汽轮机转子热弯曲的原因及其振动特性研究

陈寿岳

（中国铝业广西分公司，广西 平果 531400）

0 引言

汽轮机转子热弯曲作为一种重要的失效模式，对汽轮机的安全性、可靠性和运行效率产生了极大的影响。热弯曲现象主要是由于转子在工作时由于温度梯度产生的热应力不平衡所致。热应力的不平衡会导致转子在运行中出现形变和应力集中，从而引发转子的热弯曲现象。而热弯曲现象的存在不仅会导致转子的变形，还会引发结构共振和振动过大的问题，加速转子的疲劳破坏和断裂，对系统的安全运行造成威胁。

1 汽轮机转子热弯曲的原因

1.1 热应力因素

汽轮机转子是汽轮机的核心组件之一，承担着将蒸汽能量转化为机械能的重要任务。然而，在汽轮机工作过程中，转子会受到高温和高速气流的影响，从而导致转子发生热弯曲的现象。热弯曲是转子在高温工况下由于热应力引起的形变。首先，热应力是导致汽轮机转子热弯曲的主要因素之一。在汽轮机运行过程中，蒸汽在高温高速的作用下通过转子，使转子表面温度升高。由于转子各部位温度升高的不一致性，就会在转子内部产生温度梯度，从而引起热应力。这种热应力会导致转子的某些部位发生热弯曲，进而影响转子的正常工作。其次，热膨胀也是导致热应力的一个重要因素。当转子受到高温气体热能的作用时，转子会发生热膨胀。转子的热膨胀率与其材料的热膨胀系数有关，而不同部位的转子所用的材料和结构也不尽相同。由于转子不同部位受热膨胀的程度不一致，就会产生热应力，进一步导致转子的热弯曲。此外，转子在运行过程中由于受到循环热载荷的影响，也容易发生热弯曲。汽轮机的工作周期性地经历启动、停机、负荷变化等工况变化，而每次启停过程都会产生温度的变化。由于转子的热惯性，温度变化过程中会产生热循环应力，从而导致转子的热弯曲。最后，转子在设计和制造过程中的不均匀性也是导致热弯曲的原因之一。由于制造过程中的误差、材料不均匀等因素，转子的性能可能会存在缺陷或者不均匀。这些不均匀性在高温高速工况下就会被放大，从而导致转子在工作过程中受到更加复杂的热应力，进而引发热弯曲。图1 为汽轮机转子结构。

图1 汽轮机转子结构

1.2 材料疲劳因素

汽轮机转子的材料疲劳是导致其热弯曲的另一个重要原因。材料疲劳是指在长期循环加载下，材料内部的微观组织和结构逐渐发生损伤积累，导致材料性能下降，甚至发生裂纹和断裂的现象。首先，高温下的材料疲劳是导致汽轮机转子热弯曲的一个重要因素。汽轮机在高温工况下运行，转子所用的材料会长期处于高温状态。高温会导致材料内部的晶粒长大，晶界扩散加剧，晶界强度减弱，从而导致材料的疲劳性能下降。在高温循环载荷下，转子材料内部的应力集中和裂纹的扩展将变得更加明显，最终导致热弯曲的发生。其次，高速气流对材料的冲击也是导致材料疲劳的因素之一。汽轮机转子在工作过程中会受到来自高速气流的冲击和摩擦作用。这种冲击和摩擦会导致材料表面的细小裂纹和损伤，进而引起疲劳断裂的发生。特别是在转子表面积聚热应力的区域，更容易发生材料疲劳，造成热弯曲现象。最后，材料的晶界和缺陷也对热弯曲有重要影响。晶界是材料内部的缺陷集中区，容易成为裂纹发生和扩展的起始点。而材料的缺陷、夹杂物、微观组织不均匀性等也会导致转子材料局部应力增加和损伤积累，最终导致热弯曲的发生。

