12MW汽轮机转子临界转速的模态分析

某转子系统的临界转速分析众所周知，风扇部件是航空发动机的关键部件之一，同时也是发动机的设计难点之一。

为考核验证某型发动机的风扇特性，设计并研究了风扇试验器，而风扇试验器的转子动力特性问题是设计过程中不可避免的重要问题。

转子动力特性通常包含以下几个问题：临界转速、动力响应、动平衡以及转子的稳定性。

本文主要阐述了风扇试验器临界转速的初步分析。

转子临界转速的估算主要是避免其落入发动机的正常工作转速范围，转子工作转速应具有足够共振裕度，此裕度至少是20%【1】；是防止试验过程中振动过大，造成产品浪费、设备损坏的必要手段。

在转子动力学研究发展过程中，出现过许多计算方法，这与当时的计算命题和计算方法相适应。

现代的计算方法主要有两大类：传递矩阵法和有限元法。

传递矩阵法由于矩阵的阶数不随系统的自由度数增大而增加，因而编程简单，占内存少，运算速度块，得到广泛应用[2,3,4]；随着计算机硬件水平的迅猛发展，配套的有限元软件界面友好程度的不断提高以及解决转子及其周围结构组成的复杂系统所表现的优越性，使得有限元方法逐渐称为主流趋势[5,6]。

本文利用Samcef Field前后处理软件，基于Samcef Rotor有限元法求解器，分别采用一维和二维模型对风扇试验器进行了临界转速分析。

1 风扇试验器转子风扇试验器由电机驱动，电机转子通过法兰和风扇转子刚性连接。

试验器转子系统包括：风扇轮、平衡盘和两个轴承，其中转轴分为三段，第一段为风扇轴，通过花键将扭矩传递至风扇轮盘，第二段为平衡盘及轴，第三段为电机传扭轴，前两段轴通过法兰刚性连接，后两段轴通过花键传扭，通过锁片和螺帽轴向拉紧。

转子系统上有两个支点，采用0-1-1的支承方式，见图1。

图 1 风扇转子试验器2 一维分析2.1 一维计算模型依据转轴截面尺寸的不同以及集中质量位置、支点位置将转轴划分为多段阶梯轴，各段的几何参数见表一，集中质量及转动惯量见表二。

对于风扇轮前端的整流结构，由于其质量较小，一维分析时忽略其对转子临界转速的影响。

临界转速理论基础一、临界转速定义临界转速就是透平机组转速与透平机转子自振频率相重合时的转速，此时便会引起共振，结果导致机组轴系振动幅度加大，机组振动加剧，长时间在这种临界转速下运转，就会造成破坏事故的发生。

由于转子因材料、制造工艺的误差、受热弯曲等多种因素，转子各微段的质心一般对回转轴线有微小偏离。

转子旋转时，由上述偏离造成的离心力会使转子产生横向振动，在工作过程中不可避免的产生振动现象。

这种振动在某些转速上显得异常强烈，这些转速称为临界转速。

转子的振动幅值（扰度、离心力）将随着转速的升高而增大，当转速继续升高而振动幅值出现下降且稳定在某一振动幅值范围之内，我们称转子系统此时发生了共振现象（批注：转子的振动幅值（扰度、离心力）将随着转速的升高而增大，当转速继续升高而振动幅值出现下降，继续升高下降）。

