专利名称：计入弹簧基础耦合振动的轴系动力特性计算模型建立方法
技术领域：
本发明涉及一种计入弹簧基础耦合振动的轴系动力特性计算模型的建立方法，属于电站汽轮机技术领域。
背景技术：
现有火电或核电用大型汽轮发电机组轴系动力特性设计计算模型中，各轴承支承边界一般等效为单一刚度值，或随转速变化的动刚度值，但由于大型机组尤其是核电机组使用的弹簧隔振基础结构庞大(多数长达60米以上)，且由顶台板、弹簧及立柱多个子结构件组成，轴承座及弹簧隔振基础结构的耦合支承效应仅通过单一的支承动刚度值来反映，这种计算模型忽略了轴承座及弹簧基础结构固有动态特性对轴系特性的影响，实际运行中将可能会出现弹簧基础固有动态特性与机组轴系动力特性不匹配现象，因此，需要将大型的轴承座及弹簧基础结构纳入到大型机组轴系动力特性设计计算模型中。此外，现有的弹簧基础设计计算模型由于无法完整准确计入汽轮机各转子质量分布和轴承八个油膜动特性参数的动态变化规律，故无法准确获得轴系及轴承支承处弹簧横梁基础的动态响应特性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种计入弹簧基础耦合振动的汽轮发电机组轴系动力特性计算模型的建立方法。为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种计入弹簧基础耦合振动的轴系动力特性计算模型建立方法，其特征在于，步骤为:步骤1、将支撑大型汽轮发电机组的弹簧隔振基础，按其实物结构尺寸等效为一个梁单元为主的三维空间模型；
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步骤2、通过三维有限元法计算或现场试验实测支撑转子系统轴承的轴承座刚度并进行刚性等效，获得轴颈支点至横梁支点的等效梁；步骤3、将弹簧隔振器按其设计弹性系数等效为杆件组合，优先保证垂直向弹性等效效果，且在保证其不失稳的条件下调整杆件材料属性及截面特性，使其与顶台板、立柱可共同组成为一个弹簧基础子结构模块，将步骤2得到的等效梁纳入到该弹簧基础子结构模块，轴系支撑边界结构的子结构模块数减少为I个；步骤4、转子系统按有限元法离散为多个质量单元，组成I个子结构模块，各转子轴颈支点坐标与步骤3中得到的弹簧基础子结构模块的轴承支点位置坐标一致，并以轴承油膜作为弹性连接件，将转子系统和包含轴承座的弹簧基础子结构模块两大子结构模块耦
口 ο优选地，所述步骤I的具体步骤为:步骤1.1、将基础横梁及立柱上的节点设置在纵梁结构与横梁结构交界或截面几何特性变化处，在轴承座及载荷施加区域附近人为加密节点；
步骤1.2、将所有节点按照一定规则进行有序编号；步骤1.3、每两个节点构成一个单元结构，且按照截面几何特性相同的原则，将结构上的节点按照编号顺序进行连接，并为每个单元结构设置相应的单元号；步骤1.4、设定每个单元结构的材料属性类型号及截面特性类型号。优选地，在所述步骤2中，所述轴承座包括落地轴承座及端盖轴承座，对于落地轴承座而言，若落地轴承座为联体式，则根据转子两个轴承支点的位置及落地轴承座所处横梁的节点位置设置由两个斜杆组成的V型杆件，并依据落地轴承座垂直和水平刚度的大小来调整斜杆的截面特性；若落地轴承座为单体式，则根据转子轴承支点的位置及落地轴承座所处横梁的节点位置设置斜杆件，并依据落地轴承座垂直和水平刚度的大小来调整斜杆的截面特性；对于端盖轴承座而言，根据转子轴承支点位置及端盖轴承座所处两个纵梁的节点位置设置由两个斜杆组成的“人”字型杆件，并依据轴承座垂直和水平刚度的大小来调整斜杆的截面特性。