考虑汽轮机汽流激振时裂纹转子的振动特性研究

冯 卓

（河钢股份有限公司承德分公司、河北省钒钛工程技术研究中心，河北 承德 067001）

虽然振动现象在汽轮机运行过程中普遍存在，是不可避免的，也是被允许的，但如果振动过大，那只能说明汽轮机组存在着明显的缺陷问题。汽轮机在异常振动的作用下，不仅会造成汽轮机组各个零部件之间的连接发生松动，更会削弱气缸、轴承座以及基座之间的连接刚度，从而使振动愈发加剧，最终迫使汽轮机组停机。正因如此，及时有效地找出汽轮机异常振动的实际原因并给予行之有效的解决对策则成为了确保汽轮机安全稳定运行的重要手段。在安装汽轮机组之前，必须要对汽轮机组的实际振动情况进行严格测试，严格监督与防控汽轮机组的异常振动问题，控制好振动临界值，以保证汽轮机的安全稳定运行。

1 汽轮机

汽轮机在进行功能效用的发挥过程时，主要是通过能量之间的守恒转换，实现动力机械之间的良好运作，主要是利用蒸汽能实现动能之间的转化。在汽轮机的日常运作工程中，通过利用蒸汽的不断施压，提高整个汽轮机的运作速度，从而可以更好的实现能量之间的转化，为整个汽轮机的正常运行提供保障。在汽轮机处于高速运转的过程时，会形成转子周围环境气流和气压之间的不平稳状态，从而可以推动整个叶轮形成旋转现象，为汽轮机的正常运行提供机械能。而整个蒸汽工作主要是通过转子之间能量的不断转化和输出而实现的，当蒸汽工作完成之后，需要对蒸汽能实行动力守恒之间的转化。转子在如此高温环境下，还需要保障整个汽轮机能够维持源源不断的动力，这就需要转子的设计人员对转子之间的工作形成细致的检测和调查，管理人员严格监督操作人员对转子的各项操作流程，一旦发现任何操作失误的现象，都需要对其进行及时的更换，从而可以保障整个转子对安全可靠运行形成一个良好的动力稳定保障。

在钢铁企业的日常运作过程时，经常会出现安全隐患和故障问题，而发生该现象的主要原因是由于转子在运作过程时产生裂纹以及扩展现象，这就需要维修人员对其进行日常的维修和养护工作，一旦发生细微的裂纹和破裂状态，就需要对其进行及时的转子更换，从而可以为整个机器提供一个和谐稳定的机组状态，实现资源的可持续循环利用，为整个工业的发展也可以节约一定的生产成本资金。所以，在对转子裂纹进行细致的研究过程之后，所形成的理论价值和信息对后期的整个汽轮机动力系统的可持续发展形成较大的参考价值。

国内国外的大部分研究人员着重参考整个转子裂纹的深度研究，并在不断考察和实验的过程之后形成一些有价值的参考结果，对我国内的内部研究也起到一定的参考作用。通常情况下，研究人员主要是通过震动状态以及断裂力学的理论来对其作出研究和讨论，从而可以发现裂纹之间状态与转子之间形成的关系与表现，找出更适合转子发生功能调用发挥的最佳表现形式。在研究结果表明，转子出现失衡状态的另一因素也是有气流激振问题所引起的，这就需要设计人员结合实际情况对其进行不断的参考和探究，可以利用模型来对其作出虚拟模拟的实验，找出各个系统之间产生的因素变化与不同的表现力，从而可以为后期汽轮机防震发展做出更好的技术和信息支撑和保障。

2 汽流激振力作用下基础松动转子系统振动特性分析

2.1 转速对系统动力学特性的影响

利用动力学的研究方式来对转子在不同情况下进行细致的调查与模拟实验，下图主要为考虑和不考虑气流激振力时整个转子所形成的表现力，最终的参考数据主要为无量纲位移。其中，a 图我们可以发现，周期之间的不同变化所表现出来的状态之间有所不同，周期一主要表示整个转子处于不断转速的情况运动中，周期二是指整个系统之间出现响应的现象。而随着速度的不断提升，运动的转期速度与周期率的变化也实现不断地更改，甚至形成混乱的表现状态。

图1 系统响应X2，Y4 随转速w 变化的分叉图

2.2 支座质量对系统动力学特性的影响

下图主要表现为制作的质量对整个系统动力学的主要表现特征的影响，通过以下几个图片的对比，实现参数数据的主要影响探究。通过图3 我们可以得知，当气流处于不断激荡阵列的情况时，通过质量的不断变化和增高，转子系统之间也形成不断的改变与分叉。而通过图1 和图3 的对比，我们可以得知，当支座质量的改变在不断变化时，转子体系内部的轴心依旧处于高速发展的变化态势，与前者并未实现较大的差异，一旦转子的运行速度降低，轴心处的转子承载震动将会近趋于0。

