[发明专利]一种透平机械N+1支撑轴系整机无试重虚拟动平衡法

说明书

技术领域

本发明属于透平机械动力学与动平衡技术领域，尤其是涉及一种基于有限元模型分析的透平机械N+1支撑轴系整机无试重虚拟动平衡方法。

背景技术

随着生产效率和节能降耗要求的不断提高，近年来国内外出现了采用运行效率高、机组性能优越的新型N+1支撑轴系透平机组，如火力发电行业中的百万级超超临界汽轮机组。这种轴系采取N个转子，N+1个支承的特殊多转子结构，与目前常用的2N支撑轴系结构相比，这种机组结构紧凑、经济性好、投资收益更快。但是这种轴系结构存在相邻各转子振动特性耦合更强，转子间振动相互关联更大，造成的轴系振动情况更为复杂。而且这些透平机组大多运行在高压、大功率、高流量、大推重比等高参数和极端工况条件下，使得原先在低参数条件下容易出现的故障变得更加突出，在环境、工况异常和故障干扰等因素影响下，不可避免会出现磨损和故障，均易导致大型透平机械轴系不平衡振动，直接影响机组的安全运行，振动过大还会对机组本身、基础和周围建筑物造成危害，严重影响设备的正常运行和人员的身心健康，激烈的振动甚至会造成轴系断裂导致机毁人亡的重大事故，带来巨大的经济损失。

由于这种新型N+1支撑轴系结构特殊，除了第1个转子为双支撑外，其余各转子均采用单支撑结构，与传统的双支撑轴系结构特性不同，测量的振动信号仅是转子单侧信息，并不能完全反映该转子的振动特性，给分析和处理这类轴系振动故障带来很大的困难。目前国内对这类轴系的动力特性还缺乏系统研究，且无同类机型经验借鉴，在轴系振动故障处理过程中走了很多弯路，难以准确获取有效的加重影响系数，动平衡过程反反复复甚至出现振动恶化加剧的情况，增加了启停机次数，消耗大量燃油费用，耽误生产工期，严重影响企业的生产和经济效益。另外由于透平机组动平衡用的加重面个数和位置等条件受限，加上测试环境、工作条件和振动测试设备精度方面的影响，通过多次启停机难以准确获取多个转速下的加重影响系数，甚至耗费大量的人力、物力和财力，难以达到满意的平衡消振效果。近年来出现的一次加准法虽然能最大限度减少启停机次数，但要求平衡人员要深入了解轴系振动特性并积累丰富的动平衡影响系数，具备丰富的现场平衡实践经验，没有形成系统的理论和方法，不利于实际应用和推广。

发明内容

针对现有技术存在的上述技术问题，本发明是提供一种能减少机组启停机次数、缩短动平衡时间、提高动平衡效率、减少动平衡费用实用性强的透平机械N+1支撑轴系整机无试重虚拟动平衡法。

本发明解决上述技术问题的技术方案包括如下步骤：

(1)根据透平机械N+1支撑轴系转子尺寸和实际运行参数，对转轴、圆盘、轴承、联轴器、密封关键零部件进行模化处理，构建与实际结构和运行参数相符合的N+1支撑多转子轴系动力学有限元实体模型；

具体模化处理原则如下：

(a)轴段和圆盘模化法：对于规则的圆锥轴段或圆盘结构，将轴系离散化为圆柱或锥形，而对于叶轮等复杂圆盘结构，采用在轴段的相应位置用集中质量和惯性矩来模拟，其质量、转动惯量和质心位置一般利用三维模型计算分析得到；

(b)工作介质模化法：若透平机械工作状态下的工作介质质量较大，如透平泵、离心压缩机等，通过采取对工作介质的质量进行等效，并加相应集中转盘上；

(c)轴承模化法：对于油膜轴承，采用八个线性化的油膜动力特性系数(即K_xx、K_xy、K_yx、K_yy、C_xx、C_xy、C_yx、C_yy)进行模化，对于滚动轴承，由于滚动轴承内圈与轴颈间间隙非常小，属于刚性接触，阻尼比非常小，故将其模化为刚性支承；

(d)轴承座和基础模化方法：若轴承座等结构的刚度远比转轴刚度大，可将其模化为刚体。若轴承座等结构的弹性不能忽略，将其简化为一个由质量、阻尼和弹簧组成的单自由度系统，通过结构分析或实验测得其相应的参数。若轴承座等结构的刚度与转子刚度相近和较小时，则要把轴承座、基础和转子作为整体来考虑；

(e)轴承座和基础模化法：若轴承座等结构的刚度远比转轴刚度大，可将其模化为刚体。若轴承座等结构的弹性不能忽略，将其简化为一个由质量、阻尼和弹簧组成的单自由度系统，通过结构分析或实验测得其相应的参数。若轴承座等结构的刚度与转子刚度相近和较小时，则要把轴承座、基础和转子作为整体来考虑；