汽輪機轉(zhuǎn)子動力分析

白潤

摘 要：汽輪機的發(fā)展非常迅速，轉(zhuǎn)速越來越快，由于汽輪機轉(zhuǎn)子的工作性質(zhì)，溫度在其復(fù)雜工況中處于重要的位置，溫度的改變往往影響其他參數(shù)，揭示了汽輪機轉(zhuǎn)子在動態(tài)載荷下位移隨時間變化的規(guī)律，為汽輪機轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：汽輪機；轉(zhuǎn)子；動力分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.09.026

汽輪機技術(shù)的發(fā)展速度很快，運轉(zhuǎn)的速度也大幅度加快，轉(zhuǎn)子是決定汽輪機運轉(zhuǎn)速度的關(guān)鍵， 我們要考慮到溫度的改變對各個參數(shù)的影響。振動信號在復(fù)雜的運行狀況中，起到?jīng)Q定性作用。從十九世紀中期就開始轉(zhuǎn)子動力學(xué)研究，著重研究轉(zhuǎn)子的壽命管理以及轉(zhuǎn)子的熱應(yīng)力，故障分析，診斷，能夠?qū)崿F(xiàn)實時在線狀態(tài)監(jiān)測和故障分析。

1 國內(nèi)外研究狀況

轉(zhuǎn)子動力環(huán)境考慮到高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速等不適宜環(huán)境下，是很難直接達到標準場，作為動力學(xué)的分支，轉(zhuǎn)子動力學(xué)的蓬勃發(fā)展在也給汽輪機發(fā)展奠定良好基礎(chǔ)。計算機轉(zhuǎn)子溫度及其熱應(yīng)力的方法很多，國外普遍采用的是一維數(shù)學(xué)模型或者場模擬的方法，甚至采用有限元計算和分析轉(zhuǎn)子應(yīng)力，處理轉(zhuǎn)子表面的換熱系數(shù)和金屬材料的物理特性。轉(zhuǎn)子承受周期性的溫度變化和交變應(yīng)力大，英國人Jeffcott在20世紀初提出轉(zhuǎn)子的研究新模型。美國的GE，Lukas等研究了轉(zhuǎn)子壽命損耗曲，振動監(jiān)測、性能監(jiān)測。在1978年日本研發(fā)出汽輪機自啟動系統(tǒng)，這種自啟動通過設(shè)定閥值比較，實現(xiàn)無損狀態(tài)檢修。一維解析模型分析空氣動力學(xué)性能，疊加分段線性。在超臨界轉(zhuǎn)速狀態(tài)下，用數(shù)值方法模擬電路溫度場。溫度的試探需要長期的研究。美、日、德在診斷和檢修方面有長足的優(yōu)勢。

國內(nèi)對轉(zhuǎn)子應(yīng)力的研究起步較晚，初期嘗試有限元法、解析法等解析故障診斷系統(tǒng)，。一些尖端的科學(xué)家如孟光、顧家柳等，對轉(zhuǎn)子力學(xué)做出前沿的巨大貢獻。通過研究發(fā)達國家的各種先進技術(shù)，最早國內(nèi)對汽輪機轉(zhuǎn)子的不平衡和不對中等情況作出故障診斷。后來研發(fā)熱應(yīng)力在線監(jiān)測系統(tǒng)，并投入使用到電廠，經(jīng)過試驗、完善計算程序的編程。對國產(chǎn)300MW型號的機器進行疲勞性和脆性的實驗和檢測，可以通過溫度異常變化得到預(yù)警。清華大學(xué)王正的“什么是轉(zhuǎn)子動力學(xué)”深刻闡述了轉(zhuǎn)子的概念和相關(guān)課題。各種熱應(yīng)力檢測設(shè)備逐漸投入使用，采用小波分析方法對故障檢測。1989年能源部開課題“汽輪機轉(zhuǎn)子壽命的監(jiān)測”，針對機器故障由疲勞和蠕變引起的做研究。

