汽流激振下汽轮机各异转子振动特性研究

赵杰钰，陈明

摘要：随着时代的发展，当前我国的经济发展已经达到了较高水平，在汽轮机工作过程中，热、动荷载对其转子振动特性存在比较明显的影响，超超临界汽轮机很容易出现强烈的气流激振，进而对转子振动特定造成影响，影响其正常运行，在此基础上，对气流激振下汽轮机各异转子振动特性进行研究具有一定现实意义。本文通过对相关文献进行查阅，采用数值模拟的方式对某汽轮机进行研究与分析，得出前8级负荷下的具体激振力数值，将其等效为气体轴承施加到转子上，利用集总参数法，对某超超临界汽轮机进行模化处理，并得出汽流激振下汽轮机各异转子振动特性。希望本文的研究内容能够为机组转子安全稳定运行提供必要支持。

关键词：气流激振；汽轮机；各异转子；振动特性

前言：在实际工作情景中，超超临界汽轮机内部存在温度高、压力大的技术特点，在实际工作情境中很容易诱发强烈的气流激振现象，这种自激振动很容易对转子振动特性造成进一步的严重影响，从而阻碍工作的正常进行。为了解决这一困扰，需要通过实验以及模型模拟技术对汽流激振下汽轮机各异转子振动特性进行分析，为了实现研究目的，本文引进了集总参数法模化某超超临界汽轮机高压轮转子，建立各向异性支承模型，以高压缸前8级不同负荷为研究对象，对其存在的力具体数值进行计算，在此基础上，进一步将汽流激振力进行等效化处理，并加在转子上。

1.数值模拟

1.1各项异向支承模型

首先，笔者制定总参数模型，其中，左右轴承充分考虑了交叉阻尼等因素可能对工程造成的影响，具体内容如图1所示。

图1 有阻尼各向异性支承集总参数模型

根据图1中的内容可知，为弹性系数，代表质量，表示阻尼系数矩阵，K为轴承油膜刚度，C为阻尼系数矩阵。最后，图中转子自转方向为逆时针，Ω表示旋转的具体速度。

根据上述内容，可以通过推导获得8×8传递矩阵，引进Riccati变换，结合截面边界条件能够得到转子频率方程式[1]。

1.2转子模型

本文所研究的对象为高压缸转子模型，其机械主体为超超临界汽轮机机组，为了实现有效分析，笔者利用集总参数法对转子进行模化。在模化之后，为了验证其是否与实际情况相同，需要在无阻尼各向同性一阶临界转速的背景下，对实际数值进行计算，经过计算可知，上述数值与设计值之间无明显差异，证明转子计算模型建设基本符合实际情况。

二、汽流激振下汽轮机各异转子振动特性分析

2.1转子振动特性分析

笔者结合实际工作中某1000MW超超临界汽轮机机组的实际情况，首先进行了额定转速下的振动特性分析，通过分析可知，转子在升速的过程中，会在固有频率附近产生振动，进而对自身刚性产生改变，导致临界转速发生变化，利用Riccati传递矩阵法计算可知，在额定转速下，即3000r/min，无阻尼各向同性、有阻尼各项异性之间的临界转速并未产生比较明显的差异与区别，表明本文的研究方式具有一定准确性[2]。

随着时间的推进，不同负荷结点的椭圆轨迹方位角逐渐变大，无汽流激振力的方位角越来越大，在达到特定水平之后会发生转折，其原因为汽流激振效应、轴承等结构逐渐平衡。在汽流激振作用位置的表现更佳突出，负荷的增加导致椭圆轨迹方位角也在逐渐增大，无汽流激振力下，受到包括质量偏心力等各种力的影响，椭圆轨迹的方位角并无明显差异。在不同负荷前两阶，负荷增加会导致一阶固有转速持续增加、二阶固有转速持续减小，上述现象出现的主要原因为，负荷逐渐增大导致等效轴承交叉刚度数值逐渐增加，在达到一定水平之后，就会进一步推动一阶转速呈现明显的升高趋势[3]。

2.2汽流激振下汽轮机转子稳定性分析

在对不同负荷结点进行分析之后可知，整个振幅图存在比较明显的“倒U型”特征，主要是由于其中间结点质量更大，轴的等效刚度相对较小，中间结点振幅更大。在施加汽流激振力之后，引进的直接阻尼对结点振幅存在比较明显的抑制现象，其总体振幅明显小于无汽流激振力的情况。

当前，对稳定性进行计算与分析的常用方法为对数衰减率计算方法，在实际工作情境中，对数衰减率表明系统在受到扰动之后振动衰减的快慢情况，属于衡量整个系统稳定与否的重要指标内容。当对数衰减率在0以上时，转子处于稳定的工作状态；当对数衰减率等于0时，转子处于临界工作状态，即介于稳定、不稳定的中间状态；当对数衰减率在0以下时，转子处于不稳定的工作状态[4]。

结合表达式计算可知，随着负荷的持续增大，一阶、二阶对数衰减率逐渐呈现数字减小的工作状态。

结论：通过数值模拟等方法，对某汽轮机高压缸转子进行模化，将不同负荷下的气流激振等效为气体轴承施加在其上，得出以下结论。首先，节点增大导致椭圆轨迹方位角变大，无汽流激振变化较小，在汽流激振作用下，负荷增加会导致椭圆轨迹方位角增大。同时，在负荷逐渐增加的背景下，一阶转速增加、二阶转速明显减小。最后，负荷增加会导致一阶、二阶对数衰减率明显减小，导致整个系统稳定性受到严重影响。

参考文献：

[1]关淳,杨其国,李宇峰,马义良,曹登庆,梁天赋.大型汽轮机长叶片全工况动应力数值计算及试验研究[J/OL].上海理工大学学报:1-8[2023-02-24].

[2]张小科,王景钢,郭辉,张东海,曹桂州.汽轮机调速系统异常引发机组负荷波动的分析及处理[J].电站系统工程,2023,39(02):57-59+67.

[3]高嵩,刘占辉,王明传,廖大兵.上汽1000MW超超临界汽轮机#1轴承振动故障诊断及处理[J].电站系统工程,2023,39(02):47-49.

[4]王少华,张浩.某660 MW汽轮机振动异常分析及处理[J].电力勘测设计,2023(02):73-77.