汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)與轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析

代有為

摘 要：本論文討論了幾種典型的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)現(xiàn)象，由于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的外力，機(jī)械外力，電力外力，流體外力等。強(qiáng)迫振動(dòng)分為同步振動(dòng)和異步振動(dòng)，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)對(duì)于一些振動(dòng)模式，耦合振動(dòng)的響應(yīng)特性可以從非耦合振動(dòng)急劇地改變。

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī)；轉(zhuǎn)子；動(dòng)力學(xué)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.13.044

強(qiáng)迫振動(dòng)分為同步振動(dòng)和異步振動(dòng)。同步振動(dòng)定義為外力頻率為整數(shù)的振動(dòng)。典型的同步振動(dòng)是轉(zhuǎn)子質(zhì)量分布不均勻引起的振動(dòng)。如果外力的頻率與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速無關(guān)，則振動(dòng)被稱為異步振動(dòng)。自激振動(dòng)是由各種機(jī)制引起的，在這些機(jī)制中，周圍流體或旋轉(zhuǎn)機(jī)械的能量被不斷地轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子的振動(dòng)能量，在轉(zhuǎn)子上施加永恒力。典型的自激振動(dòng)類型是油鞭和蒸汽旋渦。本論文討論了幾種典型的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)現(xiàn)象。

1 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)的分類

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子強(qiáng)迫振動(dòng)是由外力引起的，外力可分為以下五種類型：

（1）由于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的外力（由于轉(zhuǎn)子的不平衡、彎曲等）；

（2）機(jī)械外力（來自齒輪、其他連接機(jī)械等）；

（3）電力外力（來自電機(jī)、發(fā)電機(jī)等）；

（4）流體外力（由于控制級(jí)葉片的流動(dòng)擾動(dòng)等）；

（5）其他的（例如地震產(chǎn)生的外力）。

2 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的強(qiáng)迫振動(dòng)

2.1 振動(dòng)是由于轉(zhuǎn)子不平衡

這種振動(dòng)是由質(zhì)量不平衡（軸向和切向方向轉(zhuǎn)子質(zhì)量分布的不平衡）引起的，而在實(shí)際轉(zhuǎn)子上觀察到的大部分振動(dòng)都是廣義上的振動(dòng)。根據(jù)Q因子準(zhǔn)則設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子，并適當(dāng)平衡轉(zhuǎn)子，可以防止不平衡振動(dòng)。 雖然設(shè)計(jì)和平衡轉(zhuǎn)子的技術(shù)已經(jīng)有了很好的發(fā)展，但在這一領(lǐng)域中遇到的大多數(shù)振動(dòng)問題仍然與廣義上的不平衡振動(dòng)有關(guān)。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡振動(dòng)的典型類型如下：

2.2 轉(zhuǎn)子幾何誤差引起的不平衡振動(dòng)

在像汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子一樣由剛性法蘭聯(lián)軸器連接的轉(zhuǎn)子中，即使每個(gè)轉(zhuǎn)子都是平衡的，在現(xiàn)場(chǎng)組裝整個(gè)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)后，有時(shí)也會(huì)觀察到不平衡振動(dòng)。 在制造過程中做得很好，這不僅是因?yàn)檗D(zhuǎn)子在磁場(chǎng)中的支承條件與后加工試驗(yàn)中的支承條件不同，而且也是因?yàn)檗D(zhuǎn)子自體的誤差。換句話說，如果一個(gè)轉(zhuǎn)子有表面偏轉(zhuǎn)或在聯(lián)軸器偏離中心，轉(zhuǎn)子是由耦合轉(zhuǎn)子彎曲初始彎曲， 在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生頻率相等的強(qiáng)迫振動(dòng)。

轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)子的速度。汽輪發(fā)電機(jī)在聯(lián)軸器處有面偏轉(zhuǎn)的頻率響應(yīng)的例子，結(jié)果表明，這種偏轉(zhuǎn)引起的頻率響應(yīng) 與通常的質(zhì)量不平衡所造成的有很大不同。在汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)中，應(yīng)確定端面撓度或聯(lián)軸器偏離中心的可接受誤差。

2.3 熱彎曲振動(dòng)

由于熱彎曲引起的典型振動(dòng)之一有時(shí)被稱為“彎曲轉(zhuǎn)子”振動(dòng)。當(dāng)高溫轉(zhuǎn)子停止工作一段時(shí)間后，轉(zhuǎn)子很大的不平衡。這種現(xiàn)象叫做彎轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子彎曲的原因是熱氣體聚集在轉(zhuǎn)子的上部，轉(zhuǎn)子由于溫度的升高而彎曲。 轉(zhuǎn)子上、下兩面之間的差異，通過在冷卻過程中轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子在圓周方向均勻冷卻，可以防止彎曲轉(zhuǎn)子。

