600MW汽轮机低压转子振型畸变机理研究

陈非+张柏林+李明+曹浩

摘 要：本文以现代转子动力学理论为基础，应用动力缩减有限元技術修正传统的建模、加载及边界条件设置方法，深入挖掘600MW机组低压转子振型畸变的产生机理，为该类型机组的振动故障处理及安全稳定运行提供理论依据和技术支持。

关键词：汽轮机；低压转子；临界转速；振型

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

0 概述

省内某新建电厂1号机组汽轮机为哈尔滨汽轮机有限责任公司制造的CLN660-24.2/566/566型超临界、一次中间再热、三缸四排汽、单轴、双背压、凝汽式汽轮机。高中压转子和1号低压转子之间装有刚性的法兰联轴器。1号低压转子和2号低压转子通过中间轴刚性联接，2号低压转子和发电机转子通过联轴器刚性联接。汽轮发电机组整个轴系由9个支持轴承支撑。其中高中压缸和低压缸共六个支持轴承为四瓦块可倾瓦；发电机两个轴承采用上半一块、下半两块可倾瓦端盖式轴承。轴段及轴系临界转速设计值见表1。

1 低压转子基本振动特性

该机组在2011年整套启动期间发现冲转过程中1、2号低压转子一阶临界转速实际值1105～1200r/min，低于设计值，当转速达到2500r/min附近时也存在共振峰值，而在2900r/min以后振动随转速升高而快速上升，类似于进入共振区域的特征，出现了5、6瓦振动超标严重，且为同相振动的现象。这种现象在同类型的其它机组中较少出现过，依据制造厂提供的设计数据看，这种现象不应该出现，若仍以转子二阶模态振型来解释，则会产生与转子动力学理论相悖的情况，5、6瓦振动超标严重，且为同相振动，除非振型发生了畸变，现场进行了多次动平衡处理，受加重面限制，均无法消除振动，因此考虑该低压转子在工作转速附近发生了振型畸变问题。要消除工作转速下的振动必须采取对称加重的方式，且加重量很大，在主跨内两端加重，导致一阶临界时振动恶化，在外伸端加重又导致相邻转子振动恶化。基于以上因素和现象，本文以现代转子动力学理论为基础，应用动力缩减有限元技术修正传统的建模、加载及边界条件设置方法，分析转子的实际支承刚度，深入挖掘600MW机组低压转子振型畸变的产生机理，为该类型机组的振动故障处理及安全稳定运行提供理论依据和技术支持。

2 转子建模及计算方法的选取

2.1 建模方法的选取

几何模型是汽轮机转子几何尺寸的直接表达形式，涵盖了整个转子的结构特征。几何模型的建立分为三种类型：一维模型、二维模型和三维模型[1-2]。二维建模时采用转子的轴向截面作为几何建模依据，几乎不存在假设，可以真实的描述转子截面属性。该建模方法可将UG图直接导入，几乎不存在假设，且建模速度快，计算速度比一维模型慢，但比三维模型快，计算精度较一维模型高，也不比三维模型低，因此该类建模方法在转子动力学分析中广泛采用[3]。

2.2 计算方法的选取

动力学缩减有限元方法可以将二维的几何模型转化为三维的动力学有限元模型，圆周方向采用傅里叶级数等效化方法，减少了网格的剖分，从计算精度上来讲可以满足转子动力学分析，而又不像直接建立三维模型那样庞大的网格单元而导致计算资源的浪费，因此在本文中使用ANSYS软件，通过动力缩减有限元方法进行低压转子的动力学计算。

3 低压转子临界转速及模态振型

3.1 几何建模

根据国产超临界600MW低压2号转子结构，建立该转子的二维几何模型如图1所示。

3.2 动力缩减有限元转子动力学模型

对2号低压转子及整个轴系的几何模型进行网格划分，采用轴对称8节点实体单元对转轴和叶轮进行网格划分。在叶轮的重心位置节点赋以集中质量单元，用来模拟叶片质量和转动惯量，经过网格划分后二维几何模型变为三维有限元动力学模型，接着采用2维轴承单元进行模化，该单元通过4个刚度和4个阻尼系数来等效轴承力，并且这8个系数可与转速关联。

3.3 边界条件与载荷

（1）边界条件：转子在轴颈处无轴向位移，可以绕轴旋转；轴承座处节点约束定义为全约束，具体边界条件如图2所示。

（2）不平衡量：输入的不平衡量=质量*半径，施加位置为轴心质量点处，分为Y（实值）方向和Z（虚值）方向，通过这两个方向来控制不平衡载荷相位。根据现场提供的转子不平衡量可知，低压转子主跨中部存在2.5kg.m的不平衡量，将其输入到有限元模型中。

其中转子的弹性模量为2.1e11MPa，泊松比为0.3，密度为7800kg/m3。

3.4 临界转速的计算

应用有限元法分析转子振动问题的动力学方程如下所示。假如有限元中转子具有N个节点，则系统的位移向量为：

根据式（6），可求出矩阵的特征值ω，即转子的临界转速，而特征值对应的特征向量即为转子的模态振型。

根据低压转子及轴系的有限元模型，结合轴承动力学参数可以计算出2号低压转子各阶临界转速：2号低压转子在单跨时一阶临界转速为1220r/min，二阶临界转速为3060r/min，三阶临界转速为4207r/min。

通过一维几何模型（工程经验法）计算，可以得出2号低压转子在单跨时一阶临界转速为1540r/min，二阶临界转速为3445r/min，三阶临界转速为4772r/min。，对比表1可知，通过这种模型计算出的临界转速与制造厂提供的临界转速相符，因此可以判断制造厂在计算该机组的临界转速和模态振型时采用了该建模方法。

根据工程经验法建立的模型与实体模型对比可知，工程经验法所建立的模型求取的前三阶临界转速要高于实体模型所求取的临界转速，其中第一阶和第二阶相差约300r/min，第三阶相差约500r/min。通过与现场实际临界转速进行对比，可以发现实体模型的计算结果更接近于现场实际，而制造厂所提供的各阶临界转速普遍偏高。由此也可知道，在工作转速及超速试验时机组低压转子发生了振型畸变，主要以第三阶模态振型发生振动。

4 结束语

本文以现代转子动力学理论为基础，应用动力缩减有限元技术修正传统的建模、加载及边界条件设置方法，并对比机组实测数据验证了修正方法的正确性，进一步提高动力学模型的精确性。并且在研究中发现，在工作转速及超速试验时机组低压转子发生了振型畸变，主要以第三阶模态振型发生振动，为该类型机组的振动故障振动及安全稳定运行提供了理论依据和技术支持。

参考文献：

[1]曾嫣，樊久明等.汽轮机转子动力学建模[J].电站系统工程，2017，23（04）：27-28.

[2]瓮雷，杨自春等.转子系统临界转速计算及不平衡响应分析[J].四川兵工学报，2013，33（11）：65-69.

[3]杨永锋，任兴民等.国外转子动力学研究综述[J].机械科学与技术，2011，30（10）：1775-1780.

作者简介：陈非（1979-），男，高工，主要研究方向：电力设备信息融合故障诊断技术。