某型燃气轮机低压涡轮压气机转子动力学分析

收稿日期 : 2010- 04- 20 作者简介 : 关琦 ( 1980- ), 男 , 工程师 , 研究方向为涡轮机结构强度振动。
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舰
船
科
学
技
术
第 32 卷
1 结构简介
该型燃气轮机低压涡轮压气机转子呈轴流轮毂 式整体结构 , 它由 9级低压压气机和 1 级低压涡轮组 成 , 低压压气机与低压涡轮之间通过低压涡轮轴连接 并以花键传递扭矩 (见图 1) 。 0 ~ 8 级低压压气机轮 盘、 叶片材料为钛合金 ; 低压涡轮盘、 叶片材料为高温 合金; 低压涡轮轴材料为马氏体不锈钢。低压涡轮压 气机转子呈 3 点支承结构, 前支承采用径向止推滚珠 轴承, 支承点位于压气机 0 级轮盘前段, 由弹性支承、 挤压油膜阻尼器、 滚珠轴承组成 ; 中间支承采用滚柱 轴承, 由挤压油膜阻尼器、 滚珠轴承组成, 支承点位于 低压压气机后轴径后段 ; 后支承采用滚柱轴承, 由弹 性支承、 挤压油膜阻尼器、 滚珠轴承组成, 支承点位于 低压涡轮轴后段。
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建立总体直角坐标系 (X , Y, Z ) 和局部圆柱坐标
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第 8期
关
琦 , 等: 某型燃气轮机低压涡轮压气机转子动力学分析 阻尼器的 8个参数计算
kxx = kyx = Cxx = Cyx =
2 ) L RL 3 48 E0 ( 1 + E 0 # 3 2 3 c ( 1 - E0 )
图 1 低压涡轮压气机转子 P ig . 5 T he rotor of low tu rbocompresso r
速产生比较大的影响, 叶片等效简化为集中质量加到 计算模型中。
2 计算模型
该型燃机低压涡轮压气机转子的 3D 模型较大 , 这将导致在网格划分以及计算过程中花费大量时间 , 因此我们对本机组的计算采 用 2D 轴对称模型。在 总体直角坐标系下建立二维轴对称单元 , 其种类有 3 节点或高阶 6 节点的三角形单元、 4 节点或高阶 8 节 点的四边形单元。每个节点有 9 个自由度 , 前 6 个自 由度与梁单元一样, 分别为沿旋转轴线方向的拉伸和 扭转, 以及由弯曲而引起的其他 2 个方向的线位移和 角位移。另外, 3 个自由度与旋转轴的横截面变形有 关 , 分别为拉伸引起的径向位移和弯曲引起的 2 个切 向位移。同时, 使用这类单元可以很好地模拟转子的 / 涡动效应 0。 系 ( er, z, eH )。 设定 u r, uz, uH, <r, <z, <H 为局部坐标系下的位移 分量, 将它们沿 H向按傅立叶级数展开如下 :
nm <z ( r, z ) sin n H+ m P , 2 nm H
n = 0 m= 0
E E<
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( r, z ) cos n H+ m P 。 2
式中: n 为波数 ; m 为相数。每个谐函数 ( n, m ) 对应 1 个结构的基本变形 。 低压涡轮压气机转子的压气机叶盘间的连接方 式为焊接或螺栓紧固, 涡轮叶盘与涡轮轴之间也是以 螺栓紧固的方式连接, 低压压气机与低压涡轮轴之间 的连接为花键。因此可以认为压气机叶盘之间、 涡轮 盘与涡轮轴之间均 为刚性连接; 花键 连接按铰链简 化 , 以此为依据进行整体建模。低压涡轮压气机转子 叶片较长 , 其质量及转动惯量都很大, 会产生较大的 离心力和回转力矩 , 这种回转效应会对转子的临界转
关键词 : ; 瞬态响应; SAMCEF /F ield 软件 V2311 96 文献标识码: A DO I : 101 3404 / j1 issn1 1672- 7649120101 081 025 1672- 7649( 2010) 08- 0127- 06
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图 2 等效简化的低压涡轮压气机转子 F ig . 2 T he equ iva lent m ode l o f the rotor