過度不平衡的振動(dòng)有時(shí)會(huì)發(fā)生在轉(zhuǎn)子摩擦固定物體，如密封，或油投擲器。這種振動(dòng)被稱為由旋轉(zhuǎn)引起的熱彎曲振動(dòng)。 托爾摩擦，或紐基爾克效應(yīng)。在熱彎曲振動(dòng)中，不穩(wěn)定振動(dòng)有時(shí)會(huì)增加，并最終達(dá)到極限環(huán)。在這種情況下，振動(dòng)的振幅與頻率轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速周期性變化。在某些情況下，這段時(shí)間可能是幾天，而在其他情況下，則不到1秒。在這種情況下，極限環(huán)的周期約為20小時(shí)，而振動(dòng)的軌跡會(huì)產(chǎn)生一個(gè)環(huán)，中心對(duì)應(yīng)于一定的振.動(dòng)，這一現(xiàn)象是由熱彎曲引起的不平衡與轉(zhuǎn)子響應(yīng)方向之間的相位差引起的。例如，在臨界速度下， 振動(dòng)幅值的相位從轉(zhuǎn)子不平衡的方向延遲90。因此，轉(zhuǎn)子的“熱點(diǎn)”（摩擦點(diǎn)）逐漸向圓周方向移動(dòng)。 和轉(zhuǎn)子在定子的整個(gè)周長(zhǎng)上摩擦。如果不摩擦不平衡響應(yīng)的方向與熱彎曲引起的響應(yīng)方向一致，則振動(dòng)的振幅變得很大。如果不摩擦不平衡響應(yīng)的方向與熱彎曲引起的響應(yīng)方向相反，則振動(dòng)的振幅變小。同時(shí)，在轉(zhuǎn)子上觀察到振動(dòng)幅值的周期性變化。

由于極限環(huán)的周期和轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性取決于輸入和散熱，轉(zhuǎn)子的熱容量，臨界轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等，目前尚不可能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)極限環(huán)的周期。然而，對(duì)轉(zhuǎn)子定子摩擦引起的熱彎曲振動(dòng)的對(duì)策很簡(jiǎn)單：這種振動(dòng)，通常可以通過增加摩擦點(diǎn)與定子之間的間隙，在拆卸轉(zhuǎn)子后，確定摩擦的位置來固化。這種振動(dòng)也可由軸頸軸承中轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)引起，稱為Morton效應(yīng)。Morton效應(yīng)是由熱點(diǎn)引起的。 轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)對(duì)于一些振動(dòng)模式，耦合振動(dòng)的響應(yīng)特性可以從非耦合振動(dòng)急劇地改變。

2.4 流體擾動(dòng)引起的振動(dòng)

在部分進(jìn)氣操作下，在控制階段產(chǎn)生的流體擾動(dòng)會(huì)隨機(jī)激發(fā)轉(zhuǎn)子。通常，第一彎曲模式是由這樣的隨機(jī)激勵(lì)力主導(dǎo)的， 當(dāng)隨機(jī)激勵(lì)力很大時(shí)，轉(zhuǎn)子振動(dòng)就會(huì)變得明顯。因此，轉(zhuǎn)子的大部分隨機(jī)振動(dòng)可以通過去除或減少不期望的隨機(jī)振動(dòng)來治愈激發(fā)力。另外，增加轉(zhuǎn)子阻尼是減小轉(zhuǎn)子對(duì)隨機(jī)激勵(lì)響應(yīng)的另一有效對(duì)策。

由于部分進(jìn)位操作不僅在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生隨機(jī)的激勵(lì)力，而且改變了軸承的載荷，導(dǎo)致了轉(zhuǎn)子的動(dòng)態(tài)特性（剛度和阻尼）的變化方位。因此，在高壓汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)中，有必要評(píng)估部分進(jìn)氣操作對(duì)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的影響。

3 結(jié)論

綜上所述，振動(dòng)是由于轉(zhuǎn)子不平衡，在汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)中，應(yīng)確定端面撓度或聯(lián)軸器偏離中心的可接受誤差，通過在冷卻過程中轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子在圓周方向均勻冷卻，可以防止彎曲轉(zhuǎn)子，在高壓汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)中，有必要評(píng)估部分進(jìn)氣操作對(duì)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]盛步云，張濤，丁毓峰等.支承剛度對(duì)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性的影響分析[M].機(jī)械設(shè)計(jì)，2008，12（25）：28-32.