第５８卷第１期 汽轮机技术 Ｖ０１．５８ Ｎｏ．１ ２０１６年２月 ＴＵＲＢＩＮＥ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ Ｆｅｂ．２Ｏｌ６ ６００ＭＷ汽轮发电机组转子系统建模 与动力学特性分析 张世海 ，刘雄彪 ，李录平２，晋风华２，梁 伟２ （１贵州电力试验研究院，贵阳５５０００２；２长沙理工大学，长沙４１０００４） 摘要：采用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ软件对国产某６００ＭＷ汽轮发电机组转子系统进行三维实体建模。运用Ａｌｇｏｒ有限元软件对 该机组各转子及轴系进行了动力特性分析。结果表明：该机组轴系的各阶模态频率值有按照各单转子各阶模态频 率值由小到大顺序排列、各阶模态振型相对应的分布趋势；该机组的各转子及轴系的固有频率均满足远离工作频 率的要求。为大型汽轮发电机组转子系统的三维实体建模及其动力特性有限元分析提供了一定的参考，研究结果 为该机组的运行提供了理论依据。 关键词：６００ＭＷ汽轮发电机组；转子一支撑系统；动力学特性；有限元 分类号：ＴＫ２６３．３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１－５８８４（２０１６）０１－００１３－０４ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｒｏｔｏｒ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ６００ＭＷ Ｔｕｒｂｏ．ｇｅｎｅｒａｔｏｒ Ｓｅｔ ＺＨＡＮＧ Ｓｈｉ－ｈａｉ ，ＬＩＵ Ｘｉｏｎｇ—ｂｉａｏ ，ＬＩ Ｌｕ－ｐｉｎｇ ，ＪＩＮ Ｆｅｎｇ－ｈｕａ ，ＬＩＡＮＧ Ｗｅｉ （１ Ｇｕｉｚｈｏｕ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｄｅｓｉｇｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ．Ｇｕｉｚｈｏｕ ５５０ｏｏ２。Ｃｈｉｎａ； ２ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈａｎｇｓｈａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１０００４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ３Ｄ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｒｏｔｏｒ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ａ ｄｏｍｅｓｔｉｃ ６００ＭＷ ｓｔｅａｍ ｔｕｒｂｉｎｅ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｍｏｄｅｌｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｄｙｎａｍｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｒｏｔｏｒｓ ａｎｄ ｓｈａｆｔ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｔｈｉｓ ｕｎｉｔ ａｒｅ ｃｏｍｐｌｅｔｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ＦＥＡ ｓｏｆｔｗａｒｅ Ａｌｇｏｒ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ ｏｆ ｍｏｄａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｖａｌｕｅｓ ｏｆ ｅａｃｈ ｏｒｄｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｓｈａｆｔ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｒｏｕｇｈｌｙ ｉｎ ａｓｃｅｎｄｉｎｇ ｏｒｄｅｒ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｍｏｄａｌ￣ｅｑｕｅｎｃｙ ｖａｌｕｅｓ ｏｆ ｅａｃｈ ｓｉｎｇｌｅ ｒｏｔｏｒ．Ａｎｄ ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｄａｌ ｓｈａｐｅ ｏｆ ｅａｃｈ ｏｒｄｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｓｈａｆｔ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｔｒｅｎｄ ｔｈａｔ ｅａｃｈ ｍｏｄａｌ ｓｈａｐｅ ｍａｔｃｈｅｓ ｔｈｅ ｓｉｎｇｌｅ ｒｏｔｏｒ’Ｓ ｏｎｅ．