论文总字数：24922字

摘 要

该课题依托火电机组振动国家工程研究中心拥有的专业研究团队及测试设备、系统来开展研究，该中心长期从事汽轮机、燃气轮机、压缩机等各类旋转机械的故障诊断、技术服务、机理研究等工作。本文采用有限元分析的方法，在ANSYS APDL 15.0中建立了发电机转子系统有限元动力学模型，主要针对现代火力发电机组发电机转子的振动问题，分析振动原因、特征，总结振动机理，对发电机转子系统进行模态及不平衡响应分析，以期能够分析现场中因发电机转子振动异常而使得机组无法正常运行的问题，并提出解决或者优化的方案。主要运用BEAM188梁单元来模拟转子实体部分，而滑动轴承部分不建立实体模型，采用COMBIN14阻尼-弹簧单元来模拟，弹簧的刚度系数由计算得到。在ANSYS中得到该发电机转子模型的前三阶固有频率和振型位移云图。再模拟转子上的不平衡量，分析响应。

关键词：有限元法； 转子系统； 固有频率； 谐响应分析

Abstract

The project is based on power plant vibration engineering research center of the state owned professional research team and test equipment, system to carry out the research, the center has long been engaged in the steam turbine, gas turbine, compressor and other types of rotating machinery fault diagnosis, technical services, mechanism research work. In this paper, using the method of finite element analysis in ANSYS APDL 15 in establishing generator finite element dynamic model of rotor system, vibration generator in modern thermal power generating units of the rotor vibration analysis of causes, characteristics, summed up the vibration mechanism of mode and unbalance response analysis of generator rotor system for generator rotor vibration field analysis the abnormal of the unit cannot run normally in order to problems, and put forward the solution or optimal solution. The BEAM188 beam element is used to simulate the solid part of the rotor, while the sliding bearing part does not build the solid model, and the COMBIN14 damping spring element is used to simulate the stiffness coefficient of the spring. The first three natural frequencies and mode displacement nephogram of the rotor model of the generator are obtained in ANSYS. Then simulate the unbalance on the rotor and analyze the response.

KEYWORDS: finite element method; rotor system; natural frequency；

Harmonic response analysis

目 录

摘 要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2汽轮发电机组振动研究现状 2

1.3本文的主要研究内容 2

第二章 转子动力学理论与有限元方法 4

2.1 转子动力学理论基础 4

2.2 有限元方法介绍 5

2.2.1模态分析理论分析 5

2.2.2有限元在转子临界转速计算与不平衡响应中的应用 6

2.3 小结 10

第三章 软件和常用单元介绍与建模过程 11

3.1 ANSYS软件介绍 11

3.1.1 前处理模块 11

3.1.2 求解模块 11

3.1.3 后处理模块 12

3.2 ANSYS中模态分析的方法 12

3.3 转子系统建模方法 13

3.4 小结 15

第四章 模态与不平衡响应分析 16

4.1 模态分析 16

4.1.1 建模方式的选择 16

4.1.2 网格划分 17

4.1.3 轴瓦的模拟方式 18

4.1.4 模态分析 18

4.2 不平衡谐响应分析 20

4.2.1 不平衡谐响应方案 20

4.2.2 不平衡谐响应分析 22

4.3 小结 27

第五章 总结与展望 28

5.1总结 28

5.2 展望 28

参考文献 30

致 谢 31

第一章 绪论

1.1研究背景及意义

电能的发现与利用是人类社会的一个重要的里程碑，也是第二次工业革命的标志，也就是从人类利用电能开始，人类进入了电气时代。世界经济的发展越来越快，人类对于能源尤其是电能的需求也在急剧增长。数据显示，去年世界发电总量为约为25000 TWh，中国的年发电量约为5800 TWh。用电量的急剧增长就要求发电量大幅度提高。在我国乃至全世界，主要的能源来源都是化石能源，太阳能、水能等可再生能源占比只在25%左右。因此，火电站、核电站在现在乃至今后的相当一部分长的时间里都将占有举足轻重的地位。作为火电站和核电站的主要机械设备，汽轮机承担着将蒸汽的热能转换为机械能的重要任务。转子系统是汽轮机、发电机和励磁机的重要组成部分，人们很早之前就发现轴系的振动问题难以摸清楚，运行过程中遇到振动过大等问题时难以有效解决。

世界各国对转子动力学的研究，早在十九世纪六十年代就已经开始。随着工业化步伐的加快，转子系统被广泛地应用于燃气轮机、汽轮机、压气机等大型机械装置，这些大型旋转机械是电力、石化、冶金等行业的关键设备。

振动是影响大型旋转机械如汽轮机等安全运行的重要因素，行业内经常把振动视为机械的“体温计”^[1]。电力行业使用最广泛的是汽轮发电机组，以此为例，发电机组安全运行的主要问题之一就是其轴系的振动。振动异常可能造成的后果很多，而且很多都很严重，比如包括轴系断裂、轴心偏移太大等，这些事故大都会带来严重的经济损失和人员伤亡。在我国，一台100～600 MW汽轮发电机组在出现故障之后，每一次启动的直接经济损失约为5～30万元，这还是在仅考虑燃油和厂用电消耗的情况下的数据。而且机组容量越大，经济损失越大。由于材料的不同，制造加工工艺的误差等因素，转子系统必然会存在着质量偏心，只是加工工艺精细意味着误差相对较小。同时转子在工作过程中还可能产生热变形以及磨损等现象。振动对机组的安全、稳定运行的危害主要表现在以下方面：（1）振动过大会导致轴承乌金疲劳损耗；（2）造成通流部分摩擦，严重时将会导致大轴弯曲；（3）使零部件承受大幅度交变应力，造成转子、联结螺栓、管道等的损坏^[2]。多年以来，国内外都发生过因为振动过大导致的事故。1953年，美国Tanner Screek 电站一台125 MW机组低压转子断裂。1972年，日本海南电厂一台600 MW的机组在超速实验过程中，从低压转子到励磁机的轴系断裂，整个轴系断为18段。国内也发生过多次严重的事故。有50MW机组因动静间隙变小而引起动静碰磨，其原因是低温蒸汽进入汽轮机导致汽缸急剧收缩，因而大轴弯曲。在不平衡力的作用下，15 m长的汽轮机组轴系断裂成12段。

显然，以上提到的振动故障只是冰山一角。随着现代工业的发展，旋转机械的容量随着增加，然而转子直径不可能随着其容量增大的而按照比例增大。这对现代旋转机械有了新的要求，即更快更轻。在这种情况下，转子的动力学变得更加突出和重要。因此本文的目标就是针对国内现在600 WM汽轮发电机组轴系结构，采用有限元分析的方法，利用ANSYS建立发电机的转子动力学模型，分析转子振动，进行模态与响应分析，以了解电机各结构本身具有的刚度特性，也即结构的固有频率和振型，得到接近实际的临界转速，确保机组快速顺利通过共振区间。这有助于避免在运行中因共振因素造成的不必要的损失。

1.2汽轮发电机组振动研究现状

由于转子系统在大型机械设备中被广泛应用，而其中出现的振动故障又难以分析与解决，因此人们关于转子动力学的研究，很早就已经开始，尤其是转子动力学的理论研究，主要是固有频率的研究，即确定临界转速，以便在启停过程中以最平稳的方式度过共振区，以及在临界转速附近时对转子弯曲的激发，由此引发的振动过大和失稳；另一方面是工程中振动故障的分析与排除，针对不同的工程中具体问题，提出合理的解决方案。

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