我们把振动幅值出现极大值时对应的转速称为转子系统的临界转速，这个转速等于转子的固有频率。

当转子速度继续升高，振动幅值再次出现极大值时，该振动幅值对应的转速称为二阶临界转速，以此类推我们可以定义转子的三阶临界转速,四阶临界转速。

但是实际中由于支承刚度、轴系受力等情况，转子临界转速会与定义值有一定的偏差，比如转轴受到拉力时，临界转速会提高；转轴受到压力时，临界转速会下降。

转子的临界转速一般通过求解其振动频率来得到。

转子的固有频率除了与转子结构（和支承结构）参数有关外，它还随转子涡动转速和转子自转转速的变化而变化。

在不平衡力驱动下，转子一般作正向同步涡动，当转子涡动频率等于转子振动频率时，转子出现共振，相应振动频率下的转速就称为该转子的临界转速。

转子的固有频率除了与转子结构（和支承结构）参数有关外，它还随转子涡动转速和转子自转转速的变化而变化。

为确保机器在工作转速范围内不致发生共振，临界转速应适当偏离工作转速10%以上。

临界转速的研究对于旋转机械很重要。

在旋转机械中，由于振动而引起很多故障甚至事故，造成了财力物力的损失。

2009年第 3期 第 44卷 (总第 148期 )
( EXPLOSION - PROOF ELECTRIC MACH INE)
防爆电机
AN SY S模态分析在汽轮发电机转子 临界转速计算上的应用
李贞婷
佳木斯煤矿机械有限公摘 要 高速汽轮发电机转子的临界转速是汽轮发电机转 子设计中 的一个重要 参数, 随着计 算机技术的不断发展, 使得能够全 面考虑影 响汽轮 发电机 转子临 界转速 因素, 计算结 果更接 近于 实际的有限元分析法的应用将会越来越广泛。文章 详细介绍了 利用 AN SY S有限 元软件的模 态分 析功能, 计算汽轮发电机转子临界转速的方 法和计算结果的后处理过程。
得到两组数值, 分别为转子正进动和反进动, 由于 陀螺效应的影响, 随着转子转速的升高, 正进动固 有频率将会提高, 反进动固有频率将会降低, 根据 固有频率的 定义, 应只 对正进动固 有频率分 析。 ANSYS系统模态分 析提取的一阶和二阶固 有频 率数值对应旋转速度值见表 2。
表 2 转子固有频率 旋转速度变化表
合理保证装压压力和铁心叠压系数, 提高定 子冲片装压质量, 采取措施减小片厚差的影响, 提 高定子冲片与定子筋的焊接质量, 提高定子筋与 机座环筋板的焊接质量。在设计时充分考虑轭部 磁密的基础上, 增加定子铁心的轭部高度以提高 其刚度。 3. 10 提高转子铁心对齐度
提高转子冲片装压质量, 在转子铁心两端增 加固定压圈, 以 减小冲片变形, 转子在 加工外径
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所示。
图 1 汽轮发电机转子模型图
1. 5 约束与载荷 汽轮发电机转子临界转速有限元分析模型约
束与载荷见表 1。
表 1 汽轮发电机转子临界转速有限元分析模型 约束与载荷

汽轮机转子临界转速实验研究
潘宏刚;郑飞飞;夏永放;崔洁
【期刊名称】《沈阳工程学院学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2016(012)004
【摘要】转子临界转速的计算方法有很多种,但是计算结果与实际误差较大.通过转子临界转速实验测量装置,利用伯德图法、频谱分析法和李莎茹图法对转子的临界转速进行测量,分析并比较了3种测量方法的优缺点.实验结果表明,伯德图法对转子临界转速的测量结果较为准确,并能直观地反映出转子在不同转速时刻下对应的相位,为后期转子临界转速影响分析及其灵敏度分析打下基础.
【总页数】5页(P314-318)
【作者】潘宏刚;郑飞飞;夏永放;崔洁
【作者单位】沈阳工程学院能源与动力学院,辽宁沈阳110136;沈阳经济技术开发区热电有限公司生产技术部,辽宁沈阳110027;沈阳工程学院能源与动力学院,辽宁沈阳110136;沈阳工程学院能源与动力学院,辽宁沈阳110136
【正文语种】中文
【中图分类】TK263.6
【相关文献】
1.汽轮机转子临界转速的可靠性计算仿真 [J], 刘雪峰;王祥和
2.轴承阻尼系数对汽轮机转子临界转速的影响分析 [J], 阚伟民;肖小清;邓小文;陈坚红;盛德仁
3.汽轮机转子临界转速及不平衡响应计算 [J], 丁峰;郭群龙
4.汽轮机转子临界转速的仿真分析与验证 [J], 陈付平;许文辉;杨二旭
5.汽轮机转子热弯曲及临界转速偏移故障分析及处理 [J], 米孜拉夫·麦麦提;秦涛;陈刚;刘辉
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