图2 汽流激振力下松动转子系统X2、Y4 随转速w 变化的分叉图

2.3 诊断结论

通过实验研究对收集来的信息进行综合的探讨之后得出结论，转子弯曲和转子碰磨是汽轮机在正常运行状态时所遇到的两种主要问题。其中，转子弯曲主要是由于因温度的不断改变和受热之间无法形成协调统一而形成转子的弯曲表现，弯曲状态也可分为临时性和永久性的两大分类，前者比后者的弯曲程度较低，仍然可以在弹力变化之后回归原型，使整个转子处于正常发展状态。然而永久性变形则是指当转子发生弯曲变形之后，因所表现出来的弯曲现象和状态高于一般水平，从而无论后期对其进行怎样的操作都无法改变弯曲的事实，甚至会对整个汽轮机的正常运行形成阻碍作用。转子内部工作的不平衡发展状态，振动现象也会因转子的永久性变形形成不安稳的态势。但单纯的对综合性实验数据进行推测之后，我们并无法准确的得知转子弯曲的性质，这就需要检测人员对转子进行更进一步的深入调查和研究。除此之外，转子碰摩主要是指转子在日常的运作过程时会与周围的零部之间发生碰撞与摩擦，从而可能会造成整个基础之间无法保持正常运行状态，出现振幅不断增大的现象，形成转子之间不同叶片之间的不磨合。这就需要设计人员对转轮机的转子进行设计时，缩短轴缝之间的缝隙。最终通过实验调查研究数据，我们可以得出最终的探讨结果:当汽轮机在日常的运行状态时，发生转子弯曲和转子碰磨的现象，就需要维修人员对发生故障的情况进行及时的维修。

3 对策

3.1 做好汽轮机的安装与检修工作

在汽轮机处于正常运行的状态过程时，异常振动也是主要问题之一。因此，这就要求在汽轮机组正常投入运行之前，相关的维修检测人员对其进行虚拟模拟的试运行实验，确保所有的参数数据和表现形式以及震动状态都能满足标准之后才可将其投入正常的运行和使用。在对汽轮机进行安装过程时，一定要严格按照设计装置的步骤来对其进行参考，尽可能的减少位移之间的误差，实现汽轮机组位置的精准性安装。而后期的日常维修检测和检护工作，对于整个汽轮机的正常运行也有着不可推卸的责任，一旦发生任何影响后期质量的安全现象，就需要对其进行位置的确定以及异常现象的检测，将振动幅度状态降低到安全标准之后才可正常投入使用。

3.2 其他

而为确保整个汽轮机正常运行，工作人员还需要做好以下四个步骤:第一，加强震动幅度的监督，通过对整个机组所承担的压力变化来实现震动幅度的改变；第二，严格监督轴承晃度。一旦发生异常现象与情况，需要检测人员对其进行及时的措施采取；第三，对汽轮机组内部的间隙进行适时的调节，确保不会因为间隙之间的改变而产生安全事故问题；第四，对整个汽轮机内部的轴系进行温度和压力的测量，将其控制在可调整的范围之内，从而可以更好的对整个汽轮机中的故障问题进行更好的处理，推动整个汽轮机组处于正常的运行态势。

4 结语

因此，实验研究结果表明:第一，对汽轮机内部的转子进行运动过程时，需要考虑线性间隙之间的气流激振力，让其处于不断运行的周期性变化，通过对混沌现象的不断检测，可以对转子的运行速度进行测量。当转子速度处于不同的运作过程时，所表现出来的周期和混沌区状态也各有差异。通常情况下，转子的横向振动与整个偏心力和振动力之间形成正比的关系，偏心力越大，振幅越大，甚至会为后期转子的稳定运行形成危险因素和异常状态，在不断摩擦的过程中，造成整个机动内部系统的失衡。第二，随着裂纹深度的由浅入深，汽轮机内部气流激振力的表现也逐渐发挥着不同的作用力，随着混沌区域的不同表现之间的周期性变化，所呈现出来的转子表现也各有差异，转子系统最终因裂纹而产生不同的复杂性特征，且复杂性表现与裂纹的深度呈现正比关系；第三，整个实验研究结果表明，一旦整个汽轮机组出现异常发动现象，就需要对主要的间接性气流振力进行良好的探测，其中包含着异常复杂的动力学表现，可以为后期故障的诊断提供现实的因素。