考慮汽輪機汽流激振時裂紋轉子的振動特性研究

馮 卓

（河鋼股份有限公司承德分公司、河北省釩鈦工程技術研究中心，河北 承德 067001）

雖然振動現象在汽輪機運行過程中普遍存在，是不可避免的，也是被允許的，但如果振動過大，那只能說明汽輪機組存在著明顯的缺陷問題。汽輪機在異常振動的作用下，不僅會造成汽輪機組各個零部件之間的連接發生松動，更會削弱氣缸、軸承座以及基座之間的連接剛度，從而使振動愈發加劇，最終迫使汽輪機組停機。正因如此，及時有效地找出汽輪機異常振動的實際原因并給予行之有效的解決對策則成為了確保汽輪機安全穩定運行的重要手段。在安裝汽輪機組之前，必須要對汽輪機組的實際振動情況進行嚴格測試，嚴格監督與防控汽輪機組的異常振動問題，控制好振動臨界值，以保證汽輪機的安全穩定運行。

1 汽輪機

汽輪機在進行功能效用的發揮過程時，主要是通過能量之間的守恒轉換，實現動力機械之間的良好運作，主要是利用蒸汽能實現動能之間的轉化。在汽輪機的日常運作工程中，通過利用蒸汽的不斷施壓，提高整個汽輪機的運作速度，從而可以更好的實現能量之間的轉化，為整個汽輪機的正常運行提供保障。在汽輪機處于高速運轉的過程時，會形成轉子周圍環境氣流和氣壓之間的不平穩狀態，從而可以推動整個葉輪形成旋轉現象，為汽輪機的正常運行提供機械能。而整個蒸汽工作主要是通過轉子之間能量的不斷轉化和輸出而實現的，當蒸汽工作完成之后，需要對蒸汽能實行動力守恒之間的轉化。轉子在如此高溫環境下，還需要保障整個汽輪機能夠維持源源不斷的動力，這就需要轉子的設計人員對轉子之間的工作形成細致的檢測和調查，管理人員嚴格監督操作人員對轉子的各項操作流程，一旦發現任何操作失誤的現象，都需要對其進行及時的更換，從而可以保障整個轉子對安全可靠運行形成一個良好的動力穩定保障。

在鋼鐵企業的日常運作過程時，經常會出現安全隱患和故障問題，而發生該現象的主要原因是由于轉子在運作過程時產生裂紋以及擴展現象，這就需要維修人員對其進行日常的維修和養護工作，一旦發生細微的裂紋和破裂狀態，就需要對其進行及時的轉子更換，從而可以為整個機器提供一個和諧穩定的機組狀態，實現資源的可持續循環利用，為整個工業的發展也可以節約一定的生產成本資金。所以，在對轉子裂紋進行細致的研究過程之后，所形成的理論價值和信息對后期的整個汽輪機動力系統的可持續發展形成較大的參考價值。

國內國外的大部分研究人員著重參考整個轉子裂紋的深度研究，并在不斷考察和實驗的過程之后形成一些有價值的參考結果，對我國內的內部研究也起到一定的參考作用。通常情況下，研究人員主要是通過震動狀態以及斷裂力學的理論來對其作出研究和討論，從而可以發現裂紋之間狀態與轉子之間形成的關系與表現，找出更適合轉子發生功能調用發揮的最佳表現形式。在研究結果表明，轉子出現失衡狀態的另一因素也是有氣流激振問題所引起的，這就需要設計人員結合實際情況對其進行不斷的參考和探究，可以利用模型來對其作出虛擬模擬的實驗，找出各個系統之間產生的因素變化與不同的表現力，從而可以為后期汽輪機防震發展做出更好的技術和信息支撐和保障。

2 汽流激振力作用下基礎松動轉子系統振動特性分析

2.1 轉速對系統動力學特性的影響

利用動力學的研究方式來對轉子在不同情況下進行細致的調查與模擬實驗，下圖主要為考慮和不考慮氣流激振力時整個轉子所形成的表現力，最終的參考數據主要為無量綱位移。其中，a 圖我們可以發現，周期之間的不同變化所表現出來的狀態之間有所不同，周期一主要表示整個轉子處于不斷轉速的情況運動中，周期二是指整個系統之間出現響應的現象。而隨著速度的不斷提升，運動的轉期速度與周期率的變化也實現不斷地更改，甚至形成混亂的表現狀態。

圖1 系統響應X2，Y4 隨轉速w 變化的分叉圖

2.2 支座質量對系統動力學特性的影響

下圖主要表現為制作的質量對整個系統動力學的主要表現特征的影響，通過以下幾個圖片的對比，實現參數數據的主要影響探究。通過圖3 我們可以得知，當氣流處于不斷激蕩陣列的情況時，通過質量的不斷變化和增高，轉子系統之間也形成不斷的改變與分叉。而通過圖1 和圖3 的對比，我們可以得知，當支座質量的改變在不斷變化時，轉子體系內部的軸心依舊處于高速發展的變化態勢，與前者并未實現較大的差異，一旦轉子的運行速度降低，軸心處的轉子承載震動將會近趨于0。

