燃气轮机拉杆转子接触界面的非线性动力特性及故障识别方法研究

The gas turbine is a clean, high efficiency power generation and power equipment, the multidisciplinary key technologies development related to the country's energy and defense safety. Rod fastened rotor is the key part of the gas turbine (friction surface or tooth connection) of the rotor, each of the contact interface due to the failure separating the dynamic characteristics of the rotor will be changed and affect the safety of the rotor. This project will study the two types of contact interface in this rotor, the nonlinear dynamics of the contact interface and the corresponding failure mechanism. First, through theoretical analysis of nonlinear mechanical model, namely the contact interface stiffness model during contact interface failure and additional exciting force model in the rotor will be established. Then the mechanical model of the entire rotor system will be built by three-dimensional contact finite element method, the model takes into account the nonlinear dynamics of the contact interface. By the way the nonlