CN114201879B - 一种燃气轮机的压气机涡轮转子的角向固定对接组合方法 - Google Patents

Abstract

一种燃气轮机的压气机涡轮转子的角向固定对接组合方法，包括以下步骤：步骤1，压气机转子动平衡的残余不平衡量记作m₁，相位记作α₁，涡轮转子动平衡的残余不平衡量记作m₂，相位记作α₂；步骤2，建立压气机涡轮转子的转子动力学有限元模型；步骤3，利用转子动力学方程计算该状态下各个节点的最大不平衡响应R，得到全部状态下的最大不平衡响应，分别为（R₁，θ₁）、（R₂，θ₂）……（R_m，θ_m）；选出（R₁，θ₁）、（R₂，θ₂）……（R_m，θ_m）中最大不平衡响应R的最小值Rmin，此时R_min对应的安装角度差记为θ_min，相应的对接状态（R_min，θ_min）作为最终装配方案，可以最大程度降低燃机振动。本发明方法能够有效降低燃机振动，同时不改变当前零件状态，便于施行。

Description

一种燃气轮机的压气机涡轮转子的角向固定对接组合方法

技术领域

本发明属于燃气轮机技术领域，具体涉及一种燃气轮机的压气机涡轮转子的角向固定对接组合方法。

背景技术

组成燃机的转动部件必须进行动平衡，通过调整配重使残余不平衡量满足设计要求，有利于降低振动。比如一般情况下，压气机转子和涡轮转子分别进行动平衡，对接后再进行组合动平衡。有些燃机的压气机转子和涡轮转子对接后结构较长，受设备工作范围的长度限制，不能实现组合动平衡。目前的做法将压气机转子与涡轮转子在角向相位随机状态下对接，不进行组合动平衡而直接装机，不利于降低振动，导致燃机不同台份之间的振动差异较大，甚至某些台份的振动超标。当振动超标时，必须将燃机分解到部件状态，随机改变压气机转子与涡轮转子的角向相位后复装。这种压气机涡轮转子的角向随机对接组合方法在燃机的装配过程中未实现当前零件状态下燃机的振动最小，在燃机振动的排故过程中存在不确定性；为此我们提出一种燃气轮机的压气机涡轮转子的角向固定对接组合方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种燃气轮机的压气机涡轮转子的角向固定对接组合方法，在不改变零部件状态的情况下使燃机振动最小，确定压气机转子和涡轮转子的角向相位。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种燃气轮机的压气机涡轮转子的角向固定对接组合方法，包括以下步骤：

步骤1，压气机转子在动平衡机上完成单独动平衡的残余不平衡量记作m₁，相位记作α₁，涡轮转子在动平衡机上完成单独动平衡的残余不平衡量记作m₂，相位记作α₂；其中相位表示的是残余不平衡量相对确定好的参考标记的角度；

步骤2，利用Matlab建立压气机涡轮转子的转子动力学有限元模型，其中转子采用梁单元建模，Node 1-Node 21代表转子的21个节点，Node 1- Node 11组成压气机转子，Node 11- Node 21组成涡轮转子；支承采用轴承单元建模，单元1、3、5分别对应低压涡轮转子的三个支承；

步骤3，将涡轮转子残余不平衡量与压气机转子残余不平衡量相位之间的任意差值用θ表示，压气机涡轮转子系统的各节点的不平衡响应用q表示，压气机涡轮转子系统各个节点的最大不平衡响应用R表示；

将压气机转子与涡轮转子角向对接，此时以压气机转子残余不平衡量的相位α₁为基准，将此状态下的涡轮转子残余不平衡量与压气机转子残余不平衡量相位之间的差值记作θ₁，将此状态下的压气机涡轮转子系统的各节点的不平衡响应记作q₁，利用转子动力学方程计算该状态下的各个节点的最大不平衡响应R₁；

压气机涡轮转子系统的转子动力学方程为：

（1）

其中M 、C 、K 、G 分别为转子系统的质量、阻尼、刚度以及陀螺力矩矩阵；Ω为给定的转速；q₁为压气机涡轮转子系统的各节点的不平衡响应，描述每个节点的响应，每个节点有4个自由度，包含2个平动、2个转动自由度，整个转子系统具有4n个自由度，n为压气机涡轮转子模型的节点数；Q为作用在转子系统上的残余不平衡向量：

（2）

其中Q_i用来描述压气机转子位于第ｉ个节点的残余不平衡， Q_j用来描述涡轮转子位于第ｊ个节点的残余不平衡，此时涡轮转子残余不平衡的相位相对压气机转子残余不平衡量相位之间的差值为θ₁，有：

（3）

（4）

则压气机涡轮转子系统的各节点的不平衡响应q₁的计算公式为：

（5）

不考虑压气机涡轮转子系统的各节点的不平衡响应q中的转动响应，则各个节点的最大不平衡响应R₁：

R₁=max（q₁）(6)

将这组状态记作（R1，θ₁）；

步骤4，以压气机转子为基准，涡轮转子按照逆时针方向相对压气机转子转动1个花键套齿，此状态下的涡轮转子残余不平衡量与压气机转子残余不平衡量相位之间的差值记作θ₂，将此状态下的压气机涡轮转子系统的各节点的不平衡响应记作q₂，重复步骤3计算该状态下各个节点的最大不平衡响应R₂，将这组状态记作（R₂，θ₂）；

步骤5，重复步骤4，得到全部状态下的最大不平衡响应，分别为（R₁，θ₁）、（R₂，θ₂）……（R_m，θ_m）；

步骤6，选出（R₁，θ₁）、（R₂，θ₂）……（R_m，θ_m）中最大不平衡响应R的最小值Rmin ：

R_min =min（R₁，R₂，...，R_m）(7)

此时R_min对应的安装角度差记为θ_min，相应的对接状态（R_min，θ_min）作为最终装配方案。

本发明的技术效果为：

与当前的角向随机对接组合方法相比，压气机涡轮转子采用角向固定对接组合方法，基于已有的压气机转子和涡轮转子的单独动平衡结果计算最优角向，能够有效降低燃机振动，同时不改变当前零件状态，便于施行。

附图说明

图1 本发明压气机涡轮转子系统结构示意图；

图2本发明压气机涡轮转子角向固定对接组合方法流程图；

图3为压气机涡轮转子的转子系统动力学有限元模型；

图4为涡轮转子残余不平衡的相位相对压气机转子残余不平衡相位的差值θ的示意图；

1-前支点，2-压气机转子，3-中支点，4-涡轮转子，5-后支点，6-花键套齿。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

一种燃气轮机的压气机涡轮转子的角向固定对接组合方法，包括以下步骤：

步骤1，如图1和图2所示，压气机转子2在动平衡机上完成单独动平衡的残余不平衡量记作m₁，m₁=30g.cm，相位记作α₁，α₁=0；涡轮转子在动平衡机上完成单独动平衡的残余不平衡量记作m₂，m₂=30g.cm，相位记作α₂，α₂=0；其中相位表示的是残余不平衡量相对确定好的参考标记的角度；

步骤2，压气机涡轮转子系统的前端设置前支点1，中部设置中支点3，后端设置后支点5，并且两者通过花键套齿6连接，花键套齿的齿数目为16，利用Matlab建立压气机涡轮转子的转子动力学有限元模型，如图3所示，其中转子采用梁单元建模，Node 1-Node 21代表转子的21个节点，Node 1- Node 11组成压气机转子2，Node 11- Node 21组成涡轮转子4；支承采用轴承单元建模，单元1、3、5分别对应低压涡轮转子的三个支承；

步骤3，如图4所示，将涡轮转子残余不平衡量与压气机转子残余不平衡量相位之间的任意差值用θ表示，压气机涡轮转子系统的各节点的不平衡响应用q表示，压气机涡轮转子系统各个节点的最大不平衡响应用R表示；

将压气机转子2与涡轮转子4角向对接，此时以压气机转子残余不平衡量的相位α₁为基准，将此状态下的涡轮转子残余不平衡量与压气机转子残余不平衡量相位之间的差值记作θ₁，θ₁=0°，将此状态下的压气机涡轮转子系统的各节点的不平衡响应记作q₁，利用转子动力学方程计算该状态下的各个节点的最大不平衡响应R₁；

压气机涡轮转子系统的转子动力学方程为：

（1）

其中M为转子系统的质量，C为转子系统的阻尼，K为转子系统的刚度，G为转子系统的陀螺力矩矩阵，为84×84矩阵；Ω为给定的转速，Ω=7500r/min； q₁为压气机涡轮转子系统21节点的不平衡响应，描述每个节点的响应，每个节点有4个自由度，包含2个平动、2个转动自由度，整个转子系统具有84个自由度；Q为作用在转子系统上的残余不平衡向量：

（2）

其中Q_i用来描述压气机转子位于第ｉ个节点的残余不平衡，i=2，Q_j用来描述涡轮转子位于第ｊ个节点的残余不平衡，j=20，此时涡轮转子4残余不平衡的相位相对压气机转子2残余不平衡量相位之间的差值为θ₁，θ₁=0°有：

（3）

（4）

ｅ为自然对数的底数，ｉ为虚数单位，则压气机涡轮转子系统的各节点的不平衡响应q₁的计算公式为：

（5）

压气机涡轮转子系统的各节点的不平衡响应q₁计算结果见表1。

表1 涡轮转子4残余不平衡的相位相对压气机转子2残余不平衡量相位之间的差值θ₁ = 0º时，压气机涡轮转子系统的各节点的不平衡响应q₁的计算结果

不考虑压气机涡轮转子系统的各节点的不平衡响应q_１中的转动响应，则各个节点的最大不平衡响应R₁：

R₁=max（q₁）(6)

