汽轮机转子裂纹的时频域诊断研究

在大型旋转机械中 ,由于疲劳等因素会使转子中产生许多裂纹。通过大量的数值模拟 ,分析了包含横向裂纹时 ,汽轮机转子 Jeffcott模型的非线性动力学行为 ;对比了不同过临界转速时所采取的加速度方案和裂纹法向与不平衡质量间夹角对转子横向振动产生的不同影响 ;重点分析了裂纹转子在过临界转速时的频谱特性和最大共振峰随裂纹深度的变化规律 ;并讨论了在亚临界和超临界转速时 ,裂纹转子的时频响应特性 ;提出了 3种新的诊断转子裂纹的简便方法。图 1 1参 8     

两种裂纹转子模型的稳定性分析

在分析现有模型局限性的基础上,考虑转子在临界转速附近复杂的涡动状态,基于涡动角构建了含横向裂纹的Jeffcott转子的动力学模型.运用Floquet稳定性理论分析了基于涡动角和基于自转角这两种裂纹转子模型运动的稳定性.结果表明:系统参数对两者的运动稳定性都有较大影响.前者只在临界转速附近存在失稳区,后者在临界转速和三分之二临界转速附近都存在失稳区.通过数值计算结果以及理论分析的对比,发现基于涡动角的裂纹转子动力学模型更具普适性.     

应用谐波平衡法分析裂纹转子的动力特性

为了研究弹性支承对裂纹转子动力特性的影响,借助于谐波平衡法分析了具有弹性支承偏置裂纹转子的盘心位移响应、支承处加速度响应以及支承刚度对系统响应的影响。研究结果表明:具有弹性支承的裂纹转子系统在支承处加速度响应中也包含1X、2X、3X…频率成分,并且出现分数次共振现象。不但如此,当裂纹转子以超临界转速运行时,支承处加速度响应的幅频图上2X以上各谐波分量仍明显存在。因而,转子以超临界转速或亚临界转速运行时,2倍频分量作为裂纹故障的重要特征,总会在支承加速度响应中出现。这对利用轴承座处的振动信号进行裂纹故障检测有一定的实用价值。增加支承弹性不但可以减小裂纹转子过临界转速的响应,还能减小由裂纹引起的超谐波共振响应。     

基于预应力的转子系统启动特性研究

利用预应力法研究了转子系统在启动时的动态特性,计算了转子系统在加速过程中的应力和振动特性.在此基础上,分析了转子过临界转速时的扭转变形和弯曲变形.     

600MW汽轮发电机组转子-轴承系统的模态分析

针对600MW汽轮发电机组转子-轴承系统,建立了系统运动方程和转子模型,采用有限元分析软件ANSYS进行模态分析,计算汽轮机转子的固有频率和临界转速,从而避免工作转速接近临界转速产生共振.最后通过临界转速和振型图分析转子的特性.     

转子系统模态及不平衡响应特性数值分析

为研究轴承支承刚度、温度对转子系统临界转速的影响,以及研究转子系统不平衡响应特性,采用集总参数法模化三圆盘等直径转子系统,通过Riccati传递矩阵法对转子系统模态及不平衡响应特性进行数值计算分析。结果表明:转子系统在各向同性支承条件下的临界转速与各向异性支承条件下的临界转速数值相近;当轴承支承刚度相对于转子系统处于弹性支承范围内时,转子系统的临界转速数值随支承刚度的增大增幅明显;环境温度的升高影响转子材料的物理性质,导致转子的临界转速数值有所降低,且以高阶临界转速受温度影响降幅最大;加载不平衡激励,在一定速度范围内扫频可得到转子系统的临界转速及相应振型;转子对不同位置处的激励,响应振型明显不同。     

基于轴心轨迹形态的转子裂纹故障分析

在考虑裂纹转轴时变刚度的条件下,基于裂纹转子动力学模型提出了一种基于轴心轨迹形态的转子裂纹故障诊断方法,并对转子系统1/3和1/2临界转速附近的轴心轨迹形态变化进行了分析。结果表明:在1/3和1/2临界转速附近,裂纹转子系统轴心轨迹的内环形状和偏置方向均会随转速发生变化,且偏置按一定的角度改变;轴心轨迹的变化规律为判断转子裂纹故障提供了新的方法,从而提高了转子故障诊断的效率。     

