大型汽轮机转子系统流体诱振及稳定性研究

摘要

面对我国能源利用率低、人均资源量少的两大短板，核汽轮机、超超临界汽轮机、热电联产汽轮机等大型发电机组因其高效环保等突出优势成为能源产业核心装备的主要发展趋势。但大型机组具有超长轴系(＞10m)、大柔性末级叶片(＞1.3m)及围带等复杂结构特点和在湿蒸汽区运行承受复杂的宽频域强非线性流体激励，使转子系统的复杂振动成为大型汽轮机组安全稳定运行和大规模发展应用的关键限制因素之一。本文以1000MW级汽轮机组为研究对象，围绕大型汽轮机转子不同运行工况下的多种振动失稳形式，以提高供能/热效率、保障运行稳定性为主要研究目标，利用理论解析和数值仿真等研究方法，对大型汽轮机组在多种运行工况下的流体激励及其诱振机理、转子系统的失稳机制与影响因素深入研究。 基于非等温修正的经典成核理论和低压修正的液滴生长模型，建立三维湿蒸汽非平衡凝结流动控制方程，分别探讨了额定流量和小流量两种不同工况下三维湿蒸汽流场影响流体激励的主要变量及影响机理，考虑湿蒸汽非平衡凝结过程中气-液两相间温差(PTD)和进气流量降低产生的小流量扰动(SFD)诱发的压力脉动，建立了适合大型汽轮机特点的基于流场仿真的复杂工况流体激励数值求解方法，可解决难以实验辨识旋转叶片湿蒸汽环境下复杂激励的难题。 基于流体激励建模及数值求解方法，计算获得不同工况下的流体激励，研究PT及其诱发的压力脉动对额定流量工况非平衡凝结激励的影响;通过分析热电联产SFD诱发的压力脉动对流体激励的影响，结合流场相变传热（成核区）、静熵突变（激波分布）以及脱流漩涡（流线分布）等不稳定流动特性，阐明了不同进气工况下流体激励的产生机理及幅频特性。结果表明，额定流量工况下，流场主要激励源为非平衡凝结流激励，主要产生机理为叶片表面成核区内的气液相间温差改变流道内激波的位置和类型、重构压力分布并加剧压力脉动，与平衡凝结相比，其诱发的转子响应的频率成分更复杂且幅值更大。热电联产小流量工况，随着流量降低，湿蒸汽尚未达到成核条件就脱离叶片表面，流域内产生的脱流、漩涡和附面层分离加剧叶片表面压力脉动导致出现多个倍转频等激励分频且频带变宽，这种多频率、宽频域复杂激励更易引起系统的多种频率成分的强迫振动、共振或失稳。 综合考虑柔性叶片的几何非线性、不同工况下的复杂流体激励及其诱发的围带摩擦阻尼激励依赖非线性等因素，建立大型汽轮机转子系统非线性动力学模型，利用相对动柔度判定法和CN群论对模型简化降维。面向不同的分析需求，分别将转子结构离散为三维实体单元和欧拉伯努利梁，空间扭曲梁单元。引入多谐波平衡法建立考虑复杂多频激励依赖非线性的围带摩擦阻尼等效模型及定量求解方法。在此基础上，求解转子系统不同运行工况下的瞬态振动响应，分别分析了不同流量下进气参数（进气速度V、进气角η）和不同转速对系统振动响应的影响规律以及围带摩擦阻尼耗能对系统振动响应的减幅作用，并用1000MW机组运行在线监测振动响应数据进行比较分析验证。 综合考虑激励和非线性因素对系统稳定性的影响，依据Floquet理论单值矩阵的特征乘子与单位圆的关系，推导多频激励下的稳定性判据;利用Runge-Kutta法数值积分求解采用欧拉梁-空间扭曲梁离散的转子系统运动方程，研究进气参数（V、η）和转速Ω对系统响应非线性分岔行为的影响规律，探讨不同工况下系统失稳机制及敏感变量，建立流致失稳的三维（Ω-η-V)稳定性极限曲面，针对热电联产小流量工况的三种临界失稳流量阈值（降焓鼓风、逆压失速和流致失稳），建立考虑多场耦合激励的多判据复合稳定性预测方法;研究围带参数对系统响应非线性分岔行为的影响规律，基于围带零阻尼平面，提出适用于在设计初期预测大型汽轮机组稳定性的便捷预判方法。 以最大稳定性的供能/热效率和对应工况下围带内阻尼最优为优化目标，以满足设计强度、无运行故障为约束条件，以进气速度、进气角度和围带参数为优化设计变量，提出了基于围带阻尼增稳减振效果最优的稳定性动态优化方法，可为在设计阶段进行稳定性预测围带结构动态优化提供理论依据和方法。实例分析表明，优化后的进气参数和围带摩擦阻尼使系统稳定运行区间增大，为在设计阶段进行稳定性预测及动态优化提供工程应用方法，可有效避免凭经验设计的“先天不足”。

