汽輪機轉子熱彎曲的原因及其振動特性研究

陳壽岳

（中國鋁業廣西分公司，廣西 平果 531400）

0 引言

汽輪機轉子熱彎曲作為一種重要的失效模式，對汽輪機的安全性、可靠性和運行效率產生了極大的影響。熱彎曲現象主要是由于轉子在工作時由于溫度梯度產生的熱應力不平衡所致。熱應力的不平衡會導致轉子在運行中出現形變和應力集中，從而引發轉子的熱彎曲現象。而熱彎曲現象的存在不僅會導致轉子的變形，還會引發結構共振和振動過大的問題，加速轉子的疲勞破壞和斷裂，對系統的安全運行造成威脅。

1 汽輪機轉子熱彎曲的原因

1.1 熱應力因素

汽輪機轉子是汽輪機的核心組件之一，承擔著將蒸汽能量轉化為機械能的重要任務。然而，在汽輪機工作過程中，轉子會受到高溫和高速氣流的影響，從而導致轉子發生熱彎曲的現象。熱彎曲是轉子在高溫工況下由于熱應力引起的形變。首先，熱應力是導致汽輪機轉子熱彎曲的主要因素之一。在汽輪機運行過程中，蒸汽在高溫高速的作用下通過轉子，使轉子表面溫度升高。由于轉子各部位溫度升高的不一致性，就會在轉子內部產生溫度梯度，從而引起熱應力。這種熱應力會導致轉子的某些部位發生熱彎曲，進而影響轉子的正常工作。其次，熱膨脹也是導致熱應力的一個重要因素。當轉子受到高溫氣體熱能的作用時，轉子會發生熱膨脹。轉子的熱膨脹率與其材料的熱膨脹系數有關，而不同部位的轉子所用的材料和結構也不盡相同。由于轉子不同部位受熱膨脹的程度不一致，就會產生熱應力，進一步導致轉子的熱彎曲。此外，轉子在運行過程中由于受到循環熱載荷的影響，也容易發生熱彎曲。汽輪機的工作周期性地經歷啟動、停機、負荷變化等工況變化，而每次啟停過程都會產生溫度的變化。由于轉子的熱慣性，溫度變化過程中會產生熱循環應力，從而導致轉子的熱彎曲。最后，轉子在設計和制造過程中的不均勻性也是導致熱彎曲的原因之一。由于制造過程中的誤差、材料不均勻等因素，轉子的性能可能會存在缺陷或者不均勻。這些不均勻性在高溫高速工況下就會被放大，從而導致轉子在工作過程中受到更加復雜的熱應力，進而引發熱彎曲。圖1 為汽輪機轉子結構。

圖1 汽輪機轉子結構

1.2 材料疲勞因素

汽輪機轉子的材料疲勞是導致其熱彎曲的另一個重要原因。材料疲勞是指在長期循環加載下，材料內部的微觀組織和結構逐漸發生損傷積累，導致材料性能下降，甚至發生裂紋和斷裂的現象。首先，高溫下的材料疲勞是導致汽輪機轉子熱彎曲的一個重要因素。汽輪機在高溫工況下運行，轉子所用的材料會長期處于高溫狀態。高溫會導致材料內部的晶粒長大，晶界擴散加劇，晶界強度減弱，從而導致材料的疲勞性能下降。在高溫循環載荷下，轉子材料內部的應力集中和裂紋的擴展將變得更加明顯，最終導致熱彎曲的發生。其次，高速氣流對材料的沖擊也是導致材料疲勞的因素之一。汽輪機轉子在工作過程中會受到來自高速氣流的沖擊和摩擦作用。這種沖擊和摩擦會導致材料表面的細小裂紋和損傷，進而引起疲勞斷裂的發生。特別是在轉子表面積聚熱應力的區域，更容易發生材料疲勞，造成熱彎曲現象。最后，材料的晶界和缺陷也對熱彎曲有重要影響。晶界是材料內部的缺陷集中區，容易成為裂紋發生和擴展的起始點。而材料的缺陷、夾雜物、微觀組織不均勻性等也會導致轉子材料局部應力增加和損傷積累，最終導致熱彎曲的發生。

