CN111651919B - 一种汽轮发电机组轴系发生汽封碰磨故障分析方法及装置 - Google Patents

一种汽轮发电机组轴系发生汽封碰磨故障分析方法及装置 Download PDF

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CN111651919B CN202010469341.9A CN202010469341A CN111651919B CN 111651919 B CN111651919 B CN 111651919B CN 202010469341 A CN202010469341 A CN 202010469341A CN 111651919 B CN111651919 B CN 111651919B
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Abstract

本发明实施例公开了一种汽轮发电机组轴系发生汽封碰磨故障分析方法及装置，用于解决如何实现实际大型汽轮发电机组轴系发生汽封碰磨故障热固耦合的问题，该方法包括：建立实际汽轮发电机组的轴系的有限元模型，并将汽封碰磨的模型与有限元模型关联；根据关联关系，转子中心和汽封圈中心的相对位移，汽封圈的间隙半径，及相对位移与汽封圈的间隙半径的关系，确定发生汽封碰磨；在发生汽封碰磨的情况下，确定汽封圈受弹簧片的预紧力、转子在碰磨点的速度、转子的受力；根据轴系各节点的平动位移向量、汽封圈受弹簧片的预紧力、转子在碰磨点的速度和转子的受力，确定转子的弯矩；根据转子的弯矩，确定发生汽封碰磨故障的转子的摩擦热源。

Description

一种汽轮发电机组轴系发生汽封碰磨故障分析方法及装置
技术领域
本发明实施例涉及汽轮发电机技术领域，尤其涉及一种汽轮发电机组轴系发生汽封碰磨故障分析方法及装置。
背景技术
汽封碰磨是转动的转子与静止的汽封之间的碰摩现象，是典型的动静碰摩故障。动静碰摩故障是旋转机械在运行过程中最为常见的故障之一，它是造成机械频繁检修和失效的主要原因。碰摩故障涉及的物理现象包括：不平衡响应下的非线性、分形、混沌现象；因摩擦力产生的反向涡动失稳现象；临界转速提高的刚化效应；因摩擦生热产生的Newkirk效应等。前三类现象为碰磨的非线性特性产生的，多出现在高速轻载的转子系统。而发生在600MW等级机组的汽封碰磨，由于转子的质量重惯性大，且工作转速相对较低，因此动静碰摩故障的非线性现象不明显，而摩擦生热产生的Newkirk效应较为显著。
发明内容
本发明实施例提供一种汽轮发电机组轴系发生汽封碰磨故障分析方法及装置，用于解决如何实现实际大型汽轮发电机组轴系发生汽封碰磨故障热固耦合的问题。
本发明实施例采用下述技术方案：
第一方面，提供了一种汽轮发电机组轴系发生汽封碰磨故障分析方法，所述方法包括：
根据实际汽轮发电机组的轴系结构，建立实际汽轮发电机组的轴系的有限元模型，并将汽封碰磨的模型与实际汽轮发电机组的轴系的有限元模型关联；
根据所述关联关系，所述实际汽轮发电机组的转子中心和汽封圈中心的相对位移，汽封圈的间隙半径，及相对位移与汽封圈的间隙半径的关系，确定发生汽封碰磨；
在发生汽封碰磨的情况下，确定汽封圈受弹簧片的预紧力、转子在碰磨点的速度、转子的受力；
根据轴系各节点的平动位移向量、所述汽封圈受弹簧片的预紧力、转子在碰磨点的速度和转子的受力，确定转子的弯矩；
根据转子的弯矩，确定发生汽封碰磨故障的转子的摩擦热源。
进一步的，根据轴系各节点的平动位移向量、所述汽封圈受弹簧片的预紧力、转子在碰磨点的速度和转子的受力，确定转子的弯矩，表达式为：
Figure BDA0002513782780000021
其中，
Figure BDA0002513782780000022
为轴系各节点的加速度向量组，
Figure BDA0002513782780000023
为轴系各节点的速度向量组，
Figure BDA0002513782780000024
为轴系各节点的平动位移向量组，M为质量矩阵，C为阻尼矩阵，G为陀螺效应产生的旋转矩阵，K为刚度矩阵，Ω为转子的转速，
Figure BDA0002513782780000025
为转子未发生碰磨前所受到的激振力，
Figure BDA0002513782780000026
为转子各节点因碰磨受到的摩擦力，
Figure BDA0002513782780000027
为转子各节点因碰磨受到的法向接触力，
Figure BDA0002513782780000028
为转子因碰磨热效应受到的截面弯矩。
进一步的，根据转子的弯矩，确定发生汽封碰磨故障的转子的摩擦热源，表达式为：
Figure BDA0002513782780000029
Figure BDA00025137827800000210