目录

声明

摘要

符号说明

第1章 绪论

1．1 课题背景及意义

1．2 大型汽轮机组流体诱振及失稳机制研究现状

1．2．1 流体激励及其诱振特性研究现状

1．2．2 转子系统动力学建模及求解方法研究现状

1．2．3 围带摩擦阻尼及其对系统动态特性的影响研究

1．2．4 转子系统稳定性预测方法研究现状

1．3 现存主要问题及本文研究内容

1．3．1 现存主要问题

1．3．2 本课题主要研究内容

第2章 湿蒸汽流体激励及其数值求解方法

2．1 湿蒸汽非平衡凝结过程的流体激励

2．1．1 湿蒸汽非平衡凝结三维流动数值模型

2．1．2 额定流量工况下的流体激励

2．1．3 小流量工况下的流体激励

2．2 基于流场仿真的流体激励数值求解方法

2．2．1 流场计算域及网格划分

2．2．2 湍流及相变模型设置

2．2．3 边界条件及数值求解设置

2．2．4 基于流场仿真的等效流体激励数值计算方法

2．3 流体激励数值求解方法的验证

2．3．1 湿蒸汽非平衡凝结流动数值模型及求解方法准确性验证

2．3．2 网格无关性验证

2．4 本章小结

第3章 不同进气工况下的流体激励特性及影响因素

3．1 额定流量工况下的流体激励及幅频特性

3．1．1 非平衡凝结过程流动特性

3．1．2 非平衡凝结过程叶片表面瞬态分布压力

3．1．3 湿蒸汽非平衡凝结过程的流体激励及影响因素

3．2 小流量工况下的流体激励特性

3．2．1 不同流量工况下的流动特性

3．2．2 不同流量工况的瞬态分布压力

3．2．3 不同工况下的流体激励及影响因素

3．3 本章小结

第4章 大型转子系统流体诱振机理及响应特性

4．1 考虑叶片柔性和围带摩擦阻尼的转子系统非线性动力学模型

4．1．1 大型转子系统动力学建模及简化降维

4．1．2 复杂激励下的围带摩擦阻尼等效模型及定量求解方法

4．2 多频激励诱发围带摩擦阻尼及其影响变量分析

4．2．1 围带摩擦阻尼定量计算实例

4．2．2 不同流量工况围带摩擦阻尼影响变量分析

4．2．3 不同转速下围带摩擦阻尼影响变量分析

4．3 大型汽轮机转子系统振动响应及影响变量分析

4．3．1 进气参数对系统振动响应的影响

4．3．2 启动过程系统振动响应特性研究

4．3．3 围带摩擦阻尼对系统响应的抑振效果分析

4．4 本章小结

第5章 不同工况下转子系统的失稳机制及稳定性预测

5．1 不同运行工况下的转子系统振动

5．1．1 转子系统的振动及其频晌特性

5．1．2 颤振与强迫振动的频率特性

5．2 不同工况转子系统失稳机制及影响因素

5．2．1 不同进气工况失稳机制

5．2．2 变转速工况的失稳机制

5．3 稳定性极限预测方法

5．3．1 基于系统频响函数的稳定性极限预测方法

5．3．2 小流量工况下多判据复合稳定性预测方法

5．3．3 基于围带零阻尼平面的系统稳定性快速预判方法

5．4 大型机组转子系统稳定性动态优化

5．4．1 动态优化三要素

5．4．2 动态优化方法

5．4．3 动态优化分析实例

5．5 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 全文总结

6．2 创新点

6．3 工作展望

参考文献

附录

攻读博士学位期间发表的论文及科研情况

致谢