1.3 不恰當的設計或制造

汽輪機轉子在設計和制造過程中的不恰當問題也是導致熱彎曲的一個重要原因。首先，不恰當的轉子結構設計可能導致熱彎曲。轉子在高溫高速工況下承受著復雜的熱應力和機械載荷，如果轉子的結構設計不合理，如截面尺寸、幾何形狀、支撐方式等方面存在缺陷，就容易引起應力集中和熱彎曲的發生。例如，轉子的截面尺寸不足以承受工作載荷，或者轉子的支撐方式不穩定，都會增加轉子發生熱彎曲的風險。其次，材料選擇不當也可能導致轉子熱彎曲。不同部位的轉子所承受的熱應力和機械載荷是不一樣的，對材料的要求也不同。如果選擇的材料強度不符合設計和工作要求，材料的熱膨脹系數與轉子不匹配，或者存在材料缺陷和不均勻性，都會使轉子在工作中發生熱應力集中，進而導致熱彎曲的發生。最后，制造工藝和質量控制不當也會對轉子的熱彎曲產生影響。制造過程中的誤差、成型和加工工藝缺陷或工藝參數不合理，都可能引入內部應力集中和裂紋缺陷，進而促進熱彎曲的發展。如果制造過程中的質量控制不嚴格，例如材料的選取、加工過程中的溫度和壓力控制不當，都會影響轉子的結構完整性和性能穩定性，增加熱彎曲的風險。

2 汽輪機轉子振動特性

2.1 汽輪機轉子振動影響因素

相對膨脹也會造成汽輪機轉子發生振動。當轉子受到熱載荷時，不同部位的溫度可能存在梯度差異。由于材料的熱膨脹系數不同，導致轉子各部分膨脹程度不一致，從而引起振動。同時，溫度梯度引起的相對膨脹會導致轉子內部產生熱應力。當熱應力超過材料的強度極限時，就會發生振動。并且，在運行過程中，由于汽缸的熱量分布不均勻或冷卻系統故障等原因，可能導致轉子局部加熱或冷卻不均勻，進而引起相對膨脹偏差大和振動。此外，轉子的結構設計和所選用的材料也會對相對膨脹和振動產生影響。設計不合理或選用不合適的材料可能增加轉子的振動風險。當汽缸和轉子在工作溫度下發生膨脹時，由于它們的材料和結構不同，其膨脹系數也會存在差異。這導致了汽缸和轉子之間的相對膨脹不一致，可能會引起摩擦。具體來說，當汽缸和轉子由低溫升至高溫時，它們都會發生膨脹。然而，由于兩者的材料和結構不同，在熱膨脹系數上存在差異。例如，汽缸通常由鑄鋼制成，而轉子通常由鋼或鎳合金制成。這些材料的熱膨脹系數不同，因此在相同溫度變化下，它們的尺寸變化程度也會不同。當汽缸和轉子之間存在溫度差異時，它們的尺寸變化就不會完全匹配，造成了相對膨脹不一致。這種不一致導致汽缸與轉子之間形成了間隙或接觸面，從而產生摩擦[1]。

2.2 汽輪機轉子振動分析方法

汽輪機轉子振動分析是評估轉子振動特性、檢測潛在問題和采取相應措施的重要手段。首先，動力學模型方法是一種常用的轉子振動分析方法。該方法基于轉子的幾何形狀和剛度信息，建立數學模型來描述轉子的振動特性。常見的動力學模型方法包括剛性轉子模型和柔性轉子模型。剛性轉子模型假設轉子是剛體，簡化分析過程，適用于低速轉子。而柔性轉子模型則考慮轉子的彎曲和扭轉變形，適用于高速轉子。通過求解動力學模型，可以獲得轉子的固有頻率、振型和振幅等信息，為進一步分析和優化提供基礎。其次，模態分析是轉子振動分析的常用方法之一。模態分析通過實驗或數值模擬的方式，識別出轉子的固有頻率、振型和振幅等信息。實驗方法常用的包括激勵－響應法和掃頻法，通過在轉子上施加激勵力或改變激勵頻率，測量振動響應，進而確定轉子的模態。數值模擬方法則通過有限元分析等手段，模擬轉子的振動響應，得到模態信息。模態分析可以幫助工程師了解轉子的振動特性，識別出潛在的振動問題，并根據模態信息進行結構優化[2]。再次，頻譜分析是用于轉子振動分析的重要方法之一。頻譜分析基于傅里葉變換原理，將時域信號轉換為頻域信號，以檢測轉子振動信號中的頻率成分。通過采集轉子振動信號，利用頻譜分析方法可以得到振動信號的頻譜圖，進而判斷振動的主導頻率和頻率分布情況。頻譜分析可以幫助工程師識別出轉子振動的主要頻率和諧振情況，進而采取相應的措施，如調整工作參數或加裝減振裝置等。最后，有限元分析是一種廣泛應用于轉子振動分析的計算方法。有限元分析基于轉子的幾何形狀和材料性質，將轉子劃分為多個小單元，并利用連續體力學理論求解轉子的振動響應。有限元分析可以模擬轉子在不同工況下的振動特性，預測振動幅值、模態以及共振情況，為優化轉子結構和降低振動提供參考[3]。圖2 為轉子動力學模塊。

