汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)力分析

1、    汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)力分析    白潤摘 要：汽輪機(jī)的發(fā)展非常迅速，轉(zhuǎn)速越來越快，由于汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的工作性質(zhì)，溫度在其復(fù)雜工況中處于重要的位置，溫度的改變往往影響其他參數(shù)，揭示了汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子在動(dòng)態(tài)載荷下位移隨時(shí)間變化的規(guī)律，為汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。關(guān)鍵詞：汽輪機(jī)；轉(zhuǎn)子；動(dòng)力分析doi：10.16640/ki.37-1222/t.2017.09.026汽輪機(jī)技術(shù)的發(fā)展速度很快，運(yùn)轉(zhuǎn)的速度也大幅度加快，轉(zhuǎn)子是決定汽輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度的關(guān)鍵， 我們要考慮到溫度的改變對各個(gè)參數(shù)的影響。振動(dòng)信號在復(fù)雜的運(yùn)行狀況中，起到?jīng)Q定性作用。從十九世紀(jì)中期就開

2、始轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)研究，著重研究轉(zhuǎn)子的壽命管理以及轉(zhuǎn)子的熱應(yīng)力，故障分析，診斷，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)在線狀態(tài)監(jiān)測和故障分析。1 國內(nèi)外研究狀況轉(zhuǎn)子動(dòng)力環(huán)境考慮到高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速等不適宜環(huán)境下，是很難直接達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)場，作為動(dòng)力學(xué)的分支，轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的蓬勃發(fā)展在也給汽輪機(jī)發(fā)展奠定良好基礎(chǔ)。計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)子溫度及其熱應(yīng)力的方法很多，國外普遍采用的是一維數(shù)學(xué)模型或者場模擬的方法，甚至采用有限元計(jì)算和分析轉(zhuǎn)子應(yīng)力，處理轉(zhuǎn)子表面的換熱系數(shù)和金屬材料的物理特性。轉(zhuǎn)子承受周期性的溫度變化和交變應(yīng)力大，英國人jeffcott在20世紀(jì)初提出轉(zhuǎn)子的研究新模型。美國的ge，lukas等研究了轉(zhuǎn)子壽命損耗曲，振動(dòng)監(jiān)測、性能監(jiān)測。在1978

3、年日本研發(fā)出汽輪機(jī)自啟動(dòng)系統(tǒng)，這種自啟動(dòng)通過設(shè)定閥值比較，實(shí)現(xiàn)無損狀態(tài)檢修。一維解析模型分析空氣動(dòng)力學(xué)性能，疊加分段線性。在超臨界轉(zhuǎn)速狀態(tài)下，用數(shù)值方法模擬電路溫度場。溫度的試探需要長期的研究。美、日、德在診斷和檢修方面有長足的優(yōu)勢。國內(nèi)對轉(zhuǎn)子應(yīng)力的研究起步較晚，初期嘗試有限元法、解析法等解析故障診斷系統(tǒng)，。一些尖端的科學(xué)家如孟光、顧家柳等，對轉(zhuǎn)子力學(xué)做出前沿的巨大貢獻(xiàn)。通過研究發(fā)達(dá)國家的各種先進(jìn)技術(shù)，最早國內(nèi)對汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的不平衡和不對中等情況作出故障診斷。后來研發(fā)熱應(yīng)力在線監(jiān)測系統(tǒng)，并投入使用到電廠，經(jīng)過試驗(yàn)、完善計(jì)算程序的編程。對國產(chǎn)300mw型號的機(jī)器進(jìn)行疲勞性和脆性的實(shí)驗(yàn)和檢測，可以通

4、過溫度異常變化得到預(yù)警。清華大學(xué)王正的“什么是轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)”深刻闡述了轉(zhuǎn)子的概念和相關(guān)課題。各種熱應(yīng)力檢測設(shè)備逐漸投入使用，采用小波分析方法對故障檢測。1989年能源部開課題“汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子壽命的監(jiān)測”，針對機(jī)器故障由疲勞和蠕變引起的做研究。2 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)行原理汽輪機(jī)是一種將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械功的旋轉(zhuǎn)式原動(dòng)機(jī)，蒸汽膨脹后壓力降低，速度提升，把熱能轉(zhuǎn)化成動(dòng)能，機(jī)械能，帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。轉(zhuǎn)子在瞬間的加熱冷卻后，得到較大熱應(yīng)力 ，蒸汽對轉(zhuǎn)子的換熱系數(shù)影響很大，以及轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)，軸承等要素。汽輪機(jī)啟動(dòng)過程需要控制轉(zhuǎn)子的熱應(yīng)力，沖動(dòng)力影響運(yùn)動(dòng)物體的質(zhì)量和速度變化和轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速、不平衡響應(yīng)和穩(wěn)定性。一維模型以及二

