汽輪機轉子設計與轉子動力學分析

代有為

摘 要：本論文討論了幾種典型的汽輪機轉子振動現象，由于轉子旋轉而產生的外力，機械外力，電力外力，流體外力等。強迫振動分為同步振動和異步振動，轉子的旋轉對于一些振動模式，耦合振動的響應特性可以從非耦合振動急劇地改變。

關鍵詞：汽輪機；轉子；動力學

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.13.044

強迫振動分為同步振動和異步振動。同步振動定義為外力頻率為整數的振動。典型的同步振動是轉子質量分布不均勻引起的振動。如果外力的頻率與轉子轉速無關，則振動被稱為異步振動。自激振動是由各種機制引起的，在這些機制中，周圍流體或旋轉機械的能量被不斷地轉化為轉子的振動能量，在轉子上施加永恒力。典型的自激振動類型是油鞭和蒸汽旋渦。本論文討論了幾種典型的汽輪機轉子振動現象。

1 汽輪機轉子振動的分類

汽輪機轉子強迫振動是由外力引起的，外力可分為以下五種類型：

（1）由于轉子旋轉而產生的外力（由于轉子的不平衡、彎曲等）；

（2）機械外力（來自齒輪、其他連接機械等）；

（3）電力外力（來自電機、發電機等）；

（4）流體外力（由于控制級葉片的流動擾動等）；

（5）其他的（例如地震產生的外力）。

2 汽輪機轉子的強迫振動

2.1 振動是由于轉子不平衡

這種振動是由質量不平衡（軸向和切向方向轉子質量分布的不平衡）引起的，而在實際轉子上觀察到的大部分振動都是廣義上的振動。根據Q因子準則設計轉子，并適當平衡轉子，可以防止不平衡振動。 雖然設計和平衡轉子的技術已經有了很好的發展，但在這一領域中遇到的大多數振動問題仍然與廣義上的不平衡振動有關。汽輪機轉子不平衡振動的典型類型如下：

2.2 轉子幾何誤差引起的不平衡振動

在像汽輪機轉子一樣由剛性法蘭聯軸器連接的轉子中，即使每個轉子都是平衡的，在現場組裝整個轉子系統后，有時也會觀察到不平衡振動。 在制造過程中做得很好，這不僅是因為轉子在磁場中的支承條件與后加工試驗中的支承條件不同，而且也是因為轉子自體的誤差。換句話說，如果一個轉子有表面偏轉或在聯軸器偏離中心，轉子是由耦合轉子彎曲初始彎曲， 在轉子上產生頻率相等的強迫振動。

轉到轉子的速度。汽輪發電機在聯軸器處有面偏轉的頻率響應的例子，結果表明，這種偏轉引起的頻率響應 與通常的質量不平衡所造成的有很大不同。在汽輪機轉子的設計中，應確定端面撓度或聯軸器偏離中心的可接受誤差。

2.3 熱彎曲振動

由于熱彎曲引起的典型振動之一有時被稱為“彎曲轉子”振動。當高溫轉子停止工作一段時間后，轉子很大的不平衡。這種現象叫做彎轉子。轉子彎曲的原因是熱氣體聚集在轉子的上部，轉子由于溫度的升高而彎曲。 轉子上、下兩面之間的差異，通過在冷卻過程中轉動轉子，使轉子在圓周方向均勻冷卻，可以防止彎曲轉子。

過度不平衡的振動有時會發生在轉子摩擦固定物體，如密封，或油投擲器。這種振動被稱為由旋轉引起的熱彎曲振動。 托爾摩擦，或紐基爾克效應。在熱彎曲振動中，不穩定振動有時會增加，并最終達到極限環。在這種情況下，振動的振幅與頻率轉子轉速周期性變化。在某些情況下，這段時間可能是幾天，而在其他情況下，則不到1秒。在這種情況下，極限環的周期約為20小時，而振動的軌跡會產生一個環，中心對應于一定的振.動，這一現象是由熱彎曲引起的不平衡與轉子響應方向之間的相位差引起的。例如，在臨界速度下， 振動幅值的相位從轉子不平衡的方向延遲90。因此，轉子的“熱點”（摩擦點）逐漸向圓周方向移動。 和轉子在定子的整個周長上摩擦。如果不摩擦不平衡響應的方向與熱彎曲引起的響應方向一致，則振動的振幅變得很大。如果不摩擦不平衡響應的方向與熱彎曲引起的響應方向相反，則振動的振幅變小。同時，在轉子上觀察到振動幅值的周期性變化。

由于極限環的周期和轉子的穩定性取決于輸入和散熱，轉子的熱容量，臨界轉速與轉子的臨界轉速之間的關系。 轉子轉速等，目前尚不可能準確預測極限環的周期。然而，對轉子定子摩擦引起的熱彎曲振動的對策很簡單：這種振動，通常可以通過增加摩擦點與定子之間的間隙，在拆卸轉子后，確定摩擦的位置來固化。這種振動也可由軸頸軸承中轉子的旋轉引起，稱為Morton效應。Morton效應是由熱點引起的。 轉子的旋轉對于一些振動模式，耦合振動的響應特性可以從非耦合振動急劇地改變。

2.4 流體擾動引起的振動

在部分進氣操作下，在控制階段產生的流體擾動會隨機激發轉子。通常，第一彎曲模式是由這樣的隨機激勵力主導的， 當隨機激勵力很大時，轉子振動就會變得明顯。因此，轉子的大部分隨機振動可以通過去除或減少不期望的隨機振動來治愈激發力。另外，增加轉子阻尼是減小轉子對隨機激勵響應的另一有效對策。

由于部分進位操作不僅在轉子上產生隨機的激勵力，而且改變了軸承的載荷，導致了轉子的動態特性（剛度和阻尼）的變化方位。因此，在高壓汽輪機轉子的設計中，有必要評估部分進氣操作對轉子動力學的影響。

3 結論

綜上所述，振動是由于轉子不平衡，在汽輪機轉子的設計中，應確定端面撓度或聯軸器偏離中心的可接受誤差，通過在冷卻過程中轉動轉子，使轉子在圓周方向均勻冷卻，可以防止彎曲轉子，在高壓汽輪機轉子的設計中，有必要評估部分進氣操作對轉子動力學的影響。

參考文獻：

[1]盛步云，張濤，丁毓峰等.支承剛度對汽輪機轉子動力學特性的影響分析[M].機械設計，2008，12（25）：28-32.