圖2 汽流激振力下松動轉子系統X2、Y4 隨轉速w 變化的分叉圖

2.3 診斷結論

通過實驗研究對收集來的信息進行綜合的探討之后得出結論，轉子彎曲和轉子碰磨是汽輪機在正常運行狀態時所遇到的兩種主要問題。其中，轉子彎曲主要是由于因溫度的不斷改變和受熱之間無法形成協調統一而形成轉子的彎曲表現，彎曲狀態也可分為臨時性和永久性的兩大分類，前者比后者的彎曲程度較低，仍然可以在彈力變化之后回歸原型，使整個轉子處于正常發展狀態。然而永久性變形則是指當轉子發生彎曲變形之后，因所表現出來的彎曲現象和狀態高于一般水平，從而無論后期對其進行怎樣的操作都無法改變彎曲的事實，甚至會對整個汽輪機的正常運行形成阻礙作用。轉子內部工作的不平衡發展狀態，振動現象也會因轉子的永久性變形形成不安穩的態勢。但單純的對綜合性實驗數據進行推測之后，我們并無法準確的得知轉子彎曲的性質，這就需要檢測人員對轉子進行更進一步的深入調查和研究。除此之外，轉子碰摩主要是指轉子在日常的運作過程時會與周圍的零部之間發生碰撞與摩擦，從而可能會造成整個基礎之間無法保持正常運行狀態，出現振幅不斷增大的現象，形成轉子之間不同葉片之間的不磨合。這就需要設計人員對轉輪機的轉子進行設計時，縮短軸縫之間的縫隙。最終通過實驗調查研究數據，我們可以得出最終的探討結果:當汽輪機在日常的運行狀態時，發生轉子彎曲和轉子碰磨的現象，就需要維修人員對發生故障的情況進行及時的維修。

3 對策

3.1 做好汽輪機的安裝與檢修工作

在汽輪機處于正常運行的狀態過程時，異常振動也是主要問題之一。因此，這就要求在汽輪機組正常投入運行之前，相關的維修檢測人員對其進行虛擬模擬的試運行實驗，確保所有的參數數據和表現形式以及震動狀態都能滿足標準之后才可將其投入正常的運行和使用。在對汽輪機進行安裝過程時，一定要嚴格按照設計裝置的步驟來對其進行參考，盡可能的減少位移之間的誤差，實現汽輪機組位置的精準性安裝。而后期的日常維修檢測和檢護工作，對于整個汽輪機的正常運行也有著不可推卸的責任，一旦發生任何影響后期質量的安全現象，就需要對其進行位置的確定以及異常現象的檢測，將振動幅度狀態降低到安全標準之后才可正常投入使用。

3.2 其他

而為確保整個汽輪機正常運行，工作人員還需要做好以下四個步驟:第一，加強震動幅度的監督，通過對整個機組所承擔的壓力變化來實現震動幅度的改變；第二，嚴格監督軸承晃度。一旦發生異常現象與情況，需要檢測人員對其進行及時的措施采取；第三，對汽輪機組內部的間隙進行適時的調節，確保不會因為間隙之間的改變而產生安全事故問題；第四，對整個汽輪機內部的軸系進行溫度和壓力的測量，將其控制在可調整的范圍之內，從而可以更好的對整個汽輪機中的故障問題進行更好的處理，推動整個汽輪機組處于正常的運行態勢。

4 結語

因此，實驗研究結果表明:第一，對汽輪機內部的轉子進行運動過程時，需要考慮線性間隙之間的氣流激振力，讓其處于不斷運行的周期性變化，通過對混沌現象的不斷檢測，可以對轉子的運行速度進行測量。當轉子速度處于不同的運作過程時，所表現出來的周期和混沌區狀態也各有差異。通常情況下，轉子的橫向振動與整個偏心力和振動力之間形成正比的關系，偏心力越大，振幅越大，甚至會為后期轉子的穩定運行形成危險因素和異常狀態，在不斷摩擦的過程中，造成整個機動內部系統的失衡。第二，隨著裂紋深度的由淺入深，汽輪機內部氣流激振力的表現也逐漸發揮著不同的作用力，隨著混沌區域的不同表現之間的周期性變化，所呈現出來的轉子表現也各有差異，轉子系統最終因裂紋而產生不同的復雜性特征，且復雜性表現與裂紋的深度呈現正比關系；第三，整個實驗研究結果表明，一旦整個汽輪機組出現異常發動現象，就需要對主要的間接性氣流振力進行良好的探測，其中包含著異常復雜的動力學表現，可以為后期故障的診斷提供現實的因素。