论文总字数：29796字

摘 要

关键词：传递矩阵法，轴承标高，安装扬度曲线，载荷分配

LOAD CALCULATION AND ANALYSIS OF MULTI-ROTOR BERING SYSTEM FOR STEAM TURBINE GENERATOR SET

Silei Jiang Name

Supervised by Jiangang Yang

Abstract：In this paper, the load calculation model of the bearing system of the multi - rotor - bearing system of the turbo generator set is established by the transfer matrix method. Software for calculating and analyzing the bearing elevation and load of large turbo generator set. The effect of elevation on the load distribution of the bearing is analyzed.In this paper, the rotor of 200MW turbine is a multi degree of freedom system. Use a lot of nodes for discretization of the axis, The mass of each node is equal to the total mass of the rotor, while the moment of inertia is equal to the total moment of inertia. Using transfer matrix method to study the model of three supported rotor, The relationship between the state vector of the rotor at any cross section and the state vector of the starting section is obtained. Then the research of three support rotor load allocation algorithm is extended to the multi bearing system. Finally, the static load and the starting state variable of each bearing can be obtained. The last part is the development of Matlab software program. The function of supporting load distribution of the multi support rotor system can be realized. At the same time, the shaft deformation is obtained by the trans - transfer method of the axle load bearing.

Key words： transfer matrix method, bearing elevation, install lift curve,load distribution

目 录

1、绪论 1

1.1课题背景 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 本文主要内容 5

2、旋转机械轴系的模化 7

2.1 转子的结构 7

2.2 转轴系统部分的建模 8

3、三支承轴系中各轴承载荷分配算法 13

3.1 计算安装扬度曲线 13

3.2 建立转子部件之间的传递关系 13

4、计算多支撑轴系每个轴承的载荷 17

4.1 建立多支撑轴系的模型 17

5、开发计算轴承标高、载荷的软件 21

5.1 软件中必要参数 21

5.2 软件中主要程序功能 21

5.3 结果和结果分析 25

6、总结与展望 34

6.1 本文总结 34

6.2 发展展望 34

致 谢 35

参考文献（References）： 36

1、绪论

1.1课题背景

长久以来，尤其是进入新世纪以来，随着社会以及科学技术的发展，面对生产工艺的需求，旋转类的机械发生了很大的变化，速度方面转向高速化，容量方面转向大型化，机械更加机密、更加可靠。旋转机械在现代工业社会上应用极其广泛，诸如电力、航空航天、纺织、动力运输等领域，具体运用表现在汽轮机发电机组、航空航天发动机、各种泵与风机、压缩机等等。旋转机械对于现在的社会经济、工业、国家安全等诸多领域起着无与伦比的重要作用，作为很多大型机器的关键设备，旋转机械运行状况是否优良将会对各相关企业造成最直接的影响，尤其是影响其工作进程，造成经济效益的损害。因此，研究转子机械对于保证机组运行安全、延长转子机械工作的寿命、维持转子机械工作时的稳定性、提高企业的运营效率都是非常有必要的，也越来越多地受到了企业和研究人员的重视。

随着现代工业的发展，以及旋转机械高速化、精密化、大型化等诸多方面的改变，现代大型的汽轮发电机组大多都是有数根转子依靠联轴器联接作用结合起来的多转子大型轴系，在这样的转子系统中，大部分属于静不定的结构。影响大型汽轮机发电机组正常运行的重要因素是机械振动问题，机械振动会给旋转机械造成很大部分的磨损，由此引发的机械的性能方面的损伤是非常显著的。

旋转机械振动故障从性质上可以分为强迫振动和自激振动两大类。要使系统持续振动下去，需要有不间断地能量传给振动系统。若使系统振动的能量是通过外界的激振力供给的，所造成的振动叫做强迫振动；若使系统振动的能量通过其自己的运动供给的，所造成的振动叫做自激振动。

旋转机械中经常见到的振动类故障中，其中包含在强迫振动的有以下几个，分别是：转子不平衡、热弯曲、不对中、电磁激振、共振、摩擦等；包含在自激振动的有以下几个，分别是：油膜振荡、汽流激振等。激振力大和支持系统的动刚度不足是造成强迫振动的最主要的两个因素，用公式表示为，其中A是振幅，F是激振力，K_d是动态刚度，是系数。从公式可以看出，振幅与激振力之间的关系是正比关系，与支撑其的系统的动刚度是反比关系。处理强迫类的振动故障大多是从激振力和支撑系统动刚度这两方面考虑的。