3 计算内容
311 支承刚度和阻尼计算 现代航空发动机高速转子系统大都采用 / 柔轴 0 设计, 使发动机工作转速高于转子系统的临界转速 , 该型燃机低压涡轮压气机转子就采用了这种设计理 念。由转子在临界转速时的挠度 Y = m eXc / c和传递 率 T U m Xc /c 可知 , 此类转子工作在临界转速或者通 过临界转速时 , 其振幅 Y 正比于不平衡量 ( m e) 和转 子的临界角速度 ( Xc ), 反比于阻尼系数 ( c) 。显 然 , 对于 / 柔轴 0类转子系统采取适当措施减小转子
舰 船 科 学 技 术 SH IP SC IENCE AND TECHNOLOGY
Vo. l 32, No. 8 Aug. , 2010
某型燃气轮机低压涡轮压气机转子动力学分析
关 琦, 金 鹤, 新 力
( 中国船舶重工集团公司第七 o 三研究所 , 黑龙江 哈尔滨 150036) 摘 要:
为了获得某型燃气 轮机低 压涡 轮压气 机转 子的 动力学 特性 , 并 验证 其稳 定性 及可 靠性 , 本 文使 用
E Eu
n= 0 m = 0 ] ]
( r, z ) sin n H+ m P , 2
<r ( r, z, H) = E E < ( r, z ) sin n H+ m P , n= 0 m = 0 2
nm r
( 1)
<z ( r, z, H) = <H ( r, z, H) =
E E
] ]
n= 0 m = 0
ur ( r, z, H ) = uz ( r, z, H ) = uH ( r , z, H ) =
n = 0 m= 0
EE EE
] ] ] ] ] ]
]
]
nm ur ( r, z) co s n H+ m P , 2 nm uz ( r, z) co s n H+ m P , 2 nm H
n = 0 m= 0
kxy =
L RL 3 P# 8 # , 3/ 2 c3 2( 1 - E2 0)
2 28 E0 L RL 3 P# 8 ( 1 + 2E0 ) L RL 3 # kyy = 3 2 5/ 2 3 # 5 / 2; c 2( 1 - E0 ) c 2( 1 - E2 0) 2 L RL3 P ( 1 + 2E0 ) # 3 2 5 /2 c 2( 1 - E 0 )
通过分析引进的某型燃机涡轮超速限制器的结构性能及其在实际使用中的不足解读了涡轮超速限制器的控制机理改进了设计思路应用当代先进的数字控制技术结合舰用燃气轮机数控装置研制和装舰技术领域的实际需求研制出全新的涡轮超速限制器为掌握燃气轮机控制系统关键部件设计技术的研究奠定了基础
第 32 卷第 8期 2010 年 8 月
SAM CEF /F ie ld软件的转子动力学分析模块对该转子进行了分析计算。根据机组实 际运行的条 件 , 计 算了该机组 转子 的临界转速、 稳态不平衡响应、 叶 片丢失瞬态响应等。计算结果表明 , 临界转速安全系数合理 ; 转子系统选取的平衡量 具有较小的振动幅值 ; 转子的瞬态响应结果 验证了结 构方案 的合理 性 , 转子系 统具有较 好的稳 定性。得 出了此 转子 结构方案能保证低压涡 轮压气机稳定运行的结论。
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的不平衡量、 降低临界转速和增大阻尼都是可以达到 减小转子振动幅值的目的。而在发动机总体结构设 计已经确定的前提下, 采用弹性支承或者阻尼器 , 或 者两者兼而有之 , 就成为了最为有效和可行的方法。 该型燃机低压涡轮压气机转子就采用了这种减振方 式。机组所采用的弹性支承就是所谓低刚性弹性支 承 , 可以使转子在通过临界转速时的振幅和通过轴承 座的外传载荷均很小 , 这就可使转子工作在低阶临界 转速以上。因此确定该型燃机低压压气机转子支承 刚度是计算转子 - 支承系统临界转速所必需的 前提 条件。
3111 2 中间支承刚度、 阻尼计算 中间支承位于压气机后轴径后段 , 由挤压油膜阻 尼器、 滚柱轴承组成。 1) 滚柱轴承的刚度计算
图 3 低压涡轮压气机转子前 支承 F ig . 3 The first bear ing syste m o f the rotor
0 引
言