Figure BDA00025137827800000211
其中，t为温度，pc为热容，λ为导热系数，
Figure BDA00025137827800000212
为摩擦热源，k为转子得到的摩擦热百分比，h为对流换热系数，其大小与换热工质和流动状态有关。
进一步的，转子的受力包括转子各节点因碰磨受到的法向接触力，则确定转子各节点因碰磨受到的法向接触力的表达式为：
Figure BDA0002513782780000031
其中，ks为弹簧片的等效刚度，
Figure BDA0002513782780000032
为轴系各节点的平动位移值，Fin为弹簧片的预紧力。
进一步的，转子的受力包括转子各节点因碰磨受到的摩擦力，则确定转子各节点因碰磨受到的摩擦力的表达式为：
Figure BDA0002513782780000033
Figure BDA0002513782780000034
其中，μs为摩擦系数，
Figure BDA0002513782780000035
的方向由汽封与转子在摩擦点切向相对速度决定。
进一步的，确定汽封圈受弹簧片的预紧力的表达式为：
Figure BDA0002513782780000036
Figure BDA0002513782780000037
其中，弹簧片的工作半径为R，ks为弹簧片的等效刚度。
进一步的，转子在碰磨点的速度的表达式为：
Figure BDA0002513782780000038
Figure BDA0002513782780000039
Figure BDA00025137827800000310
Figure BDA0002513782780000041
其中，
Figure BDA0002513782780000042
为轴系各节点的速度向量，弹簧片的工作半径为R，ks为弹簧片的等效刚度，K为刚度矩阵。
进一步的，在根据转子的弯矩，确定发生汽封碰磨故障的转子的摩擦热源之后，包括：
根据热边界条件和转子的摩擦热源，确定转子与汽封发生碰磨的运动轨迹。
进一步的，根据热边界条件和转子的摩擦热源，确定转子与汽封发生碰磨的运动轨迹，表达式为：
Mthz＝∫Aγ0Et(y,z)ydA
Mthy＝∫Aγ0Et(y,z)zdA
Figure BDA0002513782780000043
其中，幅值衰减率γ＝0.005。
第一方面，提供了一种汽轮发电机组轴系发生汽封碰磨故障分析装置，该装置包括：
第一确定模块，用于根据所述转子中心和汽封圈中心的相对位移，汽封圈的间隙半径，及相对位移与汽封圈的间隙半径的关系，确定发生汽封碰磨；
第二确定模块，用于在发生汽封碰磨的情况下，确定汽封圈受弹簧片的预紧力、转子在碰磨点的速度、转子的受力；
第三确定模块，用于根据轴系各节点的平动位移向量、所述汽封圈受弹簧片的预紧力、转子在碰磨点的速度和转子的受力，确定转子的弯矩；
第四确定模块，用于根据转子的弯矩，确定发生汽封碰磨故障的转子的摩擦热源
本发明实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：
本发明实施例通过建立汽封碰磨故障的热固耦合分析模型，结合660MW汽轮发电机组轴系的有限元模型，建立大型汽轮发电机组轴系-轴承系统-汽封碰磨动力学模型，分析了碰磨转子的动态响应特点。基于热固耦合原理，分别在频域内求解碰磨转子的运动微分方程，在时域内求解碰磨平面内的导热微分方程，采用时间推进的方法，求解了发生汽封碰磨故障的转子的热固耦合问题。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本说明书的一个实施例提供的汽轮发电机组轴系发生汽封碰磨故障分析方法流程示意图；
图2为本说明书的一个实施例提供的实际660MW汽轮发电机组轴系有限元模型；
图3为本说明书的一个实施例提供的转子与汽封圈的运动关系示意图；
图4为本说明书的一个实施例提供的汽封碰磨时转子的受力示意图；
图5为本说明书的一个实施例提供的汽封块的弹簧片工作原理图；
图6为本说明书的一个实施例提供的碰磨段转子的温度场；
图7为本说明书的一个实施例提供的弹簧片等效刚度对一倍频响应的影响；
图8为本说明书的一个实施例提供的弹簧等效刚度对碰磨转子热弯曲的影响；
图9为本说明书的一个实施例提供的不同预紧力发生汽封碰磨转子的一倍频响应示意图；
图10为本说明书的一个实施例提供的不同预紧力发生汽封碰磨转子的热弯曲情况示意图；