5、維模型的計(jì)算需要使用有限元來求解固有頻率以及瞬態(tài)響應(yīng)，重點(diǎn)分析溫度場。在溫度的冷熱交換中，轉(zhuǎn)子承受交變熱應(yīng)力，計(jì)算機(jī)控制監(jiān)測轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力，優(yōu)化了啟動(dòng)程序，提升汽輪機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和發(fā)電效率。熱血原理中，溫度升高導(dǎo)致循環(huán)次數(shù)減少，氣溫氣壓都是影響轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力特性的計(jì)算因素，汽輪機(jī)進(jìn)汽，引起轉(zhuǎn)子震動(dòng)，從盤車轉(zhuǎn)速上升為同步轉(zhuǎn)速，降低熱應(yīng)力。熱分析計(jì)算出各個(gè)節(jié)點(diǎn)溫度，計(jì)算方法主要有有限元、傳遞矩陣法、模態(tài)綜合法和剛度法。轉(zhuǎn)子溫度升高會(huì)加大偏差，材料也會(huì)影響數(shù)值，但決定因素還是轉(zhuǎn)子的內(nèi)外溫差。轉(zhuǎn)子壽命預(yù)測考慮屈服極限問題， 當(dāng)轉(zhuǎn)速值超過報(bào)警極限，就當(dāng)即產(chǎn)生轉(zhuǎn)速保持。溫度要低于蒸汽飽和度，中心無內(nèi)熱源，蠕變與疲勞

6、交互作用，轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力，熱流密度，熱梯度等，結(jié)合計(jì)算出熱應(yīng)力和位移。熱量凝結(jié)后傳遞轉(zhuǎn)子表面，熱能與其它形式能量轉(zhuǎn)換，推算出向量公式。過程復(fù)雜，溫度升高參數(shù)變化，熱應(yīng)力的壽命損耗計(jì)算，轉(zhuǎn)軸的升溫，保持應(yīng)力裕度，溫度的分布隨時(shí)間變化的載荷，設(shè)置時(shí)間曲線，與溫度曲線相互作用。大容量的汽輪機(jī)應(yīng)用雙層杠結(jié)構(gòu)，因此要減薄壁厚，放熱系數(shù)也隨著轉(zhuǎn)子的溫度表換，無論軸向還是徑向都較平緩。氣缸金屬溫度不下降，主溫度大概在在450以上，潤滑油溫度在40左右。最大溫度隨蒸汽溫度升高，專業(yè)到達(dá)滿負(fù)荷。停機(jī)時(shí)候主蒸汽要保持50的過熱度。3 技術(shù)分析模態(tài)分析是進(jìn)行其他動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)，轉(zhuǎn)子內(nèi)表面冷卻慢，升溫率影響應(yīng)力值和壽命損耗率，啟動(dòng)停止優(yōu)化準(zhǔn)則可以對調(diào)峰方式評估，選取適當(dāng)?shù)拈g隔時(shí)間，在轉(zhuǎn)子中心調(diào)節(jié)級，計(jì)算汽輪機(jī)的冷態(tài)啟動(dòng)，溫太啟動(dòng)，熱態(tài)啟動(dòng)，停機(jī)過程的溫度場，暖機(jī)過程會(huì)比較緩慢，內(nèi)外表面溫差加大，蠕變斷裂時(shí)間變短，壽命的評估一般采用線性累積損傷法，當(dāng)轉(zhuǎn)子振幅超過動(dòng)靜間隙，出現(xiàn)碰摩，使一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)變成熱能。間隙的變化引起摩擦變化，在碰摩周期內(nèi)，轉(zhuǎn)子與靜子隔離