設(shè)置方法，并對(duì)比機(jī)組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了修正方法的正確性，進(jìn)一步提高動(dòng)力學(xué)模型的精確性。并且在研究中發(fā)現(xiàn)，在工作轉(zhuǎn)速及超速試驗(yàn)時(shí)機(jī)組低壓轉(zhuǎn)子發(fā)生了振型畸變，主要以第三階模態(tài)振型發(fā)生振動(dòng)，為該類(lèi)型機(jī)組的振動(dòng)故障振動(dòng)及安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了理論依據(jù)和技術(shù)支持。

參考文獻(xiàn)：

[1]曾嫣，樊久明等.汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)建模[J].電站系統(tǒng)工程，2017，23（04）：27-28.

[2]甕雷，楊自春等.轉(zhuǎn)子系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算及不平衡響應(yīng)分析[J].四川兵工學(xué)報(bào)，2013，33（11）：65-69.

[3]楊永鋒，任興民等.國(guó)外轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)研究綜述[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2011，30（10）：1775-1780.

作者簡(jiǎn)介：陳非（1979-），男，高工，主要研究方向：電力設(shè)備信息融合故障診斷技術(shù)。