图11为本说明书的一个实施例提供的汽轮发电机组轴系发生汽封碰磨故障分析装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本说明书具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本说明书中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本发明实施例提供一种汽轮发电机组轴系发生汽封碰磨故障分析方法及装置，以解决如何实现实际大型汽轮发电机组轴系发生汽封碰磨故障热固耦合的问题。本发明实施例提供一种汽轮发电机组轴系发生汽封碰磨故障分析方法，该方法的执行主体，可以但不限于应用程序、装置或能够被配置为执行本发明实施例提供的该方法的装置或系统。
图1为本发明实施例提供的汽轮发电机组轴系发生汽封碰磨故障分析方法的流程图，图1的方法可以由装置执行，如图1所示，该方法可以包括：
步骤101、根据实际汽轮发电机组的轴系结构，建立实际汽轮发电机组的轴系的有限元模型，并将汽封碰磨的模型与实际汽轮发电机组的轴系的有限元模型关联。
具体可实现为，根据660MW汽轮发电机组轴系的结构，采用ansys软件，建立该660MW机组轴系的有限元模型。采用了一维梁单元、集中质量单元和弹簧-阻尼单元来建立轴系的模型，如图2所示。
步骤102、根据所述关联关系，所述实际汽轮发电机组的转子中心和汽封圈中心的相对位移，汽封圈的间隙半径，及相对位移与汽封圈的间隙半径的关系，确定发生汽封碰磨。
其中，根据轴系各节点的平动位移向量、所述汽封圈受弹簧片的预紧力、转子在碰磨点的速度和转子的受力，确定转子的弯矩，表达式可以为：
Figure BDA0002513782780000061
其中，
Figure BDA0002513782780000071
为轴系各节点的加速度向量组，
Figure BDA0002513782780000072
为轴系各节点的速度向量组，
Figure BDA0002513782780000073
为轴系各节点的平动位移向量组，M为质量矩阵，C为阻尼矩阵，G为陀螺效应产生的旋转矩阵，K为刚度矩阵，Ω为转子的转速，
Figure BDA0002513782780000074
为转子未发生碰磨前所受到的激振力，
Figure BDA0002513782780000075
为转子各节点因碰磨受到的摩擦力，
Figure BDA0002513782780000076
为转子各节点因碰磨受到的法向接触力，
Figure BDA0002513782780000077
为转子因碰磨热效应受到的截面弯矩。
具体推导过程可以为：
取过桥汽封作为研究的对象，相应的轴段为过桥汽封轴段。当转子的平衡恶化或间隙被调整得过小时，转子将与汽封圈发生碰磨。转子与汽封圈之间的运动关系如图3所示。其中O为绝对坐标系原点，O1为转子在碰磨平面的中心，O2为汽封圈的中心，P1和P2分别为转子和汽封的碰磨点，于P1(P2)建立直角动系，
Figure BDA0002513782780000078
为法向单位向量，
Figure BDA0002513782780000079
为切向单位向量，
Figure BDA00025137827800000710
为绕圆心逆时针方向的单位角速度，三者满足
Figure BDA00025137827800000711
Figure BDA00025137827800000712
为转子对应碰磨处的位移向量，
Figure BDA00025137827800000713
为汽封圈的偏心量。
转子中心与汽封圈中心的相对位移为
Figure BDA00025137827800000714
当相对位移
Figure BDA00025137827800000715
小于转子与汽封圈的间隙半径ε时，碰磨不发生，设置为0；反之，则引发汽封碰磨故障，设置为1。具体如下所示：
Figure BDA00025137827800000716
可把轴系简化为多轴段梁，各节点处的位移组成了位移向量组满足如下运动微分方程：
Figure BDA00025137827800000717
步骤103、在发生汽封碰磨的情况下，确定汽封圈受弹簧片的预紧力、转子在碰磨点的速度、转子的受力。
其中，确定汽封圈受弹簧片的预紧力的表达式为：
Figure BDA0002513782780000081
Figure BDA0002513782780000082
其中，弹簧片的工作半径为R，ks为弹簧片的等效刚度。
其中，转子的受力包括转子各节点因碰磨受到的法向接触力，则确定转子各节点因碰磨受到的法向接触力的表达式为：
Figure BDA0002513782780000083
其中，ks为弹簧片的等效刚度，
Figure BDA0002513782780000084
为轴系各节点的平动位移值，Fin为弹簧片的预紧力。
其中，转子的受力包括转子各节点因碰磨受到的摩擦力，则确定转子各节点因碰磨受到的摩擦力的表达式为：
Figure BDA0002513782780000085
Figure BDA0002513782780000086