圖2 轉子動力學模塊（單位：m）

2.3 汽輪機轉子振動控制與優化

汽輪機轉子振動控制與優化是汽輪機設計和運行中的重要問題，它涉及提高汽輪機可靠性、延長設備壽命和降低振動對設備及周圍環境的影響。首先，動平衡是一種常用的振動控制方法。動平衡通過在轉子上安裝平衡塊，使轉子在運轉過程中達到動平衡狀態。平衡塊的位置和質量可以根據振動測量數據和分析結果進行合理調整。通過動平衡，可以減小不平衡造成的振動幅值，提高轉子的運行平穩性。其次，提高轉子剛度是振動控制與優化的重要手段之一[4]。轉子的剛度直接影響其自振頻率和振動特性。通過優化轉子的幾何形狀和材料選擇，增加轉子的剛度，可以提高其自振頻率，減小振動幅值，并避免共振現象的發生。最后，采用減振裝置是常用的振動控制方法。減振裝置可以通過消耗或傳遞振動能量來減小振動幅值，降低振動對設備的影響。常見的減振裝置包括液力減振器、彈性支撐、阻尼器等。通過合理選擇和設計減振裝置，可以顯著改善轉子的振動特性，提高其穩定性和可靠性[5]。

2.4 轉子支撐方式選擇

汽輪機轉子振動特性研究是指分析和評估轉子在運行過程中的振動情況，旨在確保轉子的穩定性和安全性。轉子的支撐方式選擇是轉子設計中的一個重要決策，下面將介紹轉子支撐方式的幾種常見選擇。首先，剛性支撐是一種常見的轉子支撐方式。在剛性支撐系統中，轉子通過徑向軸承和軸向受力支撐，從而實現穩定運行。剛性支撐方式適用于轉子轉速較低、轉子長度較短的情況。其優點是結構簡單、穩定性好，但在高速轉子應用中可能會出現不穩定情況。另一種常見的轉子支撐方式是活動支撐。活動支撐系統采用帶有彈簧和阻尼器的軸承，能夠在轉子運行時對振動進行控制和抑制。該支撐方式適用于高速、長轉子應用，能夠在轉子受到外界干擾時提供額外的穩定性和振動抑制能力。此外，流體動壓支承也是一種常見的轉子支撐方式。流體動壓支承利用高速旋轉的氣體或液體產生的動壓力支撐轉子，并且能夠減小振動和摩擦損失。該支撐方式適用于超高速轉子和對摩擦敏感的應用，能夠提供高度的穩定性和振動抑制效果。最后，混合支撐方式將多種支撐方式結合起來，以實現更好的性能。例如，在活動支撐和流體動壓支撐的組合中，可以在轉子的兩端采用活動支撐，而在中間采用流體動壓支撐，以平衡性能和成本的關系。在選擇轉子支撐方式時，需要考慮轉子轉速、長度、運行環境以及性能要求等因素。同時，需要進行振動特性分析和模擬，評估不同支撐方式對振動抑制和穩定性的影響。綜合考慮經濟性、可靠性和性能需求，選擇最合適的轉子支撐方式，以確保轉子的安全運行和長壽命。

2.5 轉子結構參數優化

汽輪機轉子振動特性研究是為了改善轉子的穩定性和減小振動幅值，從而提高汽輪機的性能和運行安全性。轉子結構參數優化是轉子設計中的一個重要環節，下面將介紹轉子結構參數優化的幾個關鍵方面。首先，轉子的幾何結構參數是影響振動特性的重要因素。包括轉子的長度、直徑、槽口形狀和數量等。例如，增加轉子的直徑可以提高其承載能力和剛度，從而減小振動幅值。此外，優化槽口形狀和數量，可以減小轉子的質量和慣性矩，進而降低振動。其次，轉子的受力分析和模態分析是進行結構參數優化的重要手段。通過受力分析，可以確定轉子在工作過程中的最大受力位置，進而合理調整結構參數，提高轉子的受力均衡性。模態分析可以確定轉子的固有頻率和模態形態，以及對應的振型。根據模態分析的結果，可以調整轉子的結構參數，避免共振現象，減小振動幅值。

3 結語

對汽輪機轉子熱彎曲問題及其振動特性的深入研究，將有助于進一步提升汽輪機的性能和可靠性。未來的工作需要跨學科的合作和創新，繼續探索新的理論和方法，為解決熱彎曲問題和改進汽輪機的運行提供更有效的解決方案。