某500 MW汽轮机机组中压转子振动特性计算分析

为了分析某500 MW汽轮机机组中压转子在经过临界转速过程中的安全性,对该机组实际运行中发生振动最大的中压转子进行了振动特性计算与分析.采用自己开发的转子动力学软件计算得到中压转子的第一、第二阶临界转速,分别求得转子在第一阶临界转速和3 000 r/min转速下的最大弯曲静挠度,通过静挠度分析程序计算得到不同转速下对应的等效重力加速度,最后在Ansys中通过施加等效重力加速度模拟了不同转速下转子的不平衡离心力,并施加此离心力载荷来计算分析不同转速下转子的弯曲等效应力分布.结果表明:第一阶临界转速和3 000 r/min转速下的等效重力加速度分别为10 m/s2和1 m/s2;计算得到的各种工况下的最大弯曲等效应力均远小于该材料的屈服极限.     

基于涡动角的裂纹转子模型稳定性分析

在分析现有模型局限性的基础上,考虑转子在临界转速附近复杂的涡动状态,基于涡动角构建了含横向裂纹的Jeffcott转子的动力学模型.运用Floquet稳定性理论分析了基于涡动角的裂纹转子模型运动的稳定性.结果表明:系统失稳时,倍频附近会出现不可公约的频率成分.裂纹深度、系统阻尼、裂纹方向角等系统参数对模型的运动稳定性都有较大影响,特别是裂纹方向角对稳定性的影响很复杂,偏心量对模型的稳定性影响较小.不同失稳区系统的失稳模式也不尽相同,并且随着阻尼比的变化,系统失稳模式也会发生改变.     

双裂纹转子系统动力学特性的实验研究

转轴裂纹是旋转机械中常见的故障。通过实验方法研究具有两条裂纹转子系统的振动特性。研究了具有不同裂纹夹角的转子系统在不同转速下的动力学特性,结果表明,不同的裂纹夹角对于转子的动力学特性有明显的影响。     

双跨转子系统的临界转速影响因素分析

建立双跨转子系统模型,利用Ansys软件进行转子临界转速计算,并与理论计算结果比较,以保证结果的正确性。用有限元软件分析研究了支承变化、轮盘变化以及联轴器变化3种影响因素对双跨转子系统临界转速的影响。结果分析表明：在转子上增大支承刚度会增大双跨转子的临界转速,而在支承位置的偏移中,两段转子的临界转速表现出不同的变化趋势。增大转子上的轮盘质量,双跨转子的临界转速减小,偏移转子上的轮盘位置,双跨转子的临界转速增大。增大联轴器的刚度,双跨转子的临界转速增大,联轴器的位置处于中心时,临界转速最大,向两边偏移,临界转速减小。为汽轮机转子系统设计和处理汽轮机运行过程中由于结构数据变化引起临界转速改变提供参考。     

陀螺效应对不同质量转子系统的模态影响研究

为研究陀螺效应对不同质量转子系统振动特性的影响,在其他转子部件和轴承不变的情况下,通过更改转轴的内径,获得不同质量的转子系统。考虑陀螺效应,对各转子系统进行不同刚度下的临界转速计算,探究刚度变化对不同质量转子系统临界转速的影响规律。研究发现随刚度的增加,存在一个刚度值,使不同质量转子临界转速的变化趋势发生变化。对不同质量的转子系统分别进行有无陀螺效应影响下的模态计算,对比分析各阶临界转速在两种情况下的偏差值,发现考虑陀螺效应的临界转速比未考虑陀螺效应的临界转速要高,而且陀螺效应对各临界转速影响不同。通过对比不同质量转子系统临界转速的偏差值,发现转子系统质量的大小对陀螺效应的作用效果也有一定影响。研究成果可为旋转机械转子系统的设计和工程校核提供参考。     

斜裂纹对转子扭转剪应力的影响

为研究斜裂纹对转子扭转剪应力的影响,分析计算了转子倾角(裂纹面与轴线的夹角)大于60°的斜裂纹在不同裂纹深度比下不同位置的应力强度因子KⅢ。计算结果表明:相同倾角的斜裂纹在同一位置的应力强度因子随着裂纹深度比a/R的增大而增加;在相同深度比和倾角的情况下,应力强度因子KⅢ随着与裂纹中心距离的增大逐渐减小,并且倾角越大在边缘处衰减得越快。拟合了不同裂纹深度比a/R(a/R0.4)和不同倾角下所对应的应力强度因子曲线,定义了斜裂纹与横向裂纹扭转剪应力的临界相对差值Wcr,确定了在不同工程允许误差所对应的临界倾角cθr。该临界倾角可以在工程应用中用来判断何时可以采用横向裂纹模型代替斜裂纹模型。     