本发明具 有如下有益效果:本发明通过上述步骤建立的大型汽轮发电机组转子-轴承-弹簧基础的梁/杆单元计算模型，利用动态子结构法中的模态综合方法，可计算分析获得实体弹簧隔振基础结构支撑边界下的轴系临界转速、轴颈与轴承座(基础横梁)支点的不平衡响应值、以及轴系各模态频率所对应的弹簧基础耦合振型和基础各模态频率所对应的轴系耦合振型。本发明较完整地考虑了弹簧基础及轴承座的支承效应及其结构耦合振动效应，提高了大型机组轴系动力特性设计计算的准确度，为大型机组设计选配弹簧基础、保障轴系的安全稳定性提供了更为合理且可同时获得轴系及基础等多个动力特性结果的设计计算模型及其建立方法。
图1为本发明转子-轴承-弹簧基础结构示意图；图2A为本发明转子-轴承系统示意图；图2B为本发明弹簧基础等效梁(杆件)三维计算模型示意图；图3A为落地轴承座等效为刚性杆件的示意图；图3B为端盖轴承座等效为刚性杆件的示意图；图4为本发明弹簧隔振器等效为一组弹性等效杆件示意图；图5A为本发明实施例弹簧基础轴向一阶临界模态下轴系的振型；图5B为本发明实施例弹簧基础轴向一阶临界模态振型；图5C为本发明实施例弹簧基础垂直向二阶临界模态下轴系的振型；图为本发明实施例弹簧基础垂直向二阶临界模态振型；图5E为本发明实施例轴系水平向一阶临界模态振型；图5F为本发明实施例轴系水平向一阶临界模态下弹簧基础振型。
具体实施例方式为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。某计入弹簧基础的百万级三缸四排汽核电半速机组轴系组成方案如下:高中压转子、低压转子1、低压转子I1、发电机转子及励磁机系统，如图1所示。各转子间采用刚性连接，支承各转子用的径向滑动轴承均选用承载能力强的圆瓦型轴承，结合图2A及图2B(在图中，HP、LP1、LP2、GEN及EXC分别表示为高中压转子、低压转子1、低压转子I1、发电机转子及励磁机系统)，汽轮机1# 6#轴承及励磁小轴端部9#轴承的轴承座I采用落地轴承座(其中，汽轮机2# 3#轴承、汽轮机4# 5#轴承为联体式落地轴承座，汽轮机1#轴承和励磁小轴端部9#轴承为单体式落地轴承座),发电机7# 8#轴承的轴承座I采用端盖轴承座。现按照本发明所述的步骤建立该机组计入弹簧基础后的轴系动力特性计算模型，如下:步骤一:该大型汽轮发电机组的弹簧基础由I块顶台板3(包含5根横梁)、1块底板5、20根立柱4和20组弹簧隔振器2组成，其实物结构尺寸等效为一个梁单元为主的三维空间模型，见图2B，具体实施如下:①基础横梁及立柱4上的节点设置在结构交界处或截面几何特性变化处，并在轴承座I及载荷施加区域附近人为加密节点，一共获得175个节点；②将175个节点序号尽量按照沿轴向从汽轮机机头跨向发电机励磁跨顺序编排，而在基础横向剖面上立柱4、弹簧隔振器2和横梁节点则按逆时针编排；③每两个节点构成一个单元结构，且按照之前的编号规则进行连接，共获得205个单元结构；④设定每个单元结构的材料属性共有2个类型，截面特性有79个类型，截面为矩形定义(长和宽)， 每个单元结构设置对应的材料属性类型号和截面特性类型号。步骤二:通过三维有限元法计算得到支撑转子系统轴承的轴承座I刚度并进行刚性等效，获得轴颈支点至横梁支点的等效梁(杆件)，等效梁(杆件)材料属性与基础顶板相同，具体实施如下:①对于容纳单只轴承的单体落地轴承座，如本算例中汽轮机1#、汽轮机6#、励磁小轴端部9#轴承所在轴承座，则根据转子上轴承支点162、167、170的位置(标高和轴向位置)及轴承座所处横梁的节点5、55、152的位置设置杆件，依据轴承座垂直、水平向刚度计算结果等效并获得杆件的几何特性见表I ;表1单体落地轴承座等效结果