激振动的机理和强迫振动的不一样，自激振动依靠自己的运动所供给的能量保持系统的持续振动。旋转机械的转子在发生自激振动时，因为涡动频率和转动频率不一致，转轴在某一方向上会交替性地出现受拉或受压情况，更容易造成疲劳损坏。因此自激振动对旋转机械转轴的损害要超过一般的强迫振动。诱发旋转机械自激振动的原因有多种，而其中在工程上最经常见到的是汽流激振和油膜振荡这两种自激振动。由于这两种振动皆是由流体引发的，因而自激振动有被叫做流体激振。

现在工业的大型设施都在向更多样、更大、更集约的趋势发展，在大大提高其效率、减少其运营成本的同时，隐患就是一旦发生故障，所造成的影响是巨大的。在现代生产工艺中，旋转机械作为大型设备的关键性原件，不能期待在事故发生后来对旋转机械进行检查维修，大多数情况下是在事故发生前对子所形成的曲线是一条光滑的曲线，我们一般将每一个轴承的中心位置在垂直方向上的高度称为安装标高。旋转机械在运转的时候，其每段转子质心都会与原来的这条光滑曲线（称之为安装扬度曲线）有偏差，而稳定运行时，每一个轴承的标高被叫做动态标高。

在具体的运行工况期间，由于汽轮发电机组各种因素的影响下，诸如机组的安装条件、精密度，气缸的真空状况、热胀以及基础的不均匀下降这些因素，通过影响轴承的标高值进而会很大程度上影响轴承载荷的分配情况，使得轴承的负荷也变得不可预知。在这里轴承标高的变化会引起轴承不对中现象的发生，不对中对于转子轴承的很多方面会产生很直接的影响。一般会有以下几个影响：1、会使轴承载荷的分布受到影响；2、会使轴承的油膜压力与正常值不一样，造成联轴器每个端面振动比较大并且使轴承标高浮动；3、会改变安装扬度曲线，使得转子汽封、油挡间隙之间改变。

国内汽轮机发电机组持续向高参数、大容量方向发展，在整体上大压小的趋势下，600MW和900MW容量的发电机组非常常见，甚至1000MW发电机组也越来越多，这样转子机械的转子长度变得更长也更细，运行期间轴系特性也对标高提出了更加严格的要求。因此，研究标高变化下对轴承载荷分布的影响是各相关企业和科技工作者应该重视的问题。

设备进行有效监测并且实时预测设备的接下来的运行状况和可能出现的问题。综合现有的数据，旋转机械振动起因中最为显著的是转子不平衡。旋转机械出现转子不破平衡情况，是受材料、加工、装配和运行过程中各种因素的影响，造成多联轴转子在联轴器处存在转子质心不在一条直线上，由此转子在转动期间会产生动载荷。质心的偏差使得转子在运行期间产生离心力，即为交变载荷。我们都知道，交变载荷会造成物体的振动，所以说交变载荷即是导致不平衡振动的主因。

大型转子一般都是由数根转子单独联接而成的，并且的自身重力的影响下，联接这些转

1.2 国内外研究现状

不平衡振动是汽轮发电机组故障相当大的因素之外，转子轴承的标高改变也是引发汽轮发电机组故障的重要原因之一，国内外的科技工作者始终坚持在轴承标高变化对转子造成的影响的研究工作。由于国外比国内在历史上更早地对汽轮发电机组故障进行研究以及国内外汽轮发电机组发展状况的不同，国内外在这些方面的深度和广度不一样。国外的科技工作者更倾向于清楚明白地研究轴承标高改变所引发的油膜系数的改变，并且已经有了相应的成果。此外，轴承标高的改变对整个轴系的稳定性、临界转速、振动响应等诸多方面也是有持续性的重视。国内的科技工作者更多的是重视具体方面的应用，其中受到更多的关注的是标高的改变对旋转机械轴系稳定性方面的作用，以及对轴承负荷变化的作用。接下来对国内外科技工作者对这些方面研究成果的介绍。

1994年，李建国在三弯矩法为基础建立了一种迭代算法，以便计算大型轴系在运行状况下轴承负荷分配问题，并且其中计入了轴颈在水平和垂直方向上不对中的影响。

1998年，田新启等学者研究介绍一款利用激光的测量设备，针对大型汽轮发电机组转子轴承标高的测试，对该款装置展开了特征、测试机理以及手段的描述，并结合二十万千瓦汽轮发电机组实施了多次实施监测分析，获取了轴承标高改变的关键信息。