燃气轮机转子裂纹故障分析与诊断

振动监测和诊断是及时诊断旋转机械故障的手段之一,其中的频谱分析能有效地诊断出转子裂纹。介绍了某燃气轮机转子裂纹的振动现象、处理过程以及故障诊断。转子裂纹的振动有以下特征:裂纹转子具有刚度不对称的特点,运行中存在二倍频振动,在启停机经过转子临界转速一半时存在二倍频共振峰;随着裂纹的发展,二倍频共振峰值有增大趋势;联轴器瓢偏以及低速盘车时转子晃度也会增大。根据转子的振动特征判断该转子存在裂纹且仍在发展,检查结果验证了故障诊断的正确性,为转子裂纹的故障分析与诊断提供参考。     

具有弹性支承的裂纹转子的动力特性分析

推导了具有弹性支承偏置裂纹转子的运动微分方程.通过数值求解,得到了具有弹性支承偏置裂纹转子的盘心位移响应、支承处加速度响应.研究结果表明:具有弹性支承的裂纹转子系统在支承处加速度响应中也包含1X、2X、3X…频率成分,并且出现分数次共振现象;当裂纹转子以超临界转速运行时,支承处加速度响应的幅频图上2X以上各谐波分量仍明显存在.因而,转子以超临界转速或亚临界转速运行时,2倍频分量均可作为裂纹故障的重要特征.这对利用轴承座处的振动信号进行裂纹故障检测有一定的实用价值.     

考虑陀螺效应的增压器转子动力特性分析

借鉴对称矩阵的子空间迭代法思想,将辛子空间迭代法应用于增压器系统,以某增压器转子为例,充分考虑涡轮增压器的特殊性,建立了涡轮增压器转子的有限元模型,并在计算模型中综合考虑了轮盘的陀螺力矩,转动惯量、支承和轴套等因素,分别计算了增压器转子在不同支承刚度下临界转速、振型的变化趋势,分析了支承刚度对增压器转子动力学特性的影响.计算结果表明:改变支承刚度可以有效地调整该增压器转子的临界转速,但对转子各阶临界转速振型影响不大.     

转子临界转速特性的试验研究

转子临界转速的一些基本特性早已被人们所认识。当一台旋转机械的结构参数确定后,当通过计算已不难获得其临界转速。但是,由于各种计算方法都引入了一定的假设条件和对实际转子作了简化,以致计算所得结果与实物转子的临界转速总有着或大或小的差异。在机组运行时,准确测定转子的实际临界转速,是保证机组安全操作运行和进行故障诊断等工作所必不可少的一个环节。本课题着重于对测定转子实际临界转速过程中常会遇到的若干问题进行试验研究。     

裂纹转子升速过程中的振动特性分析

对旋转机械升降速过程的振动监测是发现早期转子裂纹故障的最有效方法。通过对带横向裂纹Jeffcot转子在匀加速升速过程的振动特性进行数值分析,结果表明:随着升速加速度的增加,超谐共振和主共振峰值减小并且对应的转速滞后;不平衡量相位角β=π/4时,主共振峰值随不平衡量增大而增大,β=π时,主共振峰值随不平衡量增加而减小;各共振峰值随裂纹的加深而增大。     

重载作用下裂纹转子不平衡响应的实验研究

为进一步分析重载作用下裂纹转子的转动特性,采用交流无级调速器的模拟转子试验台进行了重载作用下裂纹转子的模拟试验。分别分析裂纹深度、位置、载荷及转速等因素对裂纹转子的不平衡响应的现象,根据不同频程下裂纹转子的振幅变化情况,研究裂纹转子不平衡响应的振动特性,得到重载作用下裂纹转子不平衡响应的特点,即裂纹越深越靠近跨度中央则峰值越大,频程越高振幅越小。     

新型汽封对汽轮机低压转子模态影响

针对某文献提出的新型轴端汽封,研究该汽封对汽轮机转子在运行状况下的稳定性产生的影响。改变密封副端面比压,模拟不同劲度系数的弹簧引起的轴向端面推力,再添加摩擦接触,最后对原转子以及施加了不同轴向推力的转子进行模态分析。利用数值仿真有限元软件ANSYS,计算得出3种情况的前6阶频率及其临界转速。结果显示:在转子轴端的圆盘处增加具有一定轴向端面比压的石墨环后,转子的阻尼频率和临界转速发生变化较小,说明新型汽封的使用对汽轮机不会产生破坏其运行稳定性的影响。这也为该汽封的运行特性及可靠性分析提供了理论基础。