【正文】 ..... 26 東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 目錄 VI 導(dǎo)軌（滑槽）的設(shè)計 ........................................................................... 27 碰摩裝置定子固定結(jié)構(gòu)設(shè)計 .................................................................................. 28 第 4章 壓縮機 轉(zhuǎn)子系統(tǒng) 靜力學(xué)與模態(tài)分析 ........................................ 29 有限元分析方法簡介 ............................................................................... 29 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)靜強度分析 ............................................................................... 31 有限元網(wǎng)格劃分 .................................................................................. 32 只施加自重情況下的靜力學(xué)分析 ........................................................... 32 施加自重與轉(zhuǎn)速情況下的靜力學(xué)分析 ..................................................... 34 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)模態(tài)分析 .................................................................................. 35 模態(tài)分析概述 ..................................................................................... 35 模態(tài)分析理論的基本假設(shè) ..................................................................... 35 只施加自重情況下轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的固有頻率 .................................................. 36 只施加自重情況下轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的各階振型 .................................................. 36 施加自重和轉(zhuǎn)速情況下轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的固有頻率 ........................................... 39 施加自重和轉(zhuǎn)速情況下轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的各階振型 ........................................... 39 第 5章 總結(jié)和展望 .................................................................................. 43 總結(jié) .......................................................................................................... 43 展望 .......................................................................................................... 43 經(jīng)濟環(huán)保性分析 ....................................................................................... 43 參考文獻 ...................................................................................................... 45 致謝 .............................................................................................................. 47 附錄 .............................................................................................................. 49 東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 1 章 緒論 1 第 1章 緒論 旋轉(zhuǎn)機械被廣泛地應(yīng)用于汽輪發(fā)電機組、航空發(fā)動機、工業(yè)壓縮機及各種電動機等機械裝置中，是電力、航空、化工等國民經(jīng)濟重要部門的關(guān)鍵設(shè)備，在這些領(lǐng)域中起著非常重要的作用。