通过表１确定１号节点即转子系统前支点处，振动响应最大，为3.34mm/s，将这组状态记作（R₁，θ₁），其中R₁=3.34、θ₁=0º；

步骤4，以压气机转子2为基准，涡轮转子4按照逆时针方向相对压气机转子转动1个花键套齿，此状态下的涡轮转子4残余不平衡量与压气机转子残余不平衡量相位之间的差值记作θ₂，θ₂=22.5°，将此状态下的压气机涡轮转子系统的各节点的不平衡响应记作q₂，将步骤3中的θ₁换为θ₂，q₁换为q₂，重复步骤3计算该状态下压气机涡轮转子系统的各节点的不平衡响应q₂，计算结果见表2。

表2 涡轮转子4残余不平衡的相位相对压气机转子2残余不平衡量相位之间的差值θ₂=22.5°时，压气机涡轮转子系统的各节点的不平衡响应q₂的计算结果

通过表2确定1号节点即转子前支点处，振动响应最大，为3.32mm/s。

将这组状态记作（R₂，θ₂），其中R₂=3.32、θ₂=22.5º；

步骤5，重复步骤4，得到全部16中状态下的最大不平衡响应，分别为（R₁，θ₁）、（R₂，θ₂）……（R₁₆，θ₁₆），见表3；

表3 不同涡轮转子残余不平衡量与压气机转子残余不平衡量相位之间的差值θ下的最大不平衡响应

步骤6，选出（R₁，θ₁）、（R₂，θ₂）……（R₁₆，θ₁₆）中最大不平衡响应R的最小值Rmin ：

R_min =min（R₁，R₂，...，R_m）(7)

选出第9中安装状态为最小值R_min，即θ=180°，R_min=2.71mm/s。

确定最终装配方案为（2.71，180 º），即涡轮转子和压气机转子的残余不平衡量相位差为180 º的状态下，燃机振动最小，为2.71mm/s。

Claims (1)

1.一种燃气轮机的压气机涡轮转子的角向固定对接组合方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，压气机转子在动平衡机上完成单独动平衡的残余不平衡量记作m₁，相位记作α₁，涡轮转子在动平衡机上完成单独动平衡的残余不平衡量记作m₂，相位记作α₂；其中相位表示的是残余不平衡量相对确定好的参考标记的角度；

步骤2，建立压气机涡轮转子的转子动力学有限元模型；

步骤3，将涡轮转子残余不平衡量与压气机转子残余不平衡量相位之间的任意差值用θ表示，压气机涡轮转子系统的各节点的不平衡响应用q表示，压气机涡轮转子系统各个节点的最大不平衡响应用R表示；

将压气机转子与涡轮转子角向对接，此时以压气机转子残余不平衡量的相位α₁为基准，将此状态下的涡轮转子残余不平衡量与压气机转子残余不平衡量相位之间的差值记作θ₁，将此状态下的压气机涡轮转子系统的各节点的不平衡响应记作q₁，利用转子动力学方程计算该状态下的各个节点的最大不平衡响应R₁；

压气机涡轮转子系统的转子动力学方程为：

（1）

其中M 、C 、K 、G 分别为转子系统的质量、阻尼、刚度以及陀螺力矩矩阵；Ω为给定的转速；q₁为压气机涡轮转子系统的各节点的不平衡响应，描述每个节点的响应，每个节点有4个自由度，包含2个平动、2个转动自由度，整个转子系统具有4n个自由度，n为压气机涡轮转子模型的节点数；Q为作用在转子系统上的残余不平衡向量：

（2）

其中Q_i用来描述压气机转子位于第ｉ个节点的残余不平衡，Q_j用来描述涡轮转子位于第ｊ个节点的残余不平衡，此时涡轮转子残余不平衡的相位相对压气机转子残余不平衡量相位之间的差值为θ₁，有：

（3）

（4）

则压气机涡轮转子系统的各节点的不平衡响应q₁的计算公式为：

（5）

不考虑压气机涡轮转子系统的各节点的不平衡响应q中的转动响应，则各个节点的最大不平衡响应R₁：

R₁=max（q₁）(6)

将这组状态记作（R1，θ₁）；

步骤4，以压气机转子为基准，涡轮转子按照逆时针方向相对压气机转子转动1个花键套齿，此状态下的涡轮转子残余不平衡量与压气机转子残余不平衡量相位之间的差值记作θ₂，将此状态下的压气机涡轮转子系统的各节点的不平衡响应记作q₂，重复步骤3计算该状态下各个节点的最大不平衡响应R₂，将这组状态记作（R₂，θ₂）；

步骤5，重复步骤4，得到全部状态下的最大不平衡响应，分别为（R₁，θ₁）、（R₂，θ₂）……（R_m，θ_m）；

步骤6，选出（R₁，θ₁）、（R₂，θ₂）……（R_m，θ_m）中最大不平衡响应R的最小值Rmin ：

R_min =min（R₁，R₂，...，R_m）(7)

此时R_min对应的安装角度差记为θ_min，相应的对接状态（R_min，θ_min）作为最终装配方案。