600MW汽輪機低壓轉子振型畸變機理研究

陳非+張柏林+李明+曹浩

摘 要：本文以現代轉子動力學理論為基礎，應用動力縮減有限元技術修正傳統的建模、加載及邊界條件設置方法，深入挖掘600MW機組低壓轉子振型畸變的產生機理，為該類型機組的振動故障處理及安全穩定運行提供理論依據和技術支持。

關鍵詞：汽輪機；低壓轉子；臨界轉速；振型

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

0 概述

省內某新建電廠1號機組汽輪機為哈爾濱汽輪機有限責任公司制造的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。高中壓轉子和1號低壓轉子之間裝有剛性的法蘭聯軸器。1號低壓轉子和2號低壓轉子通過中間軸剛性聯接，2號低壓轉子和發電機轉子通過聯軸器剛性聯接。汽輪發電機組整個軸系由9個支持軸承支撐。其中高中壓缸和低壓缸共六個支持軸承為四瓦塊可傾瓦；發電機兩個軸承采用上半一塊、下半兩塊可傾瓦端蓋式軸承。軸段及軸系臨界轉速設計值見表1。

1 低壓轉子基本振動特性

該機組在2011年整套啟動期間發現沖轉過程中1、2號低壓轉子一階臨界轉速實際值1105～1200r/min，低于設計值，當轉速達到2500r/min附近時也存在共振峰值，而在2900r/min以后振動隨轉速升高而快速上升，類似于進入共振區域的特征，出現了5、6瓦振動超標嚴重，且為同相振動的現象。這種現象在同類型的其它機組中較少出現過，依據制造廠提供的設計數據看，這種現象不應該出現，若仍以轉子二階模態振型來解釋，則會產生與轉子動力學理論相悖的情況，5、6瓦振動超標嚴重，且為同相振動，除非振型發生了畸變，現場進行了多次動平衡處理，受加重面限制，均無法消除振動，因此考慮該低壓轉子在工作轉速附近發生了振型畸變問題。要消除工作轉速下的振動必須采取對稱加重的方式，且加重量很大，在主跨內兩端加重，導致一階臨界時振動惡化，在外伸端加重又導致相鄰轉子振動惡化。基于以上因素和現象，本文以現代轉子動力學理論為基礎，應用動力縮減有限元技術修正傳統的建模、加載及邊界條件設置方法，分析轉子的實際支承剛度，深入挖掘600MW機組低壓轉子振型畸變的產生機理，為該類型機組的振動故障處理及安全穩定運行提供理論依據和技術支持。

2 轉子建模及計算方法的選取

2.1 建模方法的選取

幾何模型是汽輪機轉子幾何尺寸的直接表達形式，涵蓋了整個轉子的結構特征。幾何模型的建立分為三種類型：一維模型、二維模型和三維模型[1-2]。二維建模時采用轉子的軸向截面作為幾何建模依據，幾乎不存在假設，可以真實的描述轉子截面屬性。該建模方法可將UG圖直接導入，幾乎不存在假設，且建模速度快，計算速度比一維模型慢，但比三維模型快，計算精度較一維模型高，也不比三維模型低，因此該類建模方法在轉子動力學分析中廣泛采用[3]。

2.2 計算方法的選取

動力學縮減有限元方法可以將二維的幾何模型轉化為三維的動力學有限元模型，圓周方向采用傅里葉級數等效化方法，減少了網格的剖分，從計算精度上來講可以滿足轉子動力學分析，而又不像直接建立三維模型那樣龐大的網格單元而導致計算資源的浪費，因此在本文中使用ANSYS軟件，通過動力縮減有限元方法進行低壓轉子的動力學計算。

3 低壓轉子臨界轉速及模態振型

3.1 幾何建模

根據國產超臨界600MW低壓2號轉子結構，建立該轉子的二維幾何模型如圖1所示。

3.2 動力縮減有限元轉子動力學模型

對2號低壓轉子及整個軸系的幾何模型進行網格劃分，采用軸對稱8節點實體單元對轉軸和葉輪進行網格劃分。在葉輪的重心位置節點賦以集中質量單元，用來模擬葉片質量和轉動慣量，經過網格劃分后二維幾何模型變為三維有限元動力學模型，接著采用2維軸承單元進行模化，該單元通過4個剛度和4個阻尼系數來等效軸承力，并且這8個系數可與轉速關聯。

3.3 邊界條件與載荷

（1）邊界條件：轉子在軸頸處無軸向位移，可以繞軸旋轉；軸承座處節點約束定義為全約束，具體邊界條件如圖2所示。

（2）不平衡量：輸入的不平衡量=質量*半徑，施加位置為軸心質量點處，分為Y（實值）方向和Z（虛值）方向，通過這兩個方向來控制不平衡載荷相位。根據現場提供的轉子不平衡量可知，低壓轉子主跨中部存在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 臨界轉速的計算

應用有限元法分析轉子振動問題的動力學方程如下所示。假如有限元中轉子具有N個節點，則系統的位移向量為：

根據式（6），可求出矩陣的特征值ω，即轉子的臨界轉速，而特征值對應的特征向量即為轉子的模態振型。

根據低壓轉子及軸系的有限元模型，結合軸承動力學參數可以計算出2號低壓轉子各階臨界轉速：2號低壓轉子在單跨時一階臨界轉速為1220r/min，二階臨界轉速為3060r/min，三階臨界轉速為4207r/min。

通過一維幾何模型（工程經驗法）計算，可以得出2號低壓轉子在單跨時一階臨界轉速為1540r/min，二階臨界轉速為3445r/min，三階臨界轉速為4772r/min。，對比表1可知，通過這種模型計算出的臨界轉速與制造廠提供的臨界轉速相符，因此可以判斷制造廠在計算該機組的臨界轉速和模態振型時采用了該建模方法。

根據工程經驗法建立的模型與實體模型對比可知，工程經驗法所建立的模型求取的前三階臨界轉速要高于實體模型所求取的臨界轉速，其中第一階和第二階相差約300r/min，第三階相差約500r/min。通過與現場實際臨界轉速進行對比，可以發現實體模型的計算結果更接近于現場實際，而制造廠所提供的各階臨界轉速普遍偏高。由此也可知道，在工作轉速及超速試驗時機組低壓轉子發生了振型畸變，主要以第三階模態振型發生振動。

4 結束語

本文以現代轉子動力學理論為基礎，應用動力縮減有限元技術修正傳統的建模、加載及邊界條件設置方法，并對比機組實測數據驗證了修正方法的正確性，進一步提高動力學模型的精確性。并且在研究中發現，在工作轉速及超速試驗時機組低壓轉子發生了振型畸變，主要以第三階模態振型發生振動，為該類型機組的振動故障振動及安全穩定運行提供了理論依據和技術支持。

參考文獻：

[1]曾嫣，樊久明等.汽輪機轉子動力學建模[J].電站系統工程，2017，23（04）：27-28.

[2]甕雷，楊自春等.轉子系統臨界轉速計算及不平衡響應分析[J].四川兵工學報，2013，33（11）：65-69.

[3]楊永鋒，任興民等.國外轉子動力學研究綜述[J].機械科學與技術，2011，30（10）：1775-1780.

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