权利要求
1.一种计入弹簧基础耦合振动的轴系动力特性计算模型建立方法，其特征在于，步骤为: 步骤1、将支撑大型汽轮发电机组的弹簧隔振基础，按其实物结构尺寸等效为一个梁单元为主的三维空间模型； 步骤2、通过三维有限元法计算或现场试验实测支撑转子系统轴承的轴承座刚度并进行刚性等效，获得轴颈支点至横梁支点的等效梁； 步骤3、将弹簧隔振器(2)按其设计弹性系数等效为杆件组合，优先保证垂直向刚性等效效果，且在保证其不失稳的条件下调整杆件材料属性及截面特性，使其与顶台板(3)、立柱(4)可共同组成为一个弹簧基础子结构模块，将步骤2得到的等效梁纳入到该弹簧基础子结构模块，轴系支撑边界结构的子结构模块数减少为I个； 步骤4、转子系统按有限元法离散为多个质量单元，组成I个子结构模块，各转子轴颈支点坐标与步骤3中得到的弹簧基础子结构模块的轴承支点位置坐标一致，并以轴承油膜作为弹性连接件，将转子系统和包含轴承座的弹簧基础子结构模块两大子结构模块耦合。
2.如权利要求1所述的一种计入弹簧基础耦合振动的轴系动力特性计算模型建立方法，其特征在于， 所述步骤I的具体步骤为: 步骤1.1、将基础横梁及立柱(4)上的节点设置在纵梁结构与横梁结构交界或截面几何特性变化处，在轴承座(I)及载荷施加区域附近人为加密节点； 步骤1.2、将所有节点按照一定规则进行有序编号； 步骤1.3、每两个节点构成一个单元结构，且按照截面几何特性相同的原则，将结构上的节点按照编号顺序进行连接，并为每个单元结构设置相应的单元号； 步骤1.4、设定每个单元结构的材料属性类型号及截面特性类型号。
3.如权利要求1所述的一种计入弹簧基础耦合振动的轴系动力特性计算模型建立方法，其特征在于，在所述步骤2中，所述轴承座包括落地轴承座及端盖轴承座，对于落地轴承座而言，若落地轴承座为联体式，则根据转子两个轴承支点的位置及落地轴承座所处横梁的节点位置设置由两个斜杆组成的V型杆件，并依据落地轴承座垂直和水平刚度的大小来调整斜杆的截面特性；若落地轴承座为单体式，则根据转子轴承支点的位置及落地轴承座所处横梁的节点位置设置斜杆件，并依据落地轴承座垂直和水平刚度的大小来调整斜杆的截面特性； 对于端盖轴承座而言，根据转子轴承支点位置及端盖轴承座所处两个纵梁的节点位置设置由两个斜杆组成的“人”字型杆件，并依据轴承座垂直和水平刚度的大小来调整斜杆的截面特性。
全文摘要
本发明涉及一种计入弹簧基础耦合振动的轴系动力特性计算模型建立方法，其特征在于，步骤为将支撑大型汽轮发电机组的弹簧隔振基础等效为一个梁单元为主的三维空间模型；获得轴颈支点至横梁支点的等效梁；将弹簧隔振器按其设计弹性等效为杆件组合，与顶台板、立柱可共同组成为一个弹簧基础子结构模块，将得到的等效梁纳入到该子结构模块；将转子系统和弹簧基础子结构模块两大子结构模块耦合。本发明较完整地考虑了弹簧基础及轴承座的支承效应及其结构耦合振动效应，提高了大型机组轴系动力特性设计计算的准确度，为大型机组设计选配弹簧基础、保障轴系的安全稳定性提供了更为合理且可同时获得轴系及基础等多个动力特性结果的设计计算模型及其建立方法。
文档编号G01M13/04GK103234745SQ201310170379
公开日2013年8月7日 申请日期2013年5月9日 优先权日2013年5月9日
发明者孙庆, 李汪繁, 危奇, 王秀瑾, 何毅, 蒋俊 申请人:上海发电设备成套设计研究院