其中，μs为摩擦系数，
Figure BDA0002513782780000087
的方向由汽封与转子在摩擦点切向相对速度决定。
其中，转子在碰磨点的速度的表达式为：
Figure BDA0002513782780000088
Figure BDA0002513782780000089
Figure BDA00025137827800000810
Figure BDA0002513782780000091
其中，
Figure BDA0002513782780000092
为轴系各节点的速度向量，弹簧片的工作半径为R，ks为弹簧片的等效刚度，K为刚度矩阵。
具体推导过程可以为：
碰磨平面处转子受力如图4所示，公式(2)中
Figure BDA0002513782780000093
和
Figure BDA0002513782780000094
只存在于碰磨平面处，对应的载荷向量为图5中的
Figure BDA0002513782780000095
和
Figure BDA0002513782780000096
图中
Figure BDA0002513782780000097
为转子在碰磨处所受的激振力。一般情况下图中的各载荷的方向均不相同。
当碰磨没发生时，即转子中心位移向量
Figure BDA0002513782780000098
小于等于汽封间隙ε时，转子与汽封的接触力
Figure BDA0002513782780000099
和
Figure BDA00025137827800000910
为0；当碰磨发生时，即转子中心位移向量
Figure BDA00025137827800000911
大于汽封间隙ε时，因汽封是可退让的，且受弹簧片的预紧力作用，满足：
Figure BDA00025137827800000912
Figure BDA00025137827800000913
其中，ks为弹簧片的等效刚度，Fin为弹簧片的预紧力，μs为摩擦系数，
Figure BDA00025137827800000914
的方向由汽封与转子在摩擦点切向相对速度决定，因汽封在摩擦点的切向速度
Figure BDA00025137827800000915
因此
Figure BDA00025137827800000916
的大小仅由转子在碰磨点的速度决定。
Figure BDA00025137827800000917
转子与汽封的碰磨为干摩擦，一般取摩擦系数为μs＝0.3[1]。
如图5所示，汽封块背后的弹簧片在外力p作用下，产生一个挠度值y，为使汽封圈紧贴在汽封体上，弹簧片安装在一定工作挠度下。弹簧片的作用力p和弹簧片结构参数的关系式如下：
Figure BDA00025137827800000918
其中，
Figure BDA0002513782780000101
则弹簧片的等效刚度
Figure BDA0002513782780000102
若弹簧片的工作半径为R，则弹簧片在正常工作挠度下的预紧力为
Figure BDA0002513782780000103
其中，汽封弹簧片等效刚度的影响如下：
图7为定转速下不同弹簧片等效刚度的条件下发生汽封碰磨转子的一倍频响应。在等效刚度较小时(图7(a))，碰磨热效应的影响较小，转子的一倍频振动小幅波动后达到稳定状态，转子达到稳定状态的时间较短；随着等效刚度的增大(图7(b)和图7(c))，碰磨热效应的影响增强，转子的一倍频振动在瞬态热弯曲产生的不平衡的作用下，波动较大，振幅和相位都有显著的变化，达到稳定状态的时间随着等效刚度的增大而增长；当等效刚度增大至10000N/mm时(图7(d))，转子振动进入发散区，碰磨热效应使得转子的热弯曲量迅速增长，进一步加剧了转子的振动。图7中“—”代表竖直方向，“--”代表水平方向。图7弹簧片等效刚度对一倍频响应的影响。
如图8所示，在等效刚度较小时，达到稳定时的热弯曲程度较小，弯曲量随着碰磨的发展逐渐增大，弯曲相位先增大而后减小，最后达到稳定；随着等效刚度的增大，达到稳定后的弯曲量随之增大，弯曲相位随之减小；当等效刚度增至10000N/mm时，弯曲量的大小和相位呈现螺旋式发散。图8中“—”代表竖直方向，“--”代表水平方向。图8弹簧片等效刚度对碰磨转子热弯曲的影响。
步骤104、根据轴系各节点的平动位移向量、所述汽封圈受弹簧片的预紧力、转子在碰磨点的速度和转子的受力，确定转子的弯矩。
其中，确定转子的弯矩具体可实现为：
碰磨发生时，转子与汽封齿摩擦产生热量，使得转子局部温度升高，产生的弯矩
Figure BDA0002513782780000111
导致局部热弯曲。碰磨热效应产生的弯矩作用在碰磨发生的轴段上，弯矩方程为：
Figure BDA0002513782780000112
其中，H为整体弯矩算子，其形式仅取决于碰磨轴段的单元划分情况。