這些旋轉(zhuǎn)機械的安全穩(wěn)定運行，對企業(yè)經(jīng)濟效益和國民經(jīng)濟發(fā)展具有重要意義。 首先是旋轉(zhuǎn)機械的振動，振動是直接關(guān)系到設(shè)備正常運行的一項重要技術(shù)指標。振動過大的設(shè)備或減負荷運行，或停機處理，或緊急強迫停機。如果處理不當(dāng)或出現(xiàn)突發(fā)性振動，都可能使設(shè)備發(fā)生局部或整體的毀壞事故，造成經(jīng)濟損失和人員的傷亡。全國各電網(wǎng)中在役大設(shè)備出現(xiàn)振動故障影響電力生產(chǎn)的案例更是 屢屢發(fā)生。在 1988年 6月，在 1個網(wǎng)局曾出現(xiàn)同時有 5臺 200MW以上的大型機組由于振動原因停機處理的緊急面。1988年 10月，北侖電廠 1號汽輪發(fā)電機組 (600MW 東芝機組 )發(fā)生高壓轉(zhuǎn)子葉片斷裂重大故，直接損失 2400萬元人民幣。以上僅是事故造成的直接經(jīng)濟損失，而由事故帶來的間接經(jīng)濟損失和社會影響，更是難以估量。大量實例說明，振動大是設(shè)備故障的必要條件，即設(shè)備出現(xiàn)故障時必然會在振動上有所反映。 引起設(shè)備振動的原因有很多，包括設(shè)計、制造、安裝以及運行各個環(huán)節(jié)。安裝、檢修沒有達到規(guī)范要求的設(shè)備，移交生產(chǎn)后出現(xiàn)振 動過大的問題，還可以在檢修中重新調(diào)整。而設(shè)備設(shè)計、制造方面的缺陷則會長期困饒電廠的運行。在設(shè)計、制造、安裝質(zhì)量完好的前提下設(shè)備正式投運后同樣可能因各種原因出現(xiàn)新的振動問題，如轉(zhuǎn)子平衡狀態(tài)的變化等。設(shè)備轉(zhuǎn)子具有良好的平衡狀態(tài)是設(shè)備平穩(wěn)運行的基本保證。理論上的理想情況是轉(zhuǎn)子的慣性主軸與轉(zhuǎn)動軸線重合，但實際上這是做不到的，離心力和力矩必然存在并將作用在轉(zhuǎn)子的支承系統(tǒng)上。轉(zhuǎn)子上過大的不平衡量會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子、軸承以及基礎(chǔ)大幅值的振動，在特定條件下，會造成整個軸系斷裂的災(zāi)難性事故。 質(zhì)量不平衡是引起設(shè)備軸系振動大的最常見原 因。由質(zhì)量不平衡引發(fā)的振動故障、事故約占了機組故障總數(shù)的 80%。質(zhì)量不平衡包括三部分，即原始質(zhì)量不平衡、轉(zhuǎn)動部件飛脫和松動、轉(zhuǎn)子熱彎曲。不平衡可以來自轉(zhuǎn)子制造階段，也可以在機組投運后由于運行或檢修原因產(chǎn)生。轉(zhuǎn)子在制造廠或在現(xiàn)場加工過程中，由于機床的精度和人為操作的原因，不可避免地會使轉(zhuǎn)軸幾何尺寸存在徑向誤差 。裝配葉片時對稱位置葉片的質(zhì)量不均、葉輪套裝軸線不正而套偏等，同樣可能造成轉(zhuǎn)軸的質(zhì)量不平衡。原本振動良好的新東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 1 章 緒論 2 機組或大修后的機組投運后，同樣會由于種種原因出現(xiàn)質(zhì)量分布發(fā)生變化，進而造成振動的變化。常見的情況 有如運行時葉片、圍帶或拉金斷裂飛脫、平衡塊飛脫、轉(zhuǎn)軸殘余應(yīng)力隨時間的釋放、葉片或葉輪的不均勻腐蝕、很向或軸向動靜部件碰摩引起的局部熱變形等。轉(zhuǎn)子毛坯無論是鍛件還是焊接件，都會存在熱應(yīng)力，這種熱應(yīng)力是日后轉(zhuǎn)子熱變形的潛在原因。含有熱應(yīng)力的轉(zhuǎn)軸鍛件或焊接件在室溫下被精加工成轉(zhuǎn)子成品。制造廠在轉(zhuǎn)軸機械加工過程中都要有一道 ―熱跑 ‖工序，讓轉(zhuǎn)軸在數(shù)百度的熱處理爐內(nèi)慢速轉(zhuǎn)動幾十個小時，以消除鑄造、鍛造或焊接時殘存的熱應(yīng)力。經(jīng)過這個過程后，熱應(yīng)力將減小，但不會徹底消除。從振動角度看，轉(zhuǎn)軸的熱變形將使軸線彎曲，引起質(zhì)量徑向 位置的偏移，成為軸系振動隨溫度增大的主要原因之一。由此看來，不論是設(shè)計制造，還是生產(chǎn)運行，都要進行良好的動平衡處理，才能大大降低設(shè)備的故障率，保證機組安全、穩(wěn)定、高效的運轉(zhuǎn)。 其次是轉(zhuǎn)子與定子的碰摩，這是旋轉(zhuǎn)機械運行中的常見故障。在旋轉(zhuǎn)機械中，為了滿足高轉(zhuǎn)速、高效率的需求，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動靜間隙越來越小，轉(zhuǎn)子與定子的碰摩故障不斷發(fā)生。特別是汽輪發(fā)電機組，隨著向高參數(shù)、大容量的方向發(fā)展，汽輪機動靜間隙越來越小，軸封、油擋、隔板汽封發(fā)生動靜碰摩的機會越來越多，氫冷發(fā)電機的密封瓦也會經(jīng)常發(fā)生動靜碰摩現(xiàn)象。而且轉(zhuǎn)子質(zhì)量不 平衡、熱彎曲、軸系不對中以及轉(zhuǎn)子的渦動失穩(wěn)等其它故障都可能最終導(dǎo)致動靜碰摩。 轉(zhuǎn)子與定子碰摩的過程會對轉(zhuǎn)子的運動狀態(tài)產(chǎn)生多方面的影響。動靜摩擦?xí)谵D(zhuǎn)子表面作用一切向作用力，該切向作用力產(chǎn)生的力矩方向與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向相反，可能會使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動，使得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下降并產(chǎn)生波動。當(dāng)摩擦力矩大于轉(zhuǎn)子的阻尼力矩時，轉(zhuǎn)子會從正向渦動轉(zhuǎn)向反向渦動，特別是對于整周摩擦，會產(chǎn)生所謂的 ―千摩擦 ‖現(xiàn)象，從而引起自激振動，影響轉(zhuǎn)子正常運行，甚至損壞機組。