1.3 不恰当的设计或制造

汽轮机转子在设计和制造过程中的不恰当问题也是导致热弯曲的一个重要原因。首先，不恰当的转子结构设计可能导致热弯曲。转子在高温高速工况下承受着复杂的热应力和机械载荷，如果转子的结构设计不合理，如截面尺寸、几何形状、支撑方式等方面存在缺陷，就容易引起应力集中和热弯曲的发生。例如，转子的截面尺寸不足以承受工作载荷，或者转子的支撑方式不稳定，都会增加转子发生热弯曲的风险。其次，材料选择不当也可能导致转子热弯曲。不同部位的转子所承受的热应力和机械载荷是不一样的，对材料的要求也不同。如果选择的材料强度不符合设计和工作要求，材料的热膨胀系数与转子不匹配，或者存在材料缺陷和不均匀性，都会使转子在工作中发生热应力集中，进而导致热弯曲的发生。最后，制造工艺和质量控制不当也会对转子的热弯曲产生影响。制造过程中的误差、成型和加工工艺缺陷或工艺参数不合理，都可能引入内部应力集中和裂纹缺陷，进而促进热弯曲的发展。如果制造过程中的质量控制不严格，例如材料的选取、加工过程中的温度和压力控制不当，都会影响转子的结构完整性和性能稳定性，增加热弯曲的风险。

2 汽轮机转子振动特性

2.1 汽轮机转子振动影响因素

相对膨胀也会造成汽轮机转子发生振动。当转子受到热载荷时，不同部位的温度可能存在梯度差异。由于材料的热膨胀系数不同，导致转子各部分膨胀程度不一致，从而引起振动。同时，温度梯度引起的相对膨胀会导致转子内部产生热应力。当热应力超过材料的强度极限时，就会发生振动。并且，在运行过程中，由于汽缸的热量分布不均匀或冷却系统故障等原因，可能导致转子局部加热或冷却不均匀，进而引起相对膨胀偏差大和振动。此外，转子的结构设计和所选用的材料也会对相对膨胀和振动产生影响。设计不合理或选用不合适的材料可能增加转子的振动风险。当汽缸和转子在工作温度下发生膨胀时，由于它们的材料和结构不同，其膨胀系数也会存在差异。这导致了汽缸和转子之间的相对膨胀不一致，可能会引起摩擦。具体来说，当汽缸和转子由低温升至高温时，它们都会发生膨胀。然而，由于两者的材料和结构不同，在热膨胀系数上存在差异。例如，汽缸通常由铸钢制成，而转子通常由钢或镍合金制成。这些材料的热膨胀系数不同，因此在相同温度变化下，它们的尺寸变化程度也会不同。当汽缸和转子之间存在温度差异时，它们的尺寸变化就不会完全匹配，造成了相对膨胀不一致。这种不一致导致汽缸与转子之间形成了间隙或接触面，从而产生摩擦[1]。

2.2 汽轮机转子振动分析方法

汽轮机转子振动分析是评估转子振动特性、检测潜在问题和采取相应措施的重要手段。首先，动力学模型方法是一种常用的转子振动分析方法。该方法基于转子的几何形状和刚度信息，建立数学模型来描述转子的振动特性。常见的动力学模型方法包括刚性转子模型和柔性转子模型。刚性转子模型假设转子是刚体，简化分析过程，适用于低速转子。而柔性转子模型则考虑转子的弯曲和扭转变形，适用于高速转子。通过求解动力学模型，可以获得转子的固有频率、振型和振幅等信息，为进一步分析和优化提供基础。其次，模态分析是转子振动分析的常用方法之一。模态分析通过实验或数值模拟的方式，识别出转子的固有频率、振型和振幅等信息。实验方法常用的包括激励－响应法和扫频法，通过在转子上施加激励力或改变激励频率，测量振动响应，进而确定转子的模态。数值模拟方法则通过有限元分析等手段，模拟转子的振动响应，得到模态信息。模态分析可以帮助工程师了解转子的振动特性，识别出潜在的振动问题，并根据模态信息进行结构优化[2]。再次，频谱分析是用于转子振动分析的重要方法之一。频谱分析基于傅里叶变换原理，将时域信号转换为频域信号，以检测转子振动信号中的频率成分。通过采集转子振动信号，利用频谱分析方法可以得到振动信号的频谱图，进而判断振动的主导频率和频率分布情况。频谱分析可以帮助工程师识别出转子振动的主要频率和谐振情况，进而采取相应的措施，如调整工作参数或加装减振装置等。最后，有限元分析是一种广泛应用于转子振动分析的计算方法。有限元分析基于转子的几何形状和材料性质，将转子划分为多个小单元，并利用连续体力学理论求解转子的振动响应。有限元分析可以模拟转子在不同工况下的振动特性，预测振动幅值、模态以及共振情况，为优化转子结构和降低振动提供参考[3]。图2 为转子动力学模块。