ｉｆ ｔｈｅ ｍｏｄａｌ ￣ｅｑｕｅｎｃｙ ｖａｌｕｅ ｃｌｏｓｅ ｔｏ ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌ ｒｏｔｏｒ￣ｏｎｅ．Ｔｈｅ ｎａｔｕｒａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｔｏｒｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｈａｆｔ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｅ ｓａｔｉｓｆｉｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｖａｌｕｅｓ ａｒｅ ｆａｒ ｆｒｏｍ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ￣ｅｑｕｅｎｃｙ ｖａｌｕｅ．Ｔｈｅ ｗｏｒｋ ｏｆ ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｏｆｆｅｒｅｄ ａ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ３ Ｄ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｂｏｄｉｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｄｙｎａｍｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｌａｒｇｅ ｔｕｒｂｏ ｍａｃｈｉｎｅｓ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｔｈｉｓ ｓｔｕｄｙ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｂａｓｉｓ ｆｏｒ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｉｓ ｕｎｉｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：６００ＭＷ ｔｕｒｂｏ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｓｅｔ；ｒｏｔｏｒ－ｂｅａｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ；ｄｙｎａｍｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ；ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ 究对象。该机组为一次中间再热、三缸四排汽、单轴、凝汽式 ０前言 汽轮机，机组型号为Ｎ６００—１６．７／５３８／５３８—１型。汽机采用 高中压缸合缸双层缸结构，低压缸为双流反向布置、三层缸 大型汽轮发电机组转子系统结构复杂，呈现多支撑、大 结构。该机组转子轴系全长３８．６２７ｍ，包括高中压转子（带延 跨度、高功率密度的特点。良好的转子系统动力学特性是大 伸轴）、两个低压转子和中间轴、发电机转子、集电小轴，各转 型汽轮发电机组能够长期经济、安全、稳定运行的前提。机 子之间以刚性联轴器相连接。实际转子轴系中共９个支撑， 组转子系统的动力学特性主要由组成机组各转子的设计、制 若除去集电小轴，轴系主要有８个支撑轴承，各转子均为两 造、安装以及支撑条件所决定 ｜２ Ｊ。随着计算机软、硬件技术 端支撑。轴系轴向位置是靠机组高中压转子电端的推力盘 的进步，采用有限元模型分析转子动力学问题变得比较普 来定位的，推力盘包围在推力轴承中，构成机组动静之间的 遍 。对比以往的传递矩阵法和一维梁单元有限元法，采 死点，转子以此向两端膨胀。轴系结构如图１所示 用三维实体模型的有限元分析更加符合转子的实际情况 ６］。 轴系各转子主要结构参数如表１所示。 １．２转子系统建模方法 １转子系统建模 １．２．１汽轮机转子建模 该机组高中压转子和两个低压转子均采用无中心孔合 １．１机组简介 金钢整锻转子，各转子主要由转轴一叶轮部分和各级叶片部 奎文以我国直友基 发电厂１号汽轮发电机组为研 分（含拉筋和围带）组成。典型的汽轮机叶片由叶根、叶型和 收稿日期：２０１５—１０－２６ 作者简介：张世海（１９８３一），男，研究生。长期从事汽轮发电机组故障诊断、火力发电厂新建机组调试工作。 １６ 汽轮机技术 第５８卷 转子段；６阶振型主要在发电机转子一２号低压转子的连接 短轴段和发电机转子段；７阶振型主要在２号低压转子段和 与之相邻的１号低压转子段；８阶振型主要在１号低压转子 段和与之相邻的２号低压转子段、高中压转子段。 