不同支撑方案下汽轮给水泵组的轴系振动特性_闫佳佳.pdf

SHIP ENGINEERING 船 舶 工 程 Vol.45 No.2 2023 总第 45 卷，2023 年第 2 期 21 不同支撑方案下汽轮给水泵组的不同支撑方案下汽轮给水泵组的 轴系振动特性轴系振动特性 闫佳佳1，彭龙龙1，于胜剑2，尤明明1，李 兵1（1上海船舶设备研究所，上海 200031；2大连船舶重工集团有限公司，辽宁大连 116037）摘 要：摘 要：以某型汽轮给水泵组轴系为研究对象，提出轴承对外传递力的计算方法。对比分析不同轴承支撑方案下轴系的振动特性及轴承对外传递力的特性，进行机组轴系支撑方案论证研究。结果表明：在汽轮机单侧和双侧支撑方案下，机组轴系均可在额定工况转速范围内安全可靠地运行；在额定转速下，采用单侧支撑方案的机组，其各轴承外传力大于采用双侧支撑方案的机组，但在3 000 r/min以下的低速工况时，2种方案下的机组轴承外传力基本一致，且单侧支撑下中间轴承的外传力更小。该结论对于该类型汽轮给水泵组的结构设计具有一定参考价值。关键词：关键词：汽轮给水泵；轴系；振动特性；支撑方案；轴承外传力 中图分类号：中图分类号：U664.113 文献标志码：文献标志码：A 【DOI】10.13788/ki.cbgc.2023.02.02 Shafting Vibration Characteristics of Steam Turbine Feed Pump Units under Different Supporting Schemes YAN Jiajia1,PENG Longlong1,YU Shengjian2,YOU Mingming1,LI Bing1(1.Shanghai Marine Equipment Research Institute,Shanghai 200031,China;2.Dalian Shipbuilding Industry Co.,Ltd.,Dalian 116037,Liaoning,China)Abstract:Taking the rotor system of a typical steam turbine feed pump unit as the research object,the calculating method of bearing transmitted force is proposed.The vibration characteristics of rotor system and bearing transmitted force are compared under different supporting schemes,and the supporting performance of rotor system is demonstrated.The results show that the rotor system could operate safely both in unilateral and twain support relative to the turbine casing.Under the rated rotating speed,all the bearing transmitted forces in unilateral support are larger than those in twain support.The bearing forces in two supporting schemes remain consistent below 3 000 r/min,and the transmitted force of middle bearing in unilateral support is smaller.These results are beneficial for the structure design of the type of steam turbine feed pump.Key words:steam turbine feed pump;rotor system;vibration characteristics;supporting scheme;bearing transmitted force 0 引言引言 汽轮给水泵机组是重要的汽轮辅机设备之一，其主要功能是将蒸汽凝结水输送到锅炉中进行加热，保证蒸汽系统正常运行。考虑运行安全性、可靠性和稳定性，汽轮辅机设备在设计阶段需要对机组振动和模态等进行分析优化，找出最优方案。其中，转子轴系的动力学特性是重要的激励来源，在方案论证设计中尤为重要。在转子轴系振动特性的仿真分析方面，目前主要的计算方法有传递矩阵法、有限元法和模态分析法等。传递矩阵法是一种快速有效的半解析方法，通过将转子系统分为圆盘、轴段和支承等若干典型部件，建立各部件的传递关系，进而求解。该方法程序简单、计算效率高，但在求解大型复杂问题时可能出现数值不稳定的现象。模态分析法通过将复杂的转子系统划分为多个简单的子系统，根据连续性条件将各子系统的 收稿日期：2021-09-23；修回日期：2022-03-31 作者简介：闫佳佳（1987），男，高级工程师。研究方向：船舶汽轮辅机设计。专题：减振降噪 22 固有模态组装，得到系统的运动微分方程。该方法可有效缩减大型复杂系统的自由度而基本不影响低阶频率精度。有限元法通过将转子系统离散为若干有限单元，建立单元刚度和质量等矩阵后进行组合求解1，是目前广泛采用的一种方法。转子轴系的多数振动问题都可采用有限元法来分析。在计算机技术高速发展的背景下，有限元法可高效灵活地分析转子轴系的振动响应问题。张娅等2采用有限元法研究转子的碰磨振动，通过对比不同类型轴承支撑下转子的振动位移，对碰磨故障振动特征进行了分析。曲大庄等3基于复特征值及有限元方法，在转子振动不平衡响应解析求解的基础上，对实际的核电屏蔽电机主泵转子振动开展了数值分析。