燃气轮机、 汽轮机、 发电机及电动机等都是典型 的旋转机械, 都以转 子作为工作主 体。转子连同 轴 承、 支座等称为转子 - 支承系统。机组 运转时, 转 子 系统常常发生振动, 而振动产生噪声 , 降低了机组的 工作效率; 严重的振动会导致转子断裂, 造成重大危 害。转子-支承系统的振动是多样的 , 包括转轴的扭 曲振动、 弯曲振动和轮盘叶片的振动等。转轴的振动 较为复杂, 牵涉的因素较多。转子动力学就是以转轴 的弯曲振动作为主要研究对象的。 转子的 不平 衡 量所 引 起的 振 动属 于 / 强 迫 振 动 0, 它的角 频率和 转动角 速度相 等。对 于高速 转
Cx y = Cyy =
2E0 L RL3 # , 2 2 c3 ( 1- E 0 ) L RL3 P # 2 3 / 2。 c3 2( 1 - E 0 )
7 7 5 5
2E L RL3 0 # 2 c3 ( 1 - E2 0)
7 7 5 5
( 3)
4) 前支承总刚度、 阻尼 K xx = 11899 @ 10 K yx = 41348 @ 10 C xx = 31848 @ 10 C yx = 11414 @ 10 K xy = 11087 @ 10 , K yy = 01713 @ 10 C yy = 11924 @ 10 N /m; N # s/m。 C xy = 11414 @ 10 ,
中图分类号 :
A nalysis on rotordynam ic of th e low tu rbocomp ressor
GUAN Q ,i JI NHe , X IN L i ( T he 703 R eseuroh Inst itute o f CSIC, H arb in 150036 , Ch in a) Abstract : U seing tw o d i m ensiona l finite elem ents m odels of SAMCEF F ie ld V61 3 analyzed rotor dynam ic of th e low turbocom pressor for feasib ility and dependability. T he results contain s critica l speed of the ro tor , ho r m on ic response of the rotor . T ransie nt response of the rotor and stability o f the ro tor syste m. The safety facto r o f cr itical speed is 1160; hor m onic response o f the ro tor has low er am plitude ; w hen the blade los, t the state of the rotor system can still be stable . The calcu lated results ind icate the structure of the rotor system is rational pro ject for the low turbocom pressor of th e gas tu rb in e . K ey w ords: roto r dynam ic ; critical speed ; hor m onic response ; transient response ; SAMCEF /F ield 子 , 除了不平衡质量引起的振动以外, 还有频率与转 动角速度不相等的振动 , 称为 / 涡动 0。转子连接件 配合面的摩擦、 转轴的内阻、 轴承油膜力或密封引起 的气动力等都是产生涡动的因素。理论上 , 转轴的这 [ 1] 种涡动属于 / 自激振动 0 。涡动甚至可以破坏转轴 或轴承。 本文研究的对象是该型燃气轮机低压涡轮压气 机转子, 通过对转子 -支承建模 , 使用 SAMCEF 专业 转子动力学分析软件, 采用有限元素法分析了其转子 动力学特性, 包括转子的临界转速计算、 稳态不平衡 响应分析、 转子稳定性分析等。验证了其在工程应用 方面的可用性及可靠性 , 同时得出了分析其动力学特 性的基本方法及结论。