大型动力系统轴系低频振动及其主动控制的研究

　第24卷第4期　2004年8月

动力工程

POW ER EN G I N EER I N G

V o l .24N o.4　

A ug .2004　

收稿日期:2003210214 修订日期:2004203221

作者简介:张俊红(19622),女,博士,天津大学机械工程学院副教授,硕士生导师。目前,主要从事动力系统现代设计、动力系统振动与噪声及其主动控制等方面的研究工作。

文章编号:100026761(2004)0420457204

大型动力系统轴系低频振动及其主动控制的研究

张俊红,　于镒隆

(天津大学,天津300072)

摘　要:从国内外现状、技术水平与特点等方面综述大型动力系统轴系低频振动的研究情况。总结了前人在轴系振动方面的研究成果,探讨未来的发展方向,指出了轴系低频振动研究上存在的问题以及轴系低频振动研究在动力学分析、测试技术、控制技术方面的发展趋势。参12关键词:动力机械工程;低频振动;主动控制;发展趋势;旋转轴系;动力系统中图分类号:T K 263.2 文献标识码:A

Re s e a rch on Low F re que ncy V ib ra tion a nd Ac tive C ontro l of

S ha fts in the La rge P ow e r S ys tem

ZH A N G J un 2hong ,　YU Y i 2long

(T ian jin U n iv .,T ian jin 300072,Ch ina )

Abs tra c t :T h is p ap er gives the general exp atiati on of the developm en t of the low frequency vib rati on of

shafts in the large pow er system from the p u rpo se and sign ificance of the study ,the p resen t conditi on of dom estic and in ternati onal research ,and techn ique characteristics and levels ,and so on .It m akes a sum 2m ary of the research resu lts of the vib rati on of shafts attained by fo rm ers ,and discu sses the directi on of developm en t in the fu tu re ,and po in tes ou t the cu rren t p rob lem s and the developm en t trend of shafts the study on low frequency vib rati on of shafts in dynam ical analysis ,test techn ique and con tro l techn ique .R efs 12.

Ke y w o rds :pow er and m echan ical engineering ;low frequency vib rati on ;active con tro l ;developm en t

trend ;ro tating shafts ;pow er system

本文所指大型动力系统低频振动是(诸如汽轮机、水轮机、燃气轮机、工程车用柴油机、船舶用内燃机、直升机旋翼系统等)大型动力机械的振动幅值较强、振动频率较低(不超过150H z ,一般为0.1～50H z ,系统固有频率较低或者振动频率低于系统固有频率)、破坏性较大的振动。目前,认识到产生低频

振动的原因来自两个方面:①振动固有频率较低、幅值较大的柔弹性体因素,即随着动力机械向大型化、

轻量化方向的发展,其组成零部件的柔度不断加大,

系统的固有频率逐渐降低;同时,随着动力机械向高速化方向的发展,转动件惯性力急剧加大,激振频率上升。在这种情形下,原本按刚性件设计的动力系统实际运转时表现出弹性体特征,引用弹性动力学分析(E lasto 2D ynam ic A nalysis )理论进行分析研究时发现存在低频振动;②柔性激励因素,即某些非稳定的柔性激励(比如燃气轮机的蒸汽激励、水轮机的水流冲刷激励、内燃机的进排气波动、直升机螺旋桨空气扰动、大型鼓风机空气扰动、轴承油膜参数激励等)引起的与负荷变动有关而与运转速度无关的、频率低于系统固有频率的振动。

以前,人们研究大型动力系统低频振动旨在指导现场运行,采取合理的措施(调节油温、改变间隙等)避免轴系事故;随后的研究用于工程动力学系统动态辅助设计,以便在开发设计阶段就能考虑到提高动力装置抗御事故的能力;当前的低频振动研究则开始应用主动控制技术来降低振动危害。新兴的振动主动控制技术在国民经济与社会发展中具有广阔的应用前景,但在我国研究起步较晚。因此,研究低频振动特性与主动控制理论和方法、实验模拟控制系统,将在汽轮机、水轮机、燃气轮机等大型发电机组(尤其在今后1000MW级以上超大型核电机组研制与运行中)、大型船舶推进装置、工程车用柴油机、直升机旋翼系统、大型空压机等大型旋转系统的