姚永灵等4采用CFX软件开展离心泵三维定常及非定常流场分析，获得作用于叶轮上的流体激振力，并基于ANSYS有限元软件，分析了流体激振力及不平衡激励对转子振动特性的影响。周義桓等5对离心机转子振动位移进行分析及提取，基于模糊PID方法，提出高速离心机转子振动控制方法。值得注意的是，上述文献对转子振动特性的有限元分析主要聚焦于转子的振动位移以及边界条件改变对振动位移的影响。然而，在实际振动测试时，对于汽轮给水泵等旋转机械设备，多数情况考核的是机组安装机脚以及轴承座等位置的振动6。目前，有关转子轴系振动对汽轮给水泵等旋转机械设备产生的影响等研究尚未开展。本文以某型汽轮给水泵组轴系为研究对象，提出其轴承对外传递力的计算方法，可为该类型设备整机振动分析提供设计参考。同时，进行不同支撑形式的方案论证，仿真分析不同支撑形式下轴系的振动特性，对比研究轴承对外传递力的变化规律，为该型号汽轮给水泵组轴系设计提供参考。1 汽轮给水泵轴系有限元模型汽轮给水泵轴系有限元模型 以某型汽轮给水泵轴系为研究对象，分析其在不同支撑形式下的振动特性。该汽轮给水泵组为立式机组，汽轮机直接驱动给水泵工作，汽轮机与给水泵之间采用同轴直联形式。针对轴系支撑形式，采用2种方案进行对比论证研究。图1为采用2种支撑形式的汽轮机给水泵轴系有限元模型。方案1采用汽轮机双侧支撑形式，即在汽轮机轮盘两侧各设置1个滑动轴承，在水泵底部设置1个水润滑轴承，给水泵各级叶轮的口环也具有一定支撑作用，轴系总长1 936 mm，其中上轴承与中间轴承之间跨距645 mm，中间轴承与水润滑轴承之间跨距1 107 mm。方案2为汽轮机单侧支撑方式，2个滑动轴承位于汽轮机轮盘与水泵叶轮之间，水泵部分与方案1保持一致。由于汽轮机只在单侧布置汽封结构，轴系长度可缩短，总长1 690 mm，上轴承与中间轴承跨距277 mm，中间轴承与水润滑之间跨距1 107 mm。图1 汽轮给水泵组轴系有限元模型 本文主要分析转子系统的弯曲振动，转子主体部分采用弹性轴段Timoshenko梁单元建立，单元内任意一点的位移可表示为 T,xyyxuu=-u （1）式中：ux和uy为任一横截面x、y方向位移；x和y为截面x、y方向偏转角；u为位移及转角列向量。从Timoshenko梁单元的Lagrange方程7出发，建立转子主体的质量矩阵、陀螺力矩阵和刚度矩阵。汽轮机轮盘及水泵各级叶轮可作刚性集中质点处理，将其质量、直径惯性矩和极惯性矩附加到对应节点自由度，最终得到转子轴承系统的动力学方程：)_)_ssssT12n,+=|=|M UJCUK UQUu uu?（2）式中：Ms、Js、Cs和Ks分别为转子整体的质量矩阵、陀螺力矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵；为转子旋转速度；u1、u2和un为转子第1节点、第2节点和第n节点的位移及转角列向量；U为所有节点的位移及转角列向量；Q为所有节点的广义力向量，包括支承轴承油膜力和转子不平衡力等。转子系统的阻尼矩阵Cs通过Rayleigh阻尼模型8获得：sss=+CMK （3）式中：和为待定系数，由式（4）获得。(b)方案2(a)方案1水润滑轴承 四油叶中间滑动轴承 圆瓦上滑动轴承 汽轮机轮盘汽轮机轮盘 水泵各级叶轮 水泵各级 叶轮口环 汽轮给水泵组 水平安装法兰位置 1 936 mm 1 690 mm 闫佳佳等，不同支撑方案下汽轮给水泵组的轴系振动特性 23 211122222222nnn =+|=+|=+（4）式中：i（i=1,2,n）为转子第i阶固有频率，n=2；i（i=1,2,n）为转子第i阶阻尼比，n=2。对于支承轴承油膜力，进行线性化处理，对应节点的轴承油膜力可表示为 bbbiii=+QK uC u?（5）bb000000000000000000000000 xxxyyxyyxxxyyxyykkkkcccc|=|=|KC （6）式（5）和式（6）中：Qbi为轴承节点油膜力向量；Kb和Cb分别为轴承刚度矩阵和阻尼矩阵；kxx、kyy、kxy和kyx为轴承x、y方向主刚度、交叉刚度系数；cxx、cyy、cxy和cyx为轴承x、y方向主阻尼、交叉阻尼系数。将轴承刚度和阻尼写入转子整体的刚度和阻尼矩阵，最终得到转子轴承系统的动力学方程：)_GGGGunb+=M UJCUK UQ?（7）式中：MG、JG、CG和KG分别为转子轴承系统的质量矩阵、陀螺力矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵；Qunb为不平衡激励向量。各节点不平衡激励与不平衡质量的关系为 2unbiiqm=（8）式中：qunbi为转子第i节点不平衡力；mi为转子第i节点不平衡质量。给定转子轴系的不平衡激励，通过线性求解可得到转子不同转速下的各节点振动响应。2 支撑轴承特性支撑轴承特性 该型汽轮给水泵组额定工况转速为4 300 r/min，汽轮机部分采用滑动轴承支撑，泵部分采用水润滑轴承支撑，水润滑轴承位于水泵端部。2种支撑方案下各轴承参数见表1，中间轴承结构参数一致，水润滑轴承也采用相同的结构参数。对于上轴承，受安装因素影响，在单侧支撑方案下，轴承直径要略大，但轴承长径比和半径间隙比取相同的数值。表1 不同支撑方案轴承参数 参数 双侧支撑方案 单侧支撑方案 轴承形式 上轴承 中间轴承 水润滑 轴承 上轴承 中间轴承 水润滑 轴承 圆瓦油轴承 四油叶油轴承 圆瓦油轴承 四油叶油轴承 轴承直径/mm 70 100 70 100 100 70 长径比 0.8 0.6 0.9 0.8 0.6 0.9 半径间隙比/2.60 1.50 0.08 2.60 1.50 0.08 该型机组为立式安装，轴系重力载荷靠推力轴承抵消，径向轴承载荷主要由蒸汽汽流力提供。根据汽轮机一维热力计算结果，蒸汽汽流激励作用在轴系上的径向力约为6 640 N。在轮盘节点给定该径向载荷，对各轴承的额定载荷进行计算，结果见表2，其中“”表示轴承载荷方向与径向汽流力方向相反。表 2 不同支撑方案各轴承额定载荷 轴承 双侧支撑方案 单侧支撑方案 上轴承/N 3