而且，動靜摩擦使得轉(zhuǎn)子上施加了非線性摩擦力，會使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生非線性振動 [1]。 轉(zhuǎn) 子與定子碰摩時的碰撞相當(dāng)于給轉(zhuǎn)子和定子施加了一個瞬態(tài)激振力，能將轉(zhuǎn)子和定子的固有頻率激發(fā)起來。雖然激發(fā)起的自由振動是衰減的，但由于碰摩在每個旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)都產(chǎn)生沖擊激勵作用，因此在一定條件下有可能使轉(zhuǎn)子的實際振動成為旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的強迫振動和沖擊產(chǎn)生的自由振動的疊加。 動靜摩擦和碰撞產(chǎn)生的熱量會使轉(zhuǎn)子的溫度場發(fā)生變化，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子熱態(tài)彎曲，產(chǎn)生熱態(tài)不平衡力，引起機組振動。另外，動靜件碰摩時，摩擦接觸和碰撞使得動靜部件相東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 1 章 緒論 3 互抵觸，相當(dāng)于增加了轉(zhuǎn)子的支承條件，會增大系統(tǒng)的剛度，改變轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速及振型，而且這種附加支承是隨時間 變化的，可能會引起轉(zhuǎn)子的不穩(wěn)定振動及非線性振動。 總之，轉(zhuǎn)子與定子碰摩會使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生非常復(fù)雜的運動，輕者使機組出現(xiàn)強烈振動，嚴重的可能造成軸永久性彎曲，甚至整個軸系毀壞，影響機組的安全穩(wěn)定運行。以汽輪發(fā)電機組為例，在國產(chǎn) 200MW汽輪發(fā)電機組中，已有 10多臺因動靜碰摩而造成轉(zhuǎn)子永久彎曲的事故；據(jù)國內(nèi)汽輪機彎軸事故統(tǒng)計表明，其中的 86％是由碰摩引起的，碰摩嚴重時還會引起軸系破壞事故；據(jù)不完全統(tǒng)計。目前國內(nèi)已有 30多臺機組在空負荷或帶負荷下多次產(chǎn)生碰摩振動事故，引發(fā)突發(fā)性振動或振幅長時間大幅度地波動，有些機組因振 動過大而被迫打閘停機。當(dāng)前，大型汽輪發(fā)電機組的碰摩故障的發(fā)生率僅次于質(zhì)量不平衡的發(fā)生率，成為大機組的第二大類振動故障 [2]。 因此，轉(zhuǎn)子振動碰摩故障的機理和監(jiān)測診斷技術(shù)的研究對確保機組的安全穩(wěn)定運行，防止重大事故發(fā)生具有重要意義。而轉(zhuǎn)子實驗臺就是為模擬轉(zhuǎn)子碰摩振動故障實驗設(shè)計開發(fā)的，對試驗臺進行詳盡的靜力學(xué)、動力學(xué)分析，了解模型試驗臺的靜、動態(tài)特性，全面掌握其特性，這對試驗臺的安全運轉(zhuǎn)、研究抑制振動的措施、進行故障試驗和故障試驗分析具有重要的作用。 、現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 轉(zhuǎn)子動力學(xué)是一門既有理論深度，又有很強的實踐性的應(yīng)用基礎(chǔ)學(xué)科，它的形成與發(fā)展伴隨著大工業(yè)的發(fā)展和科技進步，已走過了一個多世紀的路程。第一篇有記載的有關(guān)轉(zhuǎn)子動力學(xué)的文章是 1869 年 Ranine 發(fā)表的題為 ―論旋轉(zhuǎn)軸的離心力 ‖一文，這篇文章得出的 ―轉(zhuǎn)軸只能在一階臨界轉(zhuǎn)速以下穩(wěn)定運轉(zhuǎn) ‖的結(jié)論使轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速一直限制在一階臨界以下。最簡單的轉(zhuǎn)子模型是由一根兩端剛支的無質(zhì)量的軸和在其中部的圓盤組成的，這一今天仍在使用的被稱做 Jeffcott 轉(zhuǎn)子的模型最早是由 Foppl在 1895 年提出的，之所以被稱做 ―Jeffcott‖轉(zhuǎn)子 是由于 Jeffcott 教授在 1919 年首先解了這一模型的轉(zhuǎn)子動力學(xué)特性。他指出在超臨界運行時，轉(zhuǎn)子會產(chǎn)生自動定心現(xiàn)象，因而可以穩(wěn)定工作。這一結(jié)論使得旋轉(zhuǎn)機械的功率和使用范圍大大提高了，許多工作轉(zhuǎn)速超過臨界的渦輪機、壓縮機和泵等對工業(yè)革命起了很大的作用。但是隨之而來的一系列事故使人們發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子在超臨界運行達到某一轉(zhuǎn)速時會出現(xiàn)強烈的自激振動并造成失穩(wěn)。這種不穩(wěn)定現(xiàn)象首先被Newkirk 發(fā)現(xiàn)是油膜軸承造成的，從而確定了穩(wěn)定性在轉(zhuǎn)子動力學(xué)分析中的重要地位。有關(guān)油膜軸承穩(wěn)定性的兩篇重要的總結(jié)是由 Newkirk 和 Lund 寫出的，他們兩人也是轉(zhuǎn)東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 1 章 緒論 4 子動力學(xué)研究的里程碑人物。 50 年代以來，電力、航空、機械、化工工業(yè)的迅猛發(fā)展極大地推動了轉(zhuǎn)子動力學(xué)的研究。發(fā)電機組的單機容量從幾萬千瓦發(fā)展到了上百萬千瓦，飛機也開始進入噴氣發(fā)動機時代。旋轉(zhuǎn)機械的轉(zhuǎn)子越來越柔、功率越來越大、轉(zhuǎn)速