汽轮机动叶片装配仿真及排序优化的分析

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1、-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第1章绪论1.1课题研究的背景汽轮机是使用电站锅炉产生的过热蒸汽去冲动汽轮机叶片，并使之转动，从而带动汽轮机和汽轮发电机发电的一种动力机械，它是发电设备中的一种原动机。对于汽轮机来说，如果高速旋转的转子质量不均匀，则会产生剧烈的振动和较大的噪声，降低其传递效率，甚至会产生重大安全事故。究其产生振动的原因，最主要的原因就是“不平衡力”，为避免产生此类现象，最根本的措施就是改变其质量分布，使其产生的离心力相对于旋转轴对称分布，相反方向上的离心力相互抵消，消除不平衡力，即所谓的“平衡”。当前，汽轮机组在关键部件转子装配时，首先

2、根据叶片质量排序，由于每只叶片加工后尺寸各不相同，装配后车外圆使叶片的质量发生变化，在做动平衡时，很难配重，增加了动平衡的次数，加大了企业的资金投入，延长了产品制造周期。本课题正是基于以上问题的研究，其研究内容来源于“十一五”某电站设备集团重点课题“复杂产品关键部件加工装配仿真优化及可制造性评价的研究”，其中“汽轮机动叶片装配仿真及排序优化的研究”为该项目的子课题。1.2课题研究的目的和意义刚性转子动平衡一直是我国大型旋转机械企业所面临的一个难题[1]。本课题汽轮机动叶片装配仿真及排序优化的研究，使企业在装配过程（包括叶片的排序、辐射面的修磨）、静平衡

3、方案的确定等方面有了理论依据和优化的解决方案，以加工后的叶片的实际尺寸进行排序，达到了真实的效果，对企业来说，具有很好的应用前景。本课题所研究的这种不平衡面超过两个的转子是一类“准柔性转子”，虽然不是刚性转子，但可以采用每级叶片逐个校正，无偏心地组装。我们所提出的平衡方法，正是针对转子上各级叶片所需的校正量，采用叶片优化排序技术1---哈尔滨工业大学工学硕士学位论文确定叶片的最佳排布顺序，把各级叶片的初始不平衡量控制在规定的量值范围以内。这不仅相当于对每级叶片进行了校正，也相当于对组装后的转子进行了校正，从而实现了这类准柔性转子的动平衡。当前，汽轮机厂

4、在装配转子时，首先根据已加工后的叶片质量排序，由于每只叶片加工后尺寸各不相同，装配后还需车外圆、修磨径向面使得叶片的质量发生变化，在做动平衡时，很难配重。而经过虚拟装配、虚拟加工后可以真正解决叶片排序问题，完全消除了因为装配后对叶片车叶冠、修磨径向面后所带来的质量变化而造成的原静平衡失真，导致上动平衡机后无法平衡而拆卸转子、叶轮、叶片，重新排序、重新进行静平衡的现象，大大减少了动平衡的次数，降低了动平衡的成本。同时，该课题的研发还可以在装配前发现设计、加工中存在的装配不好的问题，避免了重复装修的现象，降低了装配成本，缩短了装配周期，从理论上保障了装配质

5、量。对于汽轮机转子来说，如果每级叶片都能完成静平衡，则最后组装完各级叶片后，各偏心质量产生的惯性力的矢量和为零，同时这些惯性力所构成的力矩矢量和也为零，则满足动平衡，可以说，转子动平衡就是在转子的多个平面内实现静平衡，因此，本课题关于动叶片装配仿真及排序优化的研究为转子的动平衡打下了一个坚实的基础。根据统计，320T动平衡机每启动一次花费约为5000元左右，如果静平衡达不到要求，就可能要多次启动动平衡机进行动平衡试验。所以本课题对转子静平衡的研究具有相当的现实意义，企业对这种技术也有着迫切的需求，同时，该研究在航空、电力、造船、汽车等行业也具有巨大的应

6、用前景。1.1转子平衡研究的背景和现状转子的不平衡是造成旋转机械故障的重要原因之一，动平衡技术是抑制或减小转子不平衡振动的主要措施，寻求确定最优平衡质量的有效方法是动平衡的关键技术[2]。转子动力学的发展，是与第一次工业革命的出现紧密相关的。自从1869年Rankine发表了题为“论旋转轴的离心力”一文，开始研究一根无阻尼的均质轴在其初始位置受到扰动后的运动之后，关于转子动力学的研究逐步展开。19192---哈尔滨工业大学工学硕士学位论文年，英国著名的动力学家Jeffcott提出了一种挠性转子模型，即Jeffcott转子。在此基础上，结合生产的需要，转

7、子动力学迅速发展起来。随着转子动力学的发展，转子平衡理论也不断成熟和完善。本世纪初，大部分转子系统工作在第一阶临界转速以下，转子柔性变形可忽略不计，转子属于刚性的，这方面的研究相对简单些，故在上世纪30年代后期刚性转子平衡理论已近成熟，到了40年代已形成了刚性转子的平衡标准ISO1940。刚性转子的平衡受某一转速限制，如果转速超过这一限制转速，己经平衡好的转子又将不平衡。特别是当转子工作在临界转速以上时，这种平衡方法已失去作用[3]。刚性转子和柔性转子的动力学特性有很大的不同，因而它们的平衡方法差异也很大。随着刚性转子平衡方法的日益成熟，柔性转子的平衡

8、问题也越来越受到人们的重视。1956年K.Federn提出了判断转子刚柔性的指标[4]。他认为