图2 转子动力学模块（单位：m）

2.3 汽轮机转子振动控制与优化

汽轮机转子振动控制与优化是汽轮机设计和运行中的重要问题，它涉及提高汽轮机可靠性、延长设备寿命和降低振动对设备及周围环境的影响。首先，动平衡是一种常用的振动控制方法。动平衡通过在转子上安装平衡块，使转子在运转过程中达到动平衡状态。平衡块的位置和质量可以根据振动测量数据和分析结果进行合理调整。通过动平衡，可以减小不平衡造成的振动幅值，提高转子的运行平稳性。其次，提高转子刚度是振动控制与优化的重要手段之一[4]。转子的刚度直接影响其自振频率和振动特性。通过优化转子的几何形状和材料选择，增加转子的刚度，可以提高其自振频率，减小振动幅值，并避免共振现象的发生。最后，采用减振装置是常用的振动控制方法。减振装置可以通过消耗或传递振动能量来减小振动幅值，降低振动对设备的影响。常见的减振装置包括液力减振器、弹性支撑、阻尼器等。通过合理选择和设计减振装置，可以显著改善转子的振动特性，提高其稳定性和可靠性[5]。

2.4 转子支撑方式选择

汽轮机转子振动特性研究是指分析和评估转子在运行过程中的振动情况，旨在确保转子的稳定性和安全性。转子的支撑方式选择是转子设计中的一个重要决策，下面将介绍转子支撑方式的几种常见选择。首先，刚性支撑是一种常见的转子支撑方式。在刚性支撑系统中，转子通过径向轴承和轴向受力支撑，从而实现稳定运行。刚性支撑方式适用于转子转速较低、转子长度较短的情况。其优点是结构简单、稳定性好，但在高速转子应用中可能会出现不稳定情况。另一种常见的转子支撑方式是活动支撑。活动支撑系统采用带有弹簧和阻尼器的轴承，能够在转子运行时对振动进行控制和抑制。该支撑方式适用于高速、长转子应用，能够在转子受到外界干扰时提供额外的稳定性和振动抑制能力。此外，流体动压支承也是一种常见的转子支撑方式。流体动压支承利用高速旋转的气体或液体产生的动压力支撑转子，并且能够减小振动和摩擦损失。该支撑方式适用于超高速转子和对摩擦敏感的应用，能够提供高度的稳定性和振动抑制效果。最后，混合支撑方式将多种支撑方式结合起来，以实现更好的性能。例如，在活动支撑和流体动压支撑的组合中，可以在转子的两端采用活动支撑，而在中间采用流体动压支撑，以平衡性能和成本的关系。在选择转子支撑方式时，需要考虑转子转速、长度、运行环境以及性能要求等因素。同时，需要进行振动特性分析和模拟，评估不同支撑方式对振动抑制和稳定性的影响。综合考虑经济性、可靠性和性能需求，选择最合适的转子支撑方式，以确保转子的安全运行和长寿命。

2.5 转子结构参数优化

汽轮机转子振动特性研究是为了改善转子的稳定性和减小振动幅值，从而提高汽轮机的性能和运行安全性。转子结构参数优化是转子设计中的一个重要环节，下面将介绍转子结构参数优化的几个关键方面。首先，转子的几何结构参数是影响振动特性的重要因素。包括转子的长度、直径、槽口形状和数量等。例如，增加转子的直径可以提高其承载能力和刚度，从而减小振动幅值。此外，优化槽口形状和数量，可以减小转子的质量和惯性矩，进而降低振动。其次，转子的受力分析和模态分析是进行结构参数优化的重要手段。通过受力分析，可以确定转子在工作过程中的最大受力位置，进而合理调整结构参数，提高转子的受力均衡性。模态分析可以确定转子的固有频率和模态形态，以及对应的振型。根据模态分析的结果，可以调整转子的结构参数，避免共振现象，减小振动幅值。

3 结语

对汽轮机转子热弯曲问题及其振动特性的深入研究，将有助于进一步提升汽轮机的性能和可靠性。未来的工作需要跨学科的合作和创新，继续探索新的理论和方法，为解决热弯曲问题和改进汽轮机的运行提供更有效的解决方案。