超超临界汽轮机组转子系统振动特性及若干故障转子非线性特性的研究

摘要

随着我国电力工业结构的调整，研制、生产和发展超超临界等大型汽轮发电机组是节约能源、改善环保、提高发电效率、降低发电成本的必然趋势。但汽轮机蒸汽参数的提高，密封间隙的减小，增大了汽轮机转子密封间产生的密封力，同时由于采用滑动轴承而引起的油膜力，使超超临界汽轮机组转子系统发生失稳的问题越发严重。由于密封间隙的减小，增大了转子与密封间发生碰摩故障的可能性。碰摩过程中产生大量的热量，严重的可以造成转轴发生永久弯曲，这种弯曲又进一步加剧了碰摩的程度。在实际的大型汽轮发电机组中，由于转子质量不平衡和外激励等因素的存在而导致转子系统发生弯扭耦合振动问题更加突出，使系统振动表现出复杂的非线性特征，进一步增加了转子系统失稳的可能性。本文针对以上问题开展了研究，研究内容和成果如下： ⑴针对大型汽轮机组中密封力和油膜力联合作用引起的轴系流体失稳问题，基于有限元法，开发了能够计入密封力和油膜力等因素的大型汽轮机组轴系动力学特性和稳定性分析软件。该软件可以计算轴系各阶振型与临界转速，进行系统稳定性的分析。利用该软件研究了国产1000MW超超临界汽轮机组轴系的振动特性，解决了该机组稳定性分析这一实际问题。计算结果表明：密封力对超超临界汽轮机轴系的影响，主要集中在高压和中压轴段；且使对数衰减率显著减小，表明由于密封力的影响，系统稳定性下降。 ⑵对密封力和油膜力作用下转子轴承密封系统的振动特征和稳定性进行了试验研究。在国内首次建立了高压比、高转速的转子轴承迷宫密封系统模拟试验台，其关键参数与实际汽轮机保持一致。利用该试验台，得到了系统的第一阶临界转速，研究了系统由于油膜涡动和油膜振荡而导致系统失稳的过程，分析了密封力对转子系统稳定性的影响。同时，采用所开发的软件，对试验台的转子系统进行了理论研究。理论计算结果和试验结果基本吻合，证明了开发软件的正确性。结果表明对于试验台转子系统：密封力降低了系统的临界转速，随着气体压力的升高，临界转速进一步下降；系统因为油膜涡动和油膜振荡失稳，而密封力降低了系统的失稳转速，随着气体压力的升高，系统的失稳转速进一步减小。 ⑶进而将试验台转子系统简化为Jeffcott转子，采用短轴承理论建立了油膜力的非线性模型，采用Muszynska模型得到了非线性的密封力，建立了考虑油膜力和密封力的转子轴承密封系统非线性方程。通过数值仿真研究了系统参数如转子转速、密封间隙、密封压差和系统阻尼等对系统非线性特性和稳定性的影响。并将非线性分析的理论结果与试验结果进行了比较，结果基本吻合。 ⑷针对实际汽轮机组中广泛存在的初始弯曲故障和碰摩故障展开了理论研究。首先研究了具有初始弯曲的转子系统发生碰摩的条件，引入了判断碰摩发生的碰摩因子，计算了碰摩开始的起始转速。基于d'Alembert原理，建立了含初始弯曲的不平衡Jeffcott转子系统动力学方程，通过解析方法，分析了质量偏心量、初始弯曲长度、转子阻尼系数等对碰摩因子和碰摩起始转速的影响。然后建立了具有初始弯曲的碰摩转子轴承系统模型；考虑了非线性的油膜力和碰摩力模型，得到了相应的非线性方程。通过数值仿真，研究了系统参数如转子转速、初始弯曲长度等对于系统非线性特性的影响。发现系统具有丰富的周期、拟周期和混沌运动形式。同时发现，初始弯曲的存在较大地改变了系统发生碰摩的转速，改变了碰摩发生后转子运动形式和系统进入或离开混动的方式。 ⑸应用Lagrange方程建立了转子弯扭耦合振动模型，考虑了六个方向的自由度。分析了两种转子不平衡的作用，即静不平衡和动不平衡，同时考虑了重力和陀螺效应的影响。建立了在外激励力和激励扭矩作用下、考虑重力和陀螺效应的不平衡转子系统弯扭耦合振动的非线性方程。通过数值仿真求解了系统的数值解，分析了该类转子系统弯扭耦合振动的非线性特性。

目录

文摘

英文文摘

论文说明:主要符号说明

声明

第一章绪论

1.1本文的研究背景与意义

1.2研究现状分析

1.3本论文的主要工作

第二章超超临界汽轮机组转子系统振动特性分析

2.1引言

2.2转子系统的有限元模型

2.3稳定性分析及临界转速和振型计算

2.4大型汽轮机转子系统稳定性分析软件的开发

2.5超超临界汽轮机转子系统振动特性分析

2.6本章小结

第三章汽轮机转子系统动力学特性模拟试验

3.1引言

3.2试验台与测试系统

3.3试验内容

3.4试验结果与理论计算结果的比较

3.5本章小结

第四章转子轴承密封系统非线性动力学特性分析

4.1引言

4.2转子轴承密封系统非线性系统

4.3数值仿真

4.4试验结果

4.5本章小结

第五章具有初始弯曲的转子系统碰摩故障研究

5.1引言

5.2具有初始弯曲的不平衡转子系统碰摩条件

5.3具有初始弯曲的不平衡转子轴承系统碰摩非线性特性研究

5.4本章小结

第六章外激励作用下转子系统弯扭耦合振动特性研究

6.1引言

6.2系统模型与振动方程

6.3方程的数值解

6.4本章小结

第七章总结与展望

7.1全文总结

7.2主要创新点

7.3研究展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间成果