汽轮机某级质量不平衡分布振动响应分析

孟召军，孙 鑫，刘彦良，郭智娟

（沈阳工程学院a.能源与动力学院；b.研究生部，辽宁 沈阳 110136）

汽轮机是火力发电厂中最核心组成部分，是一种以轴为核心部件的结构复杂的回转机械。近些年来，随着工业生产和科学技术的发展，越来越多的大型机组投入运行。机组容量的增加使结构和系统更加复杂，机械设备的各方面问题都显得特别重要。由于汽轮机兼具功率大、效率高的优点和设备结构复杂、运行环境特殊的缺陷，使得其既对社会具有重要意义又有较高的故障率。由于汽轮机在运行过程中承受较大的热应力、机械应力、离心力以及轴向力的作用，所受应力情况复杂，进而发生振动，产生噪声、碰磨使工作效率降低，严重时汽轮机转子会发生变形甚至断裂。因此，如何降低振动、控制临界转速、降低故障率是设计旋转机械设备的重要课题。

目前，在处理汽轮机转子振动、碰磨等问题上，转子动力学计算方法中的有限元方法具有更加规范、严谨、方便的优点，并且辅以实验数据验证，可以使计算结果更加真实有效。因此，本文利用有限元法来分析汽轮机转子的固有频率和临界转速，并通过模态分析的理论对某亚临界300 MW 汽轮机组的振动、临界转速以及大轴弯曲程度进行分析。

1 模态分析原理

模态分析方法是动力领域研究动力学分析的基础，也是在无外部载荷时对被选取零件结构自由振动的分析。模态是各个固有频率对应的振动形态。模态分析在有限元分析中属于线性分析的范畴，但本文中汽轮机材料具有线性、非线性、恒定或与温度相关的性质。任何单个多自由度的振动系统采用的基本动力学微分方程为

式中，[M]为系统的质量矩阵；[C]为系统的阻尼矩阵；[K]为系统的刚度矩阵；{ü}为加速度向量；{}为速度向量；{u} 为位移向量；{F(t)}为动激励载荷向量。

如果不考虑阻尼对汽轮机转子的影响，且该系统为自由振动，则式（1）变为

假定系统结构为线性，且为简谐运动，则式（2）变为

利用上述微分方程对本次使用的汽轮机转子的振动特性求解时，应选取布洛克-兰斯洛尔的特征值求解法。

2 模型及约束条件

某国产亚临界300 MW汽轮机高、中压转子的材料为30Cr1Mo1V。汽轮机转子全长为7 868.5 mm，两端轴承的长度为6 100 mm，调节级叶片长度为256.0 mm，中压缸第一级叶片长度为376.0 mm，中压缸末级叶片长度为581.0 mm，如图1 所示。考虑到汽轮机转子轴承的支撑和实际情况，将轴以及叶片等效为圆盘形状，并在中压缸末级相同位置处加装不同质量块，建立有限元模型，如图2 所示。由于尺寸过长，在进行网格划分时为了保证数据的准确性，将模型划分为302 565个网格，如图3所示。

图1 300 MW机组汽轮机高、中压转子结构

图2 300 MW机组中汽轮机高压、中压转子三维模型

图3 300 MW机组中汽轮机高压、中压转子网格划分

3 模态计算结果分析

表1 为通过ANSYS 软件进行模态分析得到的300 MW 汽轮机组高、中压转子前两阶的固有频率和临界转速。以表1 数据为基础，在中压缸末级相同位置加质量分别为300 g和400 g的质量块，再次分析固有频率和临界转速，如表2 所示。通过分析可知，当加300 g质量块时，固有频率和临界转速都有大幅度的下降；当加400 g质量块时，固有频率和临界转速也有大幅度的下降，且下降幅度较加300 g质量块时要大。

表1 模态分析300 MW机组汽轮机高压、中压转子前两阶固有频率和临界转速数据

图4、图5 和图6 分别为加300 g 质量块、400 g质量块和800 g质量块时前两阶的振型。以未加质量块时汽轮机高、中压转子前两阶的振幅数据作为参考，比较加300 g质量块和加400 g质量块后的振幅变化发现，振幅有较小的增加。利用图4、图5 和图6 的数据进行对比可以得出，在此模型下对中压缸末级增加800 g 以内的质量块，其振幅无明显变化。

表2 加质量块前后数据对比

图4 加300 g质量块时前两阶振型

图5 加400 g质量块时前两阶振型

图6 加800 g质量块时前两阶振型

4 结论

1）利用有限元分析软件可以较好地模拟300 MW 汽轮机高、中压转子前两阶固有频率及其临界转速，并分析不平衡质量对临界转速的影响。

2）利用有限元软件能够迅速模拟汽轮机转子的动平衡，当发生质量不平衡时，对大轴弯曲程度作出判断。

3）通过对转子的模态分析以及大轴弯曲程度的判断，对研究汽轮机末级结垢程度有参考意义。