内容发布更新时间 : 2024/11/15 6:00:18星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

12MW汽轮机转子临界转速的模态分析

【摘 要】汽轮机转子系统的结构比较复杂，对转子动力特性—临界转速的计算是相关转子在运行中是否能够稳定运行的关键。过去对临界转速的计算主要采用集中质量的传递矩阵法，计算非常复杂，而且精确度不高，随着计算机技术的发展通过三维建模采用分布质量的模态分析法逐步显示出其优越性。本文通过对热电分厂12MW汽轮机有限元分析，成功计算出了其临界转速。

【关键词】汽轮机转子；固有频率；临界转速；模态分析

0.引言

汽轮机的转动部分总称转子，主要有主轴、轮盘、动叶及联轴器等组成，它是汽轮机最主要的部件之一，起着能量转换及扭矩传递的任务。转子的工作条件相当复杂，它处于高温工质中，并以高速旋转，它不仅承受着叶片、叶轮、主轴本身质量离心力所引起的巨大应力以及由于温度分布不均引起的热应力，而且还要承受巨大的扭转力矩和轴系振动所引起的动应力，因此要求转子具有很高的强度。

本文分析的是由南京汽轮发电机厂生产的12MW的转子，该转子由三个压力级与一个复速级叶轮组成，叶轮与主轴之间的连接采用套装方式。套装叶轮借助于过盈力与轴连接在一起。转子的驱动依靠蒸汽在流动中压力与温度降低所产生的焓降加速蒸汽流动，在蒸汽的流动的过程中，对汽轮机叶片产生力的作用，从而使汽轮机的转轴产生高速的转动产生机械能。联轴器是连接转子系统和发电机转子的零件，通过转轴的高速旋转带动发电机转子转动产生电能。这样汽轮机转子工作过程中的能量转换为热能—动能—电能。滑动轴承对整个汽轮机转子系统起一个支撑作用，并对转轴的径向和轴向进行约束。

在实际的转子—轴承系统中，转子本身是一根阶梯轴，上面装有叶轮、电枢和联轴器等，可以视作由变截面的轴和分布在其上的若干圆盘组成。汽轮机转子的几何模型主要包括几个大的部分，转轴、叶轮、叶片、联轴器等。为了能对转子进行模态分析，必须对转子各个零件进行三维实体建模，然后对各个零件进行装配。在汽轮机装配模型中，可以对转子的各个零件进行干涉检查，以保证汽轮机转子系统装配的合理性。从而提高建模的准确性。对整个转子系统进行装配以后，可以通过SolidWorks中的工具命令设定各个零件的密度，并获得质量特性，体积，表面积，重心坐标，惯性张量、惯性力矩等参数。下图是用SolidWorks制作的汽轮机转子三维实体模型图。

1.汽轮机转子数学模型

在汽轮机转子的实体建模过程中的一个重要问题就是几何模型的简化处理，几何模型简化实际上就是在物理模型的基础上建立结构的力学模型的过程。利用转子本体零件之间的关系，并按照质心不变原则，对转子本体进行简化。

对汽轮机转子模态分析，我们采用有限元法。所谓有限元就是在建立有限元动力学分析模型过程中，要对实体模型进行离散化处理，即变无限为有限，将无限多个自由度系统（连续系统）离散化为有限自由度系统（离散系统）。一般用集中质量法和有限元法对结构进行离散化。由于集中质量法主要用于传递矩阵中，这里不做过多的讨论，我们主要使用有限元法。有限元法是将研究对象划分成一些既不重叠又无缝隙的微小区域，选择各个单元各交接点，即节点上的位移为广义坐标，以内插法由节点位移计算单元内部任意节点的位移。

汽轮机转子在进行动态特征之前，如果我们把所有的因素都考虑进去，就会使问题变得极为复杂，所以在分析前需要对其进行前处理，即对模型进行适当的简化，从而提高有限元分析的效率，缩短分析计算的时间。但要考虑简化后的模型对分析结果的误差不大，一般来说，对于那些对汽轮机转子模态分析影响不大的因素，可以将它们忽略掉，但不能将转子主要的结构特征和力学特征作太大的改变，以免对分析结果产生很大的影响，从而使分析过程无效。在简化过程中主轴尽可能的简化为光轴，忽略掉许多半径变化不大仅起过渡作用的阶梯。叶轮、叶片可以简化成一个圆盘，简化前后叶轮叶片相比较，简化后的模型应该满足以下几个条件：

（1）简化前后质量m不变，极转动惯量Jρ不变，轴段抗弯刚度W不变。

（2）简化前后离心力F不变。

2.转子计算机模态分析

3#机转子的前5阶临界转速

汽轮机转子的实际工作转速为3000r/min、汽轮机在工作的过程中，转速从0r/min上升到工作转速3000r/min，从上面的计算可知：转子的前两阶临界转速分别为1701rpm和2441rpm，也就是说工作转速要穿越第一第二临界转速，虽然这在汽轮机组设计中并不多见，但却与实际运行相符合，3#机在启动升速过程中总会出现两个振动比较大的转速，转速区间与上述分析基本符合。

3.结束语

随着汽轮机工业不断发展，转子的转速越来越快，转子的工作转速常高于一阶或二阶临界转速，汽轮机如果长期在接近临界转速状态下运行，将会造成转轴发生塑性变形从而遭到破坏。为了使汽轮机转子能够安全稳定运行，必须迅速通过临界转速，而不允许在其附近工作。对临界转速进行分析计算的目的就是尽量在实际工作总避开它，以免发生激烈的振动，因此对汽轮机转子临界转速的研究就具有非常重要的意义。 [科]