步骤105、根据转子的弯矩，确定发生汽封碰磨故障的转子的摩擦热源。
其中，根据转子的弯矩，确定发生汽封碰磨故障的转子的摩擦热源，表达式为：
Figure BDA0002513782780000113
Figure BDA0002513782780000114
Figure BDA0002513782780000115
其中，t为温度，pc为热容，λ为导热系数，
Figure BDA0002513782780000116
为摩擦热源，k为转子得到的摩擦热百分比，h为对流换热系数，其大小与换热工质和流动状态有关。
具体推导过程可以为：
欲获取热效应产生的弯矩
Figure BDA0002513782780000117
需求解瞬态下碰磨段转子的温度场，可通过求解平面二维热传导问题获得进而温度场再得到热效应产生的等效弯矩。因碰磨产生的温度不均影响范围有限，如图2所示，仅分析发生碰磨平面内的温度场，该轴段内各节点温度满足导热微分方程：
Figure BDA0002513782780000118
其中，t为温度，pc为热容，λ为导热系数，
Figure BDA0002513782780000119
为摩擦热源。
根据摩擦生热原理，因
Figure BDA00025137827800001110
则有
Figure BDA0002513782780000121
其中，k为转子得到的摩擦热百分比。
碰磨轴段的表面与流经转子表面的蒸汽产生对流换热，为第三类热边界条件，满足：
Figure DA00025137827842044620
Figure DA00025137827842066119
其中，预紧力的影响如下：
图9为弹簧片的不同预紧力下发生汽封碰磨转子的一倍频幅值和相位的变化，当预紧力较小时，转子振动的一倍频响应将达到稳定状态；当预紧力增大时，转子振动的一倍频响应进入振荡区，幅值和相位周期性变化，在一倍频极坐标图中的变化轨迹为弓形；预紧力进一步增大时，振荡加剧，振荡周期变短为1.6小时。图9中“—”代表竖直方向，“--”代表水平方向。图9中不同预紧力发生汽封碰磨转子的一倍频响应。
如图10所示，不同预紧力下碰磨热效应产生的最大弯曲量及弯曲相位的变化。当预紧力较小时，热弯曲将稳定在较小的数值；随着预紧力增大，进入振荡区，弯曲量的大小和相位将发生周期性变化，且变化幅值随预紧力的增大而增大。图10中“—”代表竖直方向，“--”代表水平方向。图10中不同预紧力发生汽封碰磨转子的热弯曲情况。
在一实施例中，在根据转子的弯矩，确定发生汽封碰磨故障的转子的摩擦热源之后，包括：
根据热边界条件和转子的摩擦热源，确定转子与汽封发生碰磨的运动轨迹。
在一实施例中，根据热边界条件和转子的摩擦热源，确定转子与汽封发生碰磨的运动轨迹，表达式为：
Mthz＝∫Aγ0Et(y,z)ydA
Mthy＝∫Aγ0Et(y,z)zdA
Figure BDA0002513782780000131
其中，幅值衰减率γ＝0.005。
具体推导过程可以为：
Figure BDA0002513782780000132
和
Figure BDA0002513782780000133
是热结构顺序耦合问题对应的输入输出量。通过运动微分方程求解得到转子的位移，通过判别式判定碰磨是否发生，若碰磨发生，则由库伦摩擦定律可以得到相应的碰磨力，进而得到摩擦热源强度。若碰磨不发生，则碰磨力为0，相应的摩擦热源也为0。摩擦热源是求解导热微分方程的输入量，加之热边界条件，即可求得相应时间步下的温度场。
因碰磨热效应的影响，使得转子的温度场变得不均匀，由弹塑性力学可知，由此产生的热弯矩满足如下表达式:
Mthz＝∫Aγ0Et(y,z)ydA (13)
Mthy＝∫Aγ0Et(y,z)zdA (14)
其中，γ0为材料线膨胀系数，E为转子材料的弹性模量，t(y，z)为碰磨平面在平面坐标(y，z)的温度。
求解汽封碰磨的热-结构耦合问题，涉及到动静坐标转换的问题。图8为动静坐标系之间的关系。转子系统的运动微分方程是建立在静止坐标系yOz下的，将该静止坐标系yOz平移至其碰磨平面所在轴心处，得相对平动坐标系y1O1z1。在平动坐标系y1O1z1对应碰磨发生位置的相位为
Figure BDA0002513782780000134
因转子碰磨平面温度场的求解是建立在相对转动坐标系y1RO1z1R，因转动坐标系y1RO1z1R相对于平动坐标系y1O1z1转动了相位
Figure BDA0002513782780000135
因此在转动坐标系y1RO1z1R下碰磨发生位置所在相位为
Figure BDA0002513782780000136
因转子的转动惯量很大，按自转角速度恒定，则
Figure BDA0002513782780000137
Figure BDA0002513782780000141
