径轴流汽轮发电机组模化轴系特性研究

戴日辉,刘 喆,张广辉

(1.海装沈阳局驻哈尔滨地区第三军事代表室,黑龙江 哈尔滨 150078;2.哈尔滨工业大学 能源科学与工程学院,黑龙江 哈尔滨 150001)

0 引言

转子系统的临界转速是必须考虑的重要参数对于旋转机械设计来说,若转子系统的工作转速在临界转速附近,系统会出现大幅度的振动[1-4],进而会造成重大的事故。对于径轴流式汽轮机,目前正朝着高效率高转速的方向发展,因此确定径轴流式汽轮机转子的临界转速对于汽轮机的安全运行至关重要[5-7]。

国内外很多学者在临界转速方面有着较深的研究,OMvklestad和MAProhl 1944年和1945年,用于解决多圆盘轴振动的初始参数法成功推广到解决轴的横向振动问题,从而定量计算转子的临界转速[8]。后来,一些学者提出了Riccati传递矩阵法,将计算方法和计算精度提高到一个新的水平。在计算临界速度时,许多国内研究人员常用的能量法和瑞利一里兹 (Rayleigh—Ritz)法,邓克莱(Durkerley)法律等,但这些方法基本上假设模型中的支撑是刚性的,因此只适用于解决低速、简单转子的临界转速[9]。目前,临界速度的计算方法相对完善,主要分为有限元法、传递矩阵法、模态综合法和动刚度法[10]。最常用的方法之一是传递矩阵法和有限元法。传递矩阵法计算临界转速时,大多采用迭代搜索法编制计算程序,分析转子的临界转速;有限元法是根据变分原理解数学物理方程的数值计算方法。它可以直接从转子的物理模型开始离散转子,然后对离散模型进行严格的数学处理[11]。

本文针对径轴流式汽轮机转子的动力学特性进行研究,基于有限单元法将等转子划分轴段,仿真计算模化转子的临界转速及模态振型,并搭建了径轴流式汽轮发电机组模化转子试验台,通过电涡流位移传感器、加速度传感器等监测轴系振动特性,进而获得临界转速。通过比对仿真计算的临界转速与试验得出的数据,给出径轴流式汽轮机发电机组转子的安全工作转速区间。

1 计算模型

径轴式汽轮机组转子结构如图1所示。转子部件上设有径流级叶轮、轴流级叶轮和高速永磁电机转子。汽轮机和电机采用一体化转子,三轴承支承。

图1 模化转子设计模型

根据动力学相似原则,基于有限单元法,采用等截面的Timoshenko梁单元划分轴段,根据轴系转子结构和轴承位置,将模化高速一体化转子划分成42段梁单元,共43个节点,进而建立起有限元模型如图2所示。

图2 转子有限元模型

模化转子是一体化转子,需要三轴承。此外,在转子-支承系统中,转盘结构的弹性一般不做考虑,只考虑质量和旋转惯量。当结构中的几个轮盘满足旋转惯性大于直径旋转惯性时,类似的设计可以简化为刚性轮盘,只需确保轮盘结构的质地位置、质量和旋转惯性与简化前一致即可。

2 模化转子仿真计算

模化后的推进轴系总长1.488 m,材料为34CrMo1,密度为7 850 kg/m3,弹性模量为2.18×1011N/m,需要3个轴承支承。

2.1 刚性支承

将转子支承轴承处刚性连接,计算模化转子的临界转速,计算结果如表1所示。

表1 刚性支承临界转速结果

图3至图5给出了刚性支承下转子的坎贝尔图、一阶及二阶振型图。

图3 刚性支承下转子坎贝尔图

图4 刚性支承下转子1阶振型

图5 刚性支承下转子1阶振型

2.2 弹性支承

将转子支承轴承处弹性连接,计算模化转子的临界转速,计算结果如表2所示。

表2 弹性支承临界转速结果

图6至图8给出了弹性支承下转子的坎贝尔图、一阶及二阶振型图。

图6 刚性支承下转子坎贝尔

图7 刚性支承下转子1阶振型

图8 刚性支承下转子2阶振型

2.3 仿真结果

弹性支承与刚性支承下的结果如表3所示,弹性支承下转子的临界转速大幅度降低,且各阶振型主要为轴的平动或锥动。从转子的坎贝尔图中得到的临界转速与表中结果相同,因此转子1、2阶临界转速分别为6 471 r/min,12 371 r/min,运行工作转速应避开1、2阶临界转速。

表3 临界转速结果汇总

3 模化转子临界转速试验

3.1 转子试验台

模化高速转子试验台如图9所示,由于转轴和转盘具有初始不平衡量,因此在进行转子试验前,先对转子进行动平衡,使得转子在试验规定转速下具有较小的不平衡量以满足试验要求。

图9 试验原理图

图10为模化转子-轴承-弹性支承系统实物图,系统包含了径轴式高速轴承试验件和径轴式高速转子试验件。其中,通过检测轴系升降速过程个测点振动特征,获得轴系的临界转速。图11给出了相应传感器安装布置示意图。

图10 模化高速轴系试验台

图11 传感器安装布置示意图

如图11所示,模化高速转子试验台在#0处布有1个光电传感器,用于获取转速信号;在试验台轴承出布置的1X、2X、1Y、2Y、3X、3Y六个测点,布置有6个电涡流位移传感器,以监测模化高速轴系相对轴承座的振动,同时在三个轴承座端盖水平和竖直面,分别布置6个加速度传感器,监测轴承座处在升降速过程的振动加速度特性。

3.2 试验结果分析

图12至图14为模化高速转子2#轴承处轴颈降速过程中基频振动监测示意图及X、Y方向基频振动波德图、三维频谱图,由图可知,模化转子转速为6 750～6 850 r/min在此之间,基频相位和振幅值发生了显著变化,然后判断一阶临界速度为6 750～6 850 r/min在范围内,模化高速一体化转子-轴承系统的临界速度约为6 790 r/min。

图12 模化高速转子降速过程基频振动监测示意图

图13 模化高速转子降速过程2X测点处基频振动波德图

图14 模化高速转子降速过程2Y测点处基频振动波德图

图15 降速过程2X处三维频谱图

图16 降速过程2Y处三维频谱图

由于刚性支承属于理想情况,因此试验测得的临界转速6 790 r/min为弹性支承下径流式汽轮机的临界住宿,其与仿真分析的误差为

(1)

试验结果与仿真结果在5%的误差。

4 结论

(1)设计了径轴流式汽轮机发电机组轴系,并基于有限单元法,采用等截面的Timoshenko梁单元划分轴段建立了有限元模型,并仿真计算了弹性支承下及刚性支承下的模化转子的临界转速及前两阶模态振型。

(2)建立模化高速转子试验台,在轴系上设置光点传感器、电涡流位移传感器及加速度传感器,用于获取转速、位移、加速度等信号,并计算高速转子的临界转速。

(3)径流式汽轮机转子试验的临界转速与仿真计算的临界转速误差在5%内,径流式汽轮机转子在工作时安全转速应避开6 790 rpm,为节能型径轴流汽轮发电机组设计提供基础。