汽轮机转子设计与转子动力学分析

代有为

摘 要：本论文讨论了几种典型的汽轮机转子振动现象，由于转子旋转而产生的外力，机械外力，电力外力，流体外力等。强迫振动分为同步振动和异步振动，转子的旋转对于一些振动模式，耦合振动的响应特性可以从非耦合振动急剧地改变。

关键词：汽轮机；转子；动力学

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

强迫振动分为同步振动和异步振动。同步振动定义为外力频率为整数的振动。典型的同步振动是转子质量分布不均匀引起的振动。如果外力的频率与转子转速无关，则振动被称为异步振动。自激振动是由各种机制引起的，在这些机制中，周围流体或旋转机械的能量被不断地转化为转子的振动能量，在转子上施加永恒力。典型的自激振动类型是油鞭和蒸汽旋涡。本论文讨论了几种典型的汽轮机转子振动现象。

1 汽轮机转子振动的分类

汽轮机转子强迫振动是由外力引起的，外力可分为以下五种类型：

（1）由于转子旋转而产生的外力（由于转子的不平衡、弯曲等）；

（2）机械外力（来自齿轮、其他连接机械等）；

（3）电力外力（来自电机、发电机等）；

（4）流体外力（由于控制级叶片的流动扰动等）；

（5）其他的（例如地震产生的外力）。

2 汽轮机转子的强迫振动

2.1 振动是由于转子不平衡

这种振动是由质量不平衡（轴向和切向方向转子质量分布的不平衡）引起的，而在实际转子上观察到的大部分振动都是广义上的振动。根据Q因子准则设计转子，并适当平衡转子，可以防止不平衡振动。 虽然设计和平衡转子的技术已经有了很好的发展，但在这一领域中遇到的大多数振动问题仍然与广义上的不平衡振动有关。汽轮机转子不平衡振动的典型类型如下：

2.2 转子几何误差引起的不平衡振动

在像汽轮机转子一样由刚性法兰联轴器连接的转子中，即使每个转子都是平衡的，在现场组装整个转子系统后，有时也会观察到不平衡振动。 在制造过程中做得很好，这不仅是因为转子在磁场中的支承条件与后加工试验中的支承条件不同，而且也是因为转子自体的误差。换句话说，如果一个转子有表面偏转或在联轴器偏离中心，转子是由耦合转子弯曲初始弯曲， 在转子上产生频率相等的强迫振动。

转到转子的速度。汽轮发电机在联轴器处有面偏转的频率响应的例子，结果表明，这种偏转引起的频率响应 与通常的质量不平衡所造成的有很大不同。在汽轮机转子的设计中，应确定端面挠度或联轴器偏离中心的可接受误差。

2.3 热弯曲振动

由于热弯曲引起的典型振动之一有时被称为“弯曲转子”振动。当高温转子停止工作一段时间后，转子很大的不平衡。这种现象叫做弯转子。转子弯曲的原因是热气体聚集在转子的上部，转子由于温度的升高而弯曲。 转子上、下两面之间的差异，通过在冷却过程中转动转子，使转子在圆周方向均匀冷却，可以防止弯曲转子。

过度不平衡的振动有时会发生在转子摩擦固定物体，如密封，或油投掷器。这种振动被称为由旋转引起的热弯曲振动。 托尔摩擦，或纽基尔克效应。在热弯曲振动中，不稳定振动有时会增加，并最终达到极限环。在这种情况下，振动的振幅与频率转子转速周期性变化。在某些情况下，这段时间可能是几天，而在其他情况下，则不到1秒。在这种情况下，极限环的周期约为20小时，而振动的轨迹会产生一个环，中心对应于一定的振.动，这一现象是由热弯曲引起的不平衡与转子响应方向之间的相位差引起的。例如，在临界速度下， 振动幅值的相位从转子不平衡的方向延迟90。因此，转子的“热点”（摩擦点）逐渐向圆周方向移动。 和转子在定子的整个周长上摩擦。如果不摩擦不平衡响应的方向与热弯曲引起的响应方向一致，则振动的振幅变得很大。如果不摩擦不平衡响应的方向与热弯曲引起的响应方向相反，则振动的振幅变小。同时，在转子上观察到振动幅值的周期性变化。

由于极限环的周期和转子的稳定性取决于输入和散热，转子的热容量，临界转速与转子的临界转速之间的关系。 转子转速等，目前尚不可能准确预测极限环的周期。然而，对转子定子摩擦引起的热弯曲振动的对策很简单：这种振动，通常可以通过增加摩擦点与定子之间的间隙，在拆卸转子后，确定摩擦的位置来固化。这种振动也可由轴颈轴承中转子的旋转引起，称为Morton效应。Morton效应是由热点引起的。 转子的旋转对于一些振动模式，耦合振动的响应特性可以从非耦合振动急剧地改变。

2.4 流体扰动引起的振动

在部分进气操作下，在控制阶段产生的流体扰动会随机激发转子。通常，第一弯曲模式是由这样的随机激励力主导的， 当随机激励力很大时，转子振动就会变得明显。因此，转子的大部分随机振动可以通过去除或减少不期望的随机振动来治愈激发力。另外，增加转子阻尼是减小转子对随机激励响应的另一有效对策。

由于部分进位操作不仅在转子上产生随机的激励力，而且改变了轴承的载荷，导致了转子的动态特性（刚度和阻尼）的变化方位。因此，在高压汽轮机转子的设计中，有必要评估部分进气操作对转子动力学的影响。

3 结论

综上所述，振动是由于转子不平衡，在汽輪机转子的设计中，应确定端面挠度或联轴器偏离中心的可接受误差，通过在冷却过程中转动转子，使转子在圆周方向均匀冷却，可以防止弯曲转子，在高压汽轮机转子的设计中，有必要评估部分进气操作对转子动力学的影响。

参考文献：

[1]盛步云，张涛，丁毓峰等.支承刚度对汽轮机转子动力学特性的影响分析[M].机械设计，2008，12（25）：28-32.