和
Figure BDA0002513782780000142
作为热固耦合问题的输入输出量，需经过相应的坐标变换，用于下一个分析步的计算。即从结构分析获得的在相位
Figure BDA0002513782780000143
的
Figure BDA0002513782780000144
在热分析中，作用在相位
Figure BDA0002513782780000145
而从热分析获得的
Figure BDA0002513782780000146
需经相位变换，作为结构分析的输入作用在转子系统中，即
Figure BDA0002513782780000147
采用时间推进，热结构顺序耦合方法，可模拟得到汽封碰磨故障的动态响应。即采用Newmark-β数值方法，相应的幅值衰减率γ＝0.005。采用时间推进方法可模拟得到转子以及汽封发生碰磨的运动过程。
以上，结合图1～图3详细说明了本说明书实施例的汽轮发电机组轴系发生汽封碰磨故障分析方法，下面，结合图4，详细说明本说明书实施例的装置。
本发明实施例通过建立汽封碰磨故障的热固耦合分析模型，结合660MW汽轮发电机组轴系的有限元模型，建立大型汽轮发电机组轴系-轴承系统-汽封碰磨动力学模型，分析了碰磨转子的动态响应特点。基于热固耦合原理，分别在频域内求解碰磨转子的运动微分方程，在时域内求解碰磨平面内的导热微分方程，采用时间推进的方法，求解了发生汽封碰磨故障的转子的热固耦合问题。
图11示出了本说明书实施例提供的汽轮发电机组轴系发生汽封碰磨故障分析装置的结构示意图，如图11所示，该装置可以包括：
建立模块1101，用于根据实际汽轮发电机组的轴系结构，建立实际汽轮发电机组的轴系的有限元模型，并将汽封碰磨的模型与实际汽轮发电机组的轴系的有限元模型关联；
第一确定模块1102，用于根据所述关联关系，所述实际汽轮发电机组的转子中心和汽封圈中心的相对位移，汽封圈的间隙半径，及相对位移与汽封圈的间隙半径的关系，确定发生汽封碰磨；
第二确定模块1103，用于在发生汽封碰磨的情况下，确定汽封圈受弹簧片的预紧力、转子在碰磨点的速度、转子的受力；
第三确定模块1104，用于根据轴系各节点的平动位移向量、所述汽封圈受弹簧片的预紧力、转子在碰磨点的速度和转子的受力，确定转子的弯矩；
第四确定模块1105，用于根据转子的弯矩，确定发生汽封碰磨故障的转子的摩擦热源。
在一实施例中，第三确定模块1104根据轴系各节点的平动位移向量、所述汽封圈受弹簧片的预紧力、转子在碰磨点的速度和转子的受力，确定转子的弯矩，表达式为：
Figure BDA0002513782780000151
其中，
Figure BDA0002513782780000152
为轴系各节点的加速度向量组，
Figure BDA0002513782780000153
为轴系各节点的速度向量组，
Figure BDA0002513782780000154
为轴系各节点的平动位移向量组，M为质量矩阵，C为阻尼矩阵，G为陀螺效应产生的旋转矩阵，K为刚度矩阵，Ω为转子的转速，
Figure BDA0002513782780000155
为转子未发生碰磨前所受到的激振力，
Figure BDA0002513782780000156
为转子各节点因碰磨受到的摩擦力，
Figure BDA0002513782780000157
为转子各节点因碰磨受到的法向接触力，
Figure BDA0002513782780000158
为转子因碰磨热效应受到的截面弯矩。
在一实施例中，第四确定模块1105根据转子的弯矩，确定发生汽封碰磨故障的转子的摩擦热源，表达式为：
Figure BDA0002513782780000159
Figure BDA00025137827800001510
Figure BDA00025137827800001511
其中，t为温度，pc为热容，λ为导热系数，
Figure BDA00025137827800001512
为摩擦热源，k为转子得到的摩擦热百分比，h为对流换热系数，其大小与换热工质和流动状态有关。
在一实施例中，转子的受力包括转子各节点因碰磨受到的法向接触力，则第三确定模块1103确定转子各节点因碰磨受到的法向接触力的表达式为：
Figure BDA0002513782780000161
其中，ks为弹簧片的等效刚度，
Figure BDA0002513782780000162
为轴系各节点的平动位移值，Fin为弹簧片的预紧力。
在一实施例中，转子的受力包括转子各节点因碰磨受到的摩擦力，则第三确定模块1104确定转子各节点因碰磨受到的摩擦力的表达式为：
Figure BDA0002513782780000163
Figure BDA0002513782780000164
其中，μs为摩擦系数，
