超超臨界汽輪機組轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動特性及若干故障轉(zhuǎn)子非線性特性的研究.pdf

1、隨著我國電力工業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，研制、生產(chǎn)和發(fā)展超超臨界等大型汽輪發(fā)電機組是節(jié)約能源、改善環(huán)保、提高發(fā)電效率、降低發(fā)電成本的必然趨勢。但汽輪機蒸汽參數(shù)的提高，密封間隙的減小，增大了汽輪機轉(zhuǎn)子密封間產(chǎn)生的密封力，同時由于采用滑動軸承而引起的油膜力，使超超臨界汽輪機組轉(zhuǎn)子系統(tǒng)發(fā)生失穩(wěn)的問題越發(fā)嚴(yán)重。由于密封間隙的減小，增大了轉(zhuǎn)子與密封間發(fā)生碰摩故障的可能性。碰摩過程中產(chǎn)生大量的熱量，嚴(yán)重的可以造成轉(zhuǎn)軸發(fā)生永久彎曲，這種彎曲又進一步加劇了碰摩的程

2、度。在實際的大型汽輪發(fā)電機組中，由于轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡和外激勵等因素的存在而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子系統(tǒng)發(fā)生彎扭耦合振動問題更加突出，使系統(tǒng)振動表現(xiàn)出復(fù)雜的非線性特征，進一步增加了轉(zhuǎn)子系統(tǒng)失穩(wěn)的可能性。本文針對以上問題開展了研究，研究內(nèi)容和成果如下： ⑴針對大型汽輪機組中密封力和油膜力聯(lián)合作用引起的軸系流體失穩(wěn)問題，基于有限元法，開發(fā)了能夠計入密封力和油膜力等因素的大型汽輪機組軸系動力學(xué)特性和穩(wěn)定性分析軟件。該軟件可以計算軸系各階振型與臨界轉(zhuǎn)速，進

3、行系統(tǒng)穩(wěn)定性的分析。利用該軟件研究了國產(chǎn)1000MW超超臨界汽輪機組軸系的振動特性，解決了該機組穩(wěn)定性分析這一實際問題。計算結(jié)果表明：密封力對超超臨界汽輪機軸系的影響，主要集中在高壓和中壓軸段；且使對數(shù)衰減率顯著減小，表明由于密封力的影響，系統(tǒng)穩(wěn)定性下降。 ⑵對密封力和油膜力作用下轉(zhuǎn)子軸承密封系統(tǒng)的振動特征和穩(wěn)定性進行了試驗研究。在國內(nèi)首次建立了高壓比、高轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)子軸承迷宮密封系統(tǒng)模擬試驗臺，其關(guān)鍵參數(shù)與實際汽輪機保持一致。利用

4、該試驗臺，得到了系統(tǒng)的第一階臨界轉(zhuǎn)速，研究了系統(tǒng)由于油膜渦動和油膜振蕩而導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)的過程，分析了密封力對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。同時，采用所開發(fā)的軟件，對試驗臺的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進行了理論研究。理論計算結(jié)果和試驗結(jié)果基本吻合，證明了開發(fā)軟件的正確性。結(jié)果表明對于試驗臺轉(zhuǎn)子系統(tǒng)：密封力降低了系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速，隨著氣體壓力的升高，臨界轉(zhuǎn)速進一步下降；系統(tǒng)因為油膜渦動和油膜振蕩失穩(wěn)，而密封力降低了系統(tǒng)的失穩(wěn)轉(zhuǎn)速，隨著氣體壓力的升高，系統(tǒng)的失穩(wěn)轉(zhuǎn)速進一步

5、減小。 ⑶進而將試驗臺轉(zhuǎn)子系統(tǒng)簡化為Jeffcott轉(zhuǎn)子，采用短軸承理論建立了油膜力的非線性模型，采用Muszynska模型得到了非線性的密封力，建立了考慮油膜力和密封力的轉(zhuǎn)子軸承密封系統(tǒng)非線性方程。通過數(shù)值仿真研究了系統(tǒng)參數(shù)如轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、密封間隙、密封壓差和系統(tǒng)阻尼等對系統(tǒng)非線性特性和穩(wěn)定性的影響。并將非線性分析的理論結(jié)果與試驗結(jié)果進行了比較，結(jié)果基本吻合。 ⑷針對實際汽輪機組中廣泛存在的初始彎曲故障和碰摩故障展開了理論

6、研究。首先研究了具有初始彎曲的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)發(fā)生碰摩的條件，引入了判斷碰摩發(fā)生的碰摩因子，計算了碰摩開始的起始轉(zhuǎn)速?；赿'Alembert原理，建立了含初始彎曲的不平衡Jeffcott轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)方程，通過解析方法，分析了質(zhì)量偏心量、初始彎曲長度、轉(zhuǎn)子阻尼系數(shù)等對碰摩因子和碰摩起始轉(zhuǎn)速的影響。然后建立了具有初始彎曲的碰摩轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)模型；考慮了非線性的油膜力和碰摩力模型，得到了相應(yīng)的非線性方程。通過數(shù)值仿真，研究了系統(tǒng)參數(shù)如轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、初始

7、彎曲長度等對于系統(tǒng)非線性特性的影響。發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)具有豐富的周期、擬周期和混沌運動形式。同時發(fā)現(xiàn)，初始彎曲的存在較大地改變了系統(tǒng)發(fā)生碰摩的轉(zhuǎn)速，改變了碰摩發(fā)生后轉(zhuǎn)子運動形式和系統(tǒng)進入或離開混動的方式。 ⑸應(yīng)用Lagrange方程建立了轉(zhuǎn)子彎扭耦合振動模型，考慮了六個方向的自由度。分析了兩種轉(zhuǎn)子不平衡的作用，即靜不平衡和動不平衡，同時考慮了重力和陀螺效應(yīng)的影響。建立了在外激勵力和激勵扭矩作用下、考慮重力和陀螺效應(yīng)的不平衡轉(zhuǎn)子系統(tǒng)彎扭耦合