汽轮机转子临界转速及不平衡响应计算

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1、第33卷第12期华电技术Vo1．33No．122011年12月HuadianTechnologyDec．2011汽轮机转子临界转速及不平衡响应计算丁峰，郭群龙(1．新疆中泰化学集团公司，新疆乌鲁木齐830009；2．中南电力设计院，湖北武汉430071)摘要：通过数值模拟，计算了汽轮机转子的临界转速，分析了不平衡质量存在位置对工作转速下振动幅值的影响，得出了幅值与不平衡质量所在位置的关系。’关键词：汽轮机；临界转速；不平衡质量；瞬态响应中图分类-~：TK263．6l：TH113文献标志码：A文章编号：1674—19

2、51(2011J12—0039—02l，‘0引言／一——＼随着电力工业的不断发展，大型汽轮机的设计＼水平不断提高。在汽轮机转子的设计中，转子I临界转速的设计是至关重要的。为了让转子能够安全平稳地运行，在设计过程中，必须使转子工作转速避开一阶临界转速和二阶临界转速的共振区[1；同时，质量不平衡会对转子的振动产生影响，在实际生产／／一中，由于转子轴径大且轴较长，很难保证转子没有不平衡质量。因此，进行质量不平衡对大型汽轮机转＼。一一X一＼子影响的研究已成为工程和设计人员的重点工作内容之一一。图2转子截面图本文以大型汽轮机

3、低压转子为依据，运用有限ml梦++ky=m2e∞sintot。(2)元分析(ANSYS)软件建立转子有限元模型。先求转子由于存在质量不平衡，对于某一转速(角解转子的临界转速，再进行不平衡质量位置对工作速度)的幅频响应函数和相频响应函数分别为转速下转子振动的影响。以期为工程实践中解决质AI：×量不平衡造成的振动问题提供一些建议。’ml砑’(3)、=tan-~23A1转子不平衡的数学模型，(4)图1为转子质量不平衡模型，图2为转子截面式中：A为激振力频率与自振频率的比，A=旦；图。设转子的质量为m。，偏心质量为m：，偏

4、心距为∞“e(GO)，阻尼系数为c，刚度系数为k，激振力频率为∞：=旦；6为相对阻尼系数，6=旦，n=。m1nzmI∞，转子的中心线到两轴承连心线的垂直距离(挠度)为(O0)。转子不平衡的主要振动特征有：振动的时域波形为正弦波；在频谱图中，谐波能量集中于基频；当●¨＼／∞<∞时，振幅随的增加而增大；当∞>∞时，]一∞增加时振幅趋于一个较小的稳定值；当∞接近∞—时发生共振，振幅具有最大峰值；当工作转速一定时，相位稳定，转子的轴心轨迹为椭圆。图1转子质量不平衡模型2有限元模型其轴心0的运动微分方程为m1x+c+kx：／

5、7／,2e∞costot，运用ANSYS软件对某大型汽轮机低压转子一轴承系统进行建模。转子模型长度为10nl，A，B收稿日期：2011—07—27；修回日期：2011—08—132个轴承分别位于1．5m和8．9m处。就转子本身·40·华电技术第33卷的建模而言，很多参考文献都在ANSYS软件中应用了SOLID45，SOLID185等实体单元。。但由于实体单元需要划分的网格数巨大，导致其计算量大，对计算资源提出很高的要求。本文需要求解的只是转子的临界转速，因此，运用PIPE16单元对转子进行建模，在精度满足要求的情况

6、下，能够节约更多资源。轴承是旋转机械支承单元中最为常见的结构形式之一，本文运用轴承单元COMBI214来模拟该轴08162432404856647280承结构。频率／Hz在二维模型中，COMBI214单元具有纵向和交叉方向的功能，是一个拉压单元，不考虑弯曲或扭图4稳态不平衡响应下的幅频特性曲线量，模拟不平衡质量在转子不同位置对转子振动大转。该轴承单元亦可看成是一个弹簧阻尼单元，即小的影响情况。稳定振动幅值是通过转子质量不平由4个COMBIN单元组合，具有刚度系数和阻尼系衡下的瞬态响应取得的。数。2个方向的轴承刚度相

7、同(Kx：Krr=2．52×转子工作转速下的稳定振幅与不同位置下不平10N／m)，轴承阻尼系数都为3×10N·s／m。在ANSYS中将设置g／(材0料_【×一的罂弹性模量、密度等参数。转衡质量的关系曲线如图5所示。由图5可知，当不211ll1OOOO平衡质量处于轴承(轴承位置分别为1．5，8．9m)附子三维0有8限6元模4型2如O图836所4示2。近时，最大稳定振幅最小，而处于两端和中间部位时，最大稳定振幅较大。图5稳定振幅与不同位置下不平衡质量的关系曲线图3转子三维有限元模型4结论3数值模拟计算分析(1)用ANS

8、YS软件建立了转子有限元模型，并3．1求解临界转速用COMBI214单元模拟转子轴承，通过施加不平衡通过谐响应分析可得到转子在不平衡质量激励激振力求出了转子的临界转速。下的临界转速。该方法是利用转子质量不平衡故障(2)通过瞬态响应分析了同一质量不同位置的产生的机制，即转子各横截面质心连线和各截面几情况下，不平衡质量引起的转子振动大小。得出了何中心连线不重合，