Figure BDA0002513782780000165
的方向由汽封与转子在摩擦点切向相对速度决定。
在一实施例中，第三确定模块1104确定汽封圈受弹簧片的预紧力的表达式为：
Figure BDA0002513782780000166
Figure BDA0002513782780000167
其中，弹簧片的工作半径为R，ks为弹簧片的等效刚度。
在一实施例中，转子在碰磨点的速度的表达式为：
Figure BDA0002513782780000168
Figure BDA0002513782780000169
Figure BDA00025137827800001610
Figure BDA00025137827800001611
其中，
Figure BDA0002513782780000171
为轴系各节点的速度向量，弹簧片的工作半径为R，ks为弹簧片的等效刚度，K为刚度矩阵。
在一实施例中，汽轮发电机组轴系发生汽封碰磨故障分析装置，还包括：
第五确定模块1106，用于根据热边界条件和转子的摩擦热源，确定转子与汽封发生碰磨的运动轨迹。
在一实施例中，第五确定模块1106根据热边界条件和转子的摩擦热源，确定转子与汽封发生碰磨的运动轨迹，表达式为：
Mthz＝∫Aγ0Et(y,z)ydA
Mthy＝∫Aγ0Et(y,z)zdA
Figure BDA0002513782780000172
其中，幅值衰减率γ＝0.005。
本发明实施例通过建立汽封碰磨故障的热固耦合分析模型，结合660MW汽轮发电机组轴系的有限元模型，建立大型汽轮发电机组轴系-轴承系统-汽封碰磨动力学模型，分析了碰磨转子的动态响应特点。基于热固耦合原理，分别在频域内求解碰磨转子的运动微分方程，在时域内求解碰磨平面内的导热微分方程，采用时间推进的方法，求解了发生汽封碰磨故障的转子的热固耦合问题。
以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (8)

1.一种汽轮发电机组轴系发生汽封碰磨故障分析方法，其特征在于，包括：
根据实际汽轮发电机组的轴系结构，建立实际汽轮发电机组的轴系的有限元模型，并将汽封碰磨的模型与实际汽轮发电机组的轴系的有限元模型关联；
根据所述关联关系，所述实际汽轮发电机组的转子中心和汽封圈中心的相对位移，汽封圈的间隙半径，及相对位移与汽封圈的间隙半径的关系，确定发生汽封碰磨；
在发生汽封碰磨的情况下，确定汽封圈受弹簧片的预紧力、转子在碰磨点的速度、转子的受力；
根据轴系各节点的平动位移向量、所述汽封圈受弹簧片的预紧力、转子在碰磨点的速度和转子的受力，确定转子的弯矩；
根据转子的弯矩，确定发生汽封碰磨故障的转子的摩擦热源；
所述根据轴系各节点的平动位移向量、所述汽封圈受弹簧片的预紧力、转子在碰磨点的速度和转子的受力，确定转子的弯矩，表达式为：
Figure FDA0004115475500000011
其中，
Figure FDA0004115475500000012
为轴系各节点的加速度向量组，
Figure FDA0004115475500000013
为轴系各节点的速度向量组，
Figure FDA0004115475500000014
为轴系各节点的平动位移向量组，M为质量矩阵，C为阻尼矩阵，G为陀螺效应产生的旋转矩阵，K为刚度矩阵，Ω为转子的转速，
Figure FDA0004115475500000021
为转子未发生碰磨前所受到的激振力，
Figure FDA0004115475500000022
为转子各节点因碰磨受到的摩擦力，
Figure FDA0004115475500000023
为转子各节点因碰磨受到的法向接触力，
Figure FDA0004115475500000024
为转子因碰磨热效应受到的截面弯矩；
所述根据转子的弯矩，确定发生汽封碰磨故障的转子的摩擦热源，表达式为：
Figure FDA0004115475500000025
Figure FDA0004115475500000026
Figure FDA0004115475500000027
其中，t为温度，pc为热容，λ为导热系数，
Figure FDA0004115475500000028
为摩擦热源，k为转子得到的摩擦热百分比，h为对流换热系数，其大小与换热工质和流动状态有关。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，转子的受力包括转子各节点因碰磨受到的法向接触力，则确定转子各节点因碰磨受到的法向接触力的表达式为：
Figure FDA0004115475500000029
其中，ks为弹簧片的等效刚度，
Figure FDA00041154755000000210