2000年，杨建刚等学者对大型汽轮机组的各轴承载荷分配情况对机组安全运行研究指出，轴承载荷分配不合理时很可能会致使汽轮发电机组稳定性丧失。并在研究的基础上开发了寻常的轴承载荷分析方式，让其能够得出轴承负荷与标高改变的灵敏度矩阵。利用这样的矩阵能够很快得出各种表高下各轴承负荷，并结合六十万千瓦的发电机组做了相关研究。

2004年，刘石针对大型汽轮发电机组在运转期间由于轴承座热态标高出现改变时会频繁地导致汽轮发电机组的振动，在转子动力学和多传感信息融合观念的条件下，运用全息谱方法剖析了此种事故的振动特点。提供了三位全息谱和差谱的矩阵表示形式，同时给出了差谱导出轴承座标高改变的方式，使用实验和各种实时数据佐证了这些方式是有用的。

2005年，崔颖等学者首创高维度非线性动力学模型，该模型主要涉及到轴系转子和轴承标高与非线性油膜力的多跨轴系。在对动力学模型降低维度的同时采用Newm ark逐步积分法得出该模型的相关数据，分析知道轴承在不同标高下油膜稳定性丧失的最低转速和轴承标高改变对轴系的作用趋势。结合二十万千瓦机组转轴系统分析指出标高变化会明显影响转轴运行特性和系统的稳定性。

2010年，高亹等学者在研究一台六十万千瓦汽轮发电机组时并且对其轴承标高的改变、振动和油膜力的测量指出，轴承标高异常是致使其振动稳定性丧失的关键因素。列举了轴系振动实测状况与轴承标高测量的实验方式，与得到的相关数据一起，得出了轴承标高的变动趋势。

2012年，郭玉杰等学者在对排气缸对大型汽轮发电机组轴承标高和振动的作用分析时得出，排气缸真空的变化会对轴承负荷、动力特性和标高产生作用。其会引发排气缸的形变和基座相互间的连接情况与支承抵抗形变能力，更糟糕的情况是致使相关部件的相对位移或者位移趋势。

2013年，李燕勇等学者在分析汽轮发电机组对中所得到的实验数据的基础上，使用传递矩阵的手段设立了轴承负荷模型，该模型中以对中数值对应轴承标高，再次用轴承标高导出轴承负荷。并且结合三十五万千瓦汽轮发电机组实施了运算，剖析了不对中程度对轴承负荷的作用和三种不对中情况下的负荷情况。

1970年，Rieger剖析了轴承标高的改变作用在轴系稳定性的效果。

1975年，P.N.Bansal使用常见的传递矩阵法，建立了二十万千瓦汽轮发电自组轴系的四跨五支承转子的模型，用以探究轴系的临界转速和稳定性，研究了标高改变对轴系稳定性的作用。

1984年，H.Springer使用运动方程研究了双跨三支撑转子在弹性转子和刚性转子的基础上，中部轴承标高改变作用在轴承载荷分布、稳定性边界、不平衡响应的效果。提供了周静处于静平衡状况时在位移影响下，油膜力和扰动仙湖间的非线性关系。当扰动很微弱时，把油膜力和扰动系数之间的关联线性化，同时参数的一阶部分要留下。

1988年，Z.A.Parszewski参照轴承处的数据对整个轴系进行改良处理，使得轴系振动的振动响应变得更好。轴系结构不变化的条件下，采用变化标高进而使轴系相关数据变化的方法，并且实施一些改良的方式让轴系振动的峰值、均方根值降至最低。结合二十万千瓦汽轮发电机组，优化轴承标高前后汽轮发电机组工作状况下的相互比较，数据表明优化后的振动值会最低减少百分之四十。这样的理念将标高改变作用在汽轮机组振动特性的效果带到了更高的地步，从而很好地稳定汽轮机组的运行状况。

1993年，J.Ding通过对多支撑轴系轴承系统的非线性动力学研究，并且做了部分相关模型的事情，得出了相关的公式可以包括进轴系在工作期间标高改变作用在系统特征上的作用，并且用3跨4支撑机组、二十万千瓦作为例子实施了运算。其特征为可以在变化运行速度和机组相关结构性的参数的基础上，剖析了系统的振动特征，当该参数变化以后，别的参数的改变需要提前计算出来。

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