《 鬻氅 ｌ瑟 Ｌ ———嘲卜 —一 ： ｋ Ｌ ：： ＝． Ｌ 《、慧 琏 —— 畸—翱 ——一 蹄 暾— －＿－一 ｊ ｔ． Ｌ 图１３机组轴系前８阶振型图 ３．２轴系动力学特性单转子动力学特性的差异性分析 将单个转子的各阶频率以及机组轴系的各阶频率从小 到大分别排列出来，见表３。 表３ 各阶频率及振型分布表 从表３中可以得出，轴系各阶模态振型中能与单个转子 模态振型相对应的模态，其模态频率均略高于相应的单个转 子的模态频率，如轴系的第一、三、六、七、八阶的模态频率及 振型的分布规律。 轴系的第二阶模态频率值位于发电机转子第一阶频率 与２号低压转子的第一阶频率值之间，轴系的第四阶模态频 率值位于２号低压转子的第一阶频率值与发电机转子的第 二阶频率值之间，对比这两阶振型图，发现其模态振型主要 由发电机转子振型和２号低压转子振型所决定。 高中压转子第一阶模态频率与轴系的第五阶模态频率 相差较大。机组轴系的各阶模态频率并不是完全按照各单 个转子的各阶模态频率从小到大排列并略高于对应单转子 模态频率的规律出现。 ４结论 （１）如果在轴系各个振型与单转子振型基本相对应的情 况下（如轴系的第一、三、六、七、八阶），机组轴系各阶临界转 速总是比单个转子相应各阶临界转速有所提高。基于这一 事实，在设计转子过程中，有可能根据各单个转子的临界转 速去估计机组轴系的临界转速的分布情况。这一事实也有 助于判断机组临界转速的计算结果是否合理，有无遗漏。 （２）从机组轴系的各阶主振型可以看出，轴系的各阶主 振型主要受到与其频率接近的各单转子的影响，可能出现轴 系主振型与单转子主振型一致，或是由与其频率接近的单转 子组合而成的振型。即可能出现轴系某阶频率介于某两个 单转子的模态频率之间，且其模态振型由该两个单转子所决 定。 （３）该机组轴系各阶频率并不是严格按照各组成转子的 各阶频率由小到大的顺序排列并略高于对应各阶单转子频 率的规律出现，原因不仅可能是模型偏差或计算偏差，还与 各转子的位置及整个轴系结构有关。 （４）该机组各转子与轴系的固有频率均满足远离工作频 率的要求。但是，轴系的第二阶模态频率为２５．１８Ｈｚ，且从图 １３中的第二个图发现，该阶模态出现在发电转子上，该机组 的发电机转子两端轴承发生油膜失稳和油膜振荡的风险比 较高。轴系的第六阶振型的主要变形发生发电机转子处，体 现了发电机转子的二阶振型，最大变形处为转子护环区域８ 号轴颈、密封瓦区域，因此，需要防止密封瓦（特别是８号瓦 处的密封瓦）碰摩。 参考文献 ［１］ 申秀兰．国产首台６００ＭＷ超ｌ临界汽轮发电机组轴系振动特性 的研究［Ｊ］．动力工程，２００９，（７）：６４０—６４４． ［２］ 张素心，何阿平．吴泾６００ＭＷ汽轮发电机组轴系振动分析 ［Ｊ］．上海节能，２００１，（４）：３１—３８． ［３］Ｇｕｎｔｅｒ Ｅ Ｊ，Ｃｈｅｎ Ｗ Ｊ．Ｄｙｎａｍｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ａｎ １１５０ ＭＷ ｔｕｒｂｉｎｅ— ｇｅｎｅｒａｔｏｒ［Ａ］．ＡＳＭＥ ２００５ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ［ｃ］．Ａｍｅｉｒｃａｎ Ｓｏ— ｃｉｅｔｙ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ，２００５．４３７—４４３． ［４］ Ｋｕｍａｒ Ｍ Ｓ．Ｒｏｔｏｒ ｄｙｎａｍｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ ｕｓｉｎｇ ＡＮＳＹＳ［Ａ］．ＩＵＴＡＭ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｅｍｅｒｇｉｎｇ Ｔｒｅｎｄｓ ｉｎ Ｒｏｔｏｒ Ｄｙｎａｍｉｃｓ［Ｃ］．Ｓｐｒｉｎｇｅｒ Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ，２０１１．１５３—１６２． ［５］Ｇｅｎｔａ Ｇ．Ｄｙｎａｍｉｃ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｏｆ Ｒｏｔｏｒｓ：Ａ Ｍｏｄａｌ Ａｐｐｒｏａｃｈ［Ａ］． ＩＵＴＡＭ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｅｍｅｒｇｉｎｇ Ｔｒｅｎｄｓ ｉｎ Ｒｏｔｏｒ Ｄｙｎａｍｉｃｓ［ｃ］． Ｓｐｒｉｎｇｅｒ Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ，２０１１．２７—３８． ［６］ 王超，王延荣，徐星仲，等．应用三维有限元法计算汽轮机转 子临界转速和模化长叶片［Ｊ］．动力工程，２００８，２７（６）：８４０— ８４４． ［７］潘毅，漳泳健．汽轮机叶片的三维几何造型方法综述［Ｊ］． 汽轮机技术，２００４，４６（３）：１６１—１６３． ［８］钟一谔，何衍宗，王正，等．转子动力学［Ｍ］．北京：清华大 学出版社，１９８７．４１—６１．