为轴系各节点的平动位移值，Fin为弹簧片的预紧力。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，转子的受力包括转子各节点因碰磨受到的摩擦力，则确定转子各节点因碰磨受到的摩擦力的表达式为：
Figure FDA0004115475500000031
Figure FDA0004115475500000032
其中，μs为摩擦系数，
Figure FDA0004115475500000033
的方向由汽封与转子在摩擦点切向相对速度决定。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定汽封圈受弹簧片的预紧力的表达式为：
Figure FDA0004115475500000034
Figure FDA0004115475500000035
其中，弹簧片的工作半径为R，ks为弹簧片的等效刚度。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，转子在碰磨点的速度的表达式为：
Figure FDA0004115475500000036
Figure FDA0004115475500000037
Figure FDA0004115475500000038
Figure FDA0004115475500000039
其中，
Figure FDA00041154755000000310
为轴系各节点的速度向量，弹簧片的工作半径为R，ks为弹簧片的等效刚度，K为刚度矩阵。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在根据转子的弯矩，确定发生汽封碰磨故障的转子的摩擦热源之后，包括：
根据热边界条件和转子的摩擦热源，确定转子与汽封发生碰磨的运动轨迹。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据热边界条件和转子的摩擦热源，确定转子与汽封发生碰磨的运动轨迹，表达式为：
Mthz＝∫Aγ0Et(y,z)ydA
Mthy＝∫Aγ0Et(y,z)zdA
Figure FDA0004115475500000041
其中，幅值衰减率γ＝0.005。
8.一种汽轮发电机组轴系发生汽封碰磨故障分析装置，其特征在于，所述装置包括：
建立模块，用于根据实际汽轮发电机组的轴系结构，建立实际汽轮发电机组的轴系的有限元模型，并将汽封碰磨的模型与实际汽轮发电机组的轴系的有限元模型关联；
第一确定模块，用于根据所述关联关系，所述实际汽轮发电机组的转子中心和汽封圈中心的相对位移，汽封圈的间隙半径，及相对位移与汽封圈的间隙半径的关系，确定发生汽封碰磨；
第二确定模块，用于在发生汽封碰磨的情况下，确定汽封圈受弹簧片的预紧力、转子在碰磨点的速度、转子的受力；
第三确定模块，用于根据轴系各节点的平动位移向量、所述汽封圈受弹簧片的预紧力、转子在碰磨点的速度和转子的受力，确定转子的弯矩；
第四确定模块，用于根据转子的弯矩，确定发生汽封碰磨故障的转子的摩擦热源；
所述第三确定模块根据轴系各节点的平动位移向量、所述汽封圈受弹簧片的预紧力、转子在碰磨点的速度和转子的受力，确定转子的弯矩，表达式为：
Figure FDA0004115475500000051
其中，
Figure FDA0004115475500000052
为轴系各节点的加速度向量组，
Figure FDA0004115475500000053
为轴系各节点的速度向量组，
Figure FDA0004115475500000054
为轴系各节点的平动位移向量组，M为质量矩阵，C为阻尼矩阵，G为陀螺效应产生的旋转矩阵，K为刚度矩阵，Ω为转子的转速，
Figure FDA0004115475500000055
为转子未发生碰磨前所受到的激振力，
Figure FDA0004115475500000056
为转子各节点因碰磨受到的摩擦力，
Figure FDA0004115475500000057
为转子各节点因碰磨受到的法向接触力，
Figure FDA0004115475500000058
为转子因碰磨热效应受到的截面弯矩；
所述第四确定模块根据转子的弯矩，确定发生汽封碰磨故障的转子的摩擦热源，表达式为：
Figure FDA0004115475500000059
Figure FDA00041154755000000510
Figure FDA00041154755000000511
其中，t为温度，pc为热容，λ为导热系数，
Figure FDA00041154755000000512
为摩擦热源，k为转子得到的摩擦热百分比，h为对流换热系数，其大小与换热工质和流动状态有关。
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