,也将对动力工业的发展发挥重要的促进作用,对提高大型动力系统高速旋转轴系安全运行度,将产生巨大的社会效益和经济效益。

1　国内外研究的现状、技术水平与特点、存在的问题

先前,由于大型动力系统普遍的容量不大,系统内零部件(特别是轴系)结构较小,振动固有频率一般在系统的工作转速(工频)以上,负荷的变动引起的力与力矩的干扰扰动较小,在系统设计时只需要按给定输入与希望输出依照动力学反问题原则(In2 verse D ynam ics L aw)求解运动规律,进而设计出系统结构,再按照强度理论进行校核。然而,随着能源与动力工业的发展,动力系统不断大型化。目前, 200MW、300MW火电汽轮机与600MW、900MW 核电汽轮机已成为电力系统主导机型,国产引进型300MW汽轮发电机组国内投运近百台,已经成为各大电网中的主力机组,对促进社会电力事业的发展和进步起着举足轻重的作用;6缸机、8缸机、12缸车用、船用内燃机也成为车船载动力系统的主体,对于这些大容量动力机械其轴系的固有振动频率往往出现在工频之下,极易引发低频振动。于是,自上世纪90年代初以来,大型动力系统低频振动特性研究一直较受广泛关注。对于复杂的大型动力转子系统,存在多种可能的激振因素,振动情况较为复杂,振动信号中往往包含着多种频率成份。当某个或某些频率成份比较大时,系统就可能无法正常工作甚至导致损坏。研究表明:对于动力系统尤其是大型动力系统当振动发生时,低频成分的振动能量占总振动能量的相当一部分,低频振动能量也较容易积聚而引起系统工作失效;尤其是旋转机械系统,其低频振动包含着丰富的振动机理及表现形式,其中包括大量的非线性振动。

在实际运行中的各种大型动力机械旋转系统产生低频振动的原因也很多,就汽轮机多支承转子系统而言,除了弹性体因素,还有比如①质量分布不均、转子不平衡产生的工频振动;②联轴器对中不良与制造误差使汽轮机叶轮产生位置偏心,由于叶轮顶隙沿圆周方向不等,使得作用在各个位置叶轮的圆周切向力不同,该切向力垂直于中心偏移方向,使转子产生的多种频率的振动;③轴承失稳产生的半速涡动、油膜振荡——由于轴承内油膜分布的特殊性所致,在外界扰动下,轴承油膜除产生一个沿变形方向的弹性恢复力外,还产生一个破坏轴承稳定性的切向力,该切向力驱使转子产生涡动,涡动频率约为转速频率的一半,转子的工作转速大于其第一临界转速的2倍,则为油膜振荡;④由于安装运行方面的原因产生的非线性分数谐波振动,其振动频率为转子转速的1 2,1 3,1 4,1 5,...;⑤由于轴套设置不合理可能产生频率低于转子转速频率的振动;

⑥由于长的梳齿密封可能产生频率为转子第一临界转速的气体间隙激振振动、密封和动力间隙失稳引起的振动、由于转子不对中引起密封腔中蒸汽压力分布的不均匀,其结果产生一垂直于转子偏移方向的合力,该合力也使转子运动趋于不稳定;⑦由磨擦或驱动力特性造成的结构共振,当激振力频率接近或达到其临界频率时导致的结构共振;⑧转子及支承系统连接松动激发的振动;⑨由于汽轮机调节级喷嘴进汽的非对称性引起不对称的部分进汽蒸汽力作用在转子上,这可能改变轴承的动特性而造成转子运动失稳;βκ由于气体的旋转脱离或喘振而造成频率很低的振动等等。

从过去发生过汽轮机机组轴系低频振动的情况来看,其振动的产生多是以上多种因素综合作用的结果。比如,东方300MW机组在运行过程中高中压转子出现过低频振动。为此,有关部门组织力量对张家口发电厂、华能德州电厂等7个电厂的低频振动原因进行了分析,分析认为运行启动方式对振动有影响,并阐明了机组产生振动故障的原因和对策[1]。华能威海电厂与山东电力研究院的科技人员研究了旋转机械监测的分频段技术,分析了广泛应用的旋转机械的低频振动特性,并分析了分频段技术对于监测和诊断旋转机械低频振动的优越性,给出了诊断实例并得出结论:低频振动分量是工频以下的振

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