汽轮发电机组轴系碰摩弯扭耦合振动特性研究

汽轮发电机组轴系碰摩故障是当前转子故障研究中的热点研究领域，目前的研究工作多是以单圆盘简单力学模型为基础，对碰摩的弯振特征和非线性特性进行相关分析。本项目另辟蹊径，将汽轮发电机组复杂轴系模化为多段集中质量模型，从碰摩的弯扭耦合振动角度分析其振动特征与非线性特性。 .本项目首先将汽轮发电机组轴系等效为段数较多的多轮盘转子系统，将所有轴段分为五类处理，从而建立起转子碰摩多段集中质量模型；然后，基于该模型，将逐步积分法的思想与传统传递矩阵法相结合，并综合增量表达式和Riccati法，提出用于求解强非线性系统动态响应的增量传递矩阵法；最后，利用该方法分别分析启机过程、不同负荷、不同碰摩位置、不同碰摩方式四种情况下转子碰摩的弯扭耦合振动特征和非线性特性。项目研究结果将进一步完善转子碰摩的动力学特性，同时，从振动耦合的角度将发现更多有利于碰摩故障诊断的辅助判据，为提高碰摩故障诊断的准确性提供理论依据。

随着汽轮发电机组单机容量不断增大，转子与静子间隙越来越小，导致转静子的碰摩故障不断发生，可能造成电力设备损毁等重大事故。本项目针对汽轮发电机组碰摩故障开展弯扭耦合振动特性研究，历时三年，严格按照项目计划执行，已按期完成项目计划任务。项目的完成情况及取得成果如下：.1）基于多段集中质量模型，建立起碰摩故障弯扭耦合振动轴系模型。本项目采用多段集中质量转子模型，将轴系模化为段数较多的多轮盘转子模型，按照合理的模化方法将汽轮发电机组轴系等效为多轮盘转子系统，针对每个轴段受力（力矩）的不同，将轴段分为五类：碰摩轴段、轴颈轴段、动叶栅所在轴段、发电机绕组轴段、除前四种外的所有普通轴段。该模型既能保证足够的精度，同时又能很好地与传递矩阵方法的优势相结合，方便快捷地实现在线计算与分析。.2）提出了增量传递矩阵法，实现了碰摩故障弯扭耦合振动的动态响应分析。本项目将逐步积分法的思想与传统传递矩阵法相结合，提出了增量传递矩阵法：通过对 常规表达式进行增量改造、建立起典型部件的弯扭耦合增量传递矩阵，并引入Riccati变换，结合系统初始条件和边界条件，获得各截面状态矢量增量递推表达式，从而实现了碰摩故障弯扭耦合振动的动态响应分析。该方法能用于分析复杂转子系统强非线性问题，拓展了传递矩阵法在非线性领域的应用。.3）实现了多种工况下机组碰摩故障弯扭耦合振动特性分析。本项目针对机组启机过程、不同碰摩位置等情况开展研究，同时深入分析了碰摩刚度和摩擦系数对于碰摩特性的影响，从弯扭耦合振动及非线性振动的角度得到了一些有价值的结论。结果表明：当机组转速低于一阶临界转速时，碰摩会使转子振动幅值增加，当转速高于一阶临界转速时，碰摩会使转子振动幅值减少或基本不变；发生碰摩后，各瓦弯振幅值改变量与碰摩位置密切相关，离碰摩位置越近，振动幅值变化越敏感，而各瓦扭振幅值均有所增大，越靠近发电机侧的轴段对于碰摩越敏感；在碰摩刚度逐渐增大过程中，大部分轴段弯振幅值随着碰摩刚度的增加而增大，而各轴段扭振幅值基本都呈现出随着碰摩刚度的增加而增大的现象，尤其是碰摩点附近的轴段，扭振幅值增加量明显；随着碰摩摩擦系数逐渐增大，各轴段弯振幅值呈近似线性的降低，而各轴段扭振幅值基本都呈现出随着碰摩摩擦系数的增加而增大的现象。分析结果有助于进一步完善转子碰摩的动力学特性分析，明晰转子碰摩弯扭耦合振动动力学规律。