2 汽輪機轉(zhuǎn)子運行原理

汽輪機是一種將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)換成機械功的旋轉(zhuǎn)式原動機，蒸汽膨脹后壓力降低，速度提升，把熱能轉(zhuǎn)化成動能，機械能，帶動發(fā)動機。轉(zhuǎn)子在瞬間的加熱冷卻后，得到較大熱應(yīng)力 ，蒸汽對轉(zhuǎn)子的換熱系數(shù)影響很大，以及轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)，軸承等要素。汽輪機啟動過程需要控制轉(zhuǎn)子的熱應(yīng)力，沖動力影響運動物體的質(zhì)量和速度變化和轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速、不平衡響應(yīng)和穩(wěn)定性。一維模型以及二維模型的計算需要使用有限元來求解固有頻率以及瞬態(tài)響應(yīng)，重點分析溫度場。在溫度的冷熱交換中，轉(zhuǎn)子承受交變熱應(yīng)力，計算機控制監(jiān)測轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力，優(yōu)化了啟動程序，提升汽輪機的經(jīng)濟性和發(fā)電效率。熱血原理中，溫度升高導(dǎo)致循環(huán)次數(shù)減少，氣溫氣壓都是影響轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力特性的計算因素，汽輪機進汽，引起轉(zhuǎn)子震動，從盤車轉(zhuǎn)速上升為同步轉(zhuǎn)速，降低熱應(yīng)力。熱分析計算出各個節(jié)點溫度，計算方法主要有有限元、傳遞矩陣法、模態(tài)綜合法和剛度法。轉(zhuǎn)子溫度升高會加大偏差，材料也會影響數(shù)值，但決定因素還是轉(zhuǎn)子的內(nèi)外溫差。轉(zhuǎn)子壽命預(yù)測考慮屈服極限問題， 當轉(zhuǎn)速值超過報警極限，就當即產(chǎn)生轉(zhuǎn)速保持。溫度要低于蒸汽飽和度，中心無內(nèi)熱源，蠕變與疲勞交互作用，轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力，熱流密度，熱梯度等，結(jié)合計算出熱應(yīng)力和位移。熱量凝結(jié)后傳遞轉(zhuǎn)子表面，熱能與其它形式能量轉(zhuǎn)換，推算出向量公式。過程復(fù)雜，溫度升高參數(shù)變化，熱應(yīng)力的壽命損耗計算，轉(zhuǎn)軸的升溫，保持應(yīng)力裕度，溫度的分布隨時間變化的載荷，設(shè)置時間曲線，與溫度曲線相互作用。大容量的汽輪機應(yīng)用雙層杠結(jié)構(gòu)，因此要減薄壁厚，放熱系數(shù)也隨著轉(zhuǎn)子的溫度表換，無論軸向還是徑向都較平緩。氣缸金屬溫度不下降，主溫度大概在在450℃以上，潤滑油溫度在40℃左右。最大溫度隨蒸汽溫度升高，專業(yè)到達滿負荷。停機時候主蒸汽要保持50℃的過熱度。

3 技術(shù)分析

模態(tài)分析是進行其他動力學(xué)分析的基礎(chǔ)，轉(zhuǎn)子內(nèi)表面冷卻慢，升溫率影響應(yīng)力值和壽命損耗率，啟動停止優(yōu)化準則可以對調(diào)峰方式評估，選取適當?shù)拈g隔時間，在轉(zhuǎn)子中心調(diào)節(jié)級，計算汽輪機的冷態(tài)啟動，溫太啟動，熱態(tài)啟動，停機過程的溫度場，暖機過程會比較緩慢，內(nèi)外表面溫差加大，蠕變斷裂時間變短，壽命的評估一般采用線性累積損傷法，當轉(zhuǎn)子振幅超過動靜間隙，出現(xiàn)碰摩，使一部分動能轉(zhuǎn)變成熱能。間隙的變化引起摩擦變化，在碰摩周期內(nèi)，轉(zhuǎn)子與靜子隔離開，溫度分布不均勻，當轉(zhuǎn)速低于臨界值時，滯后角小于90度，故障產(chǎn)生震動信號，摩擦加劇引起轉(zhuǎn)子的彎曲變形。通過仿真研究分析轉(zhuǎn)子的熱應(yīng)力分布，找出危險位置，對轉(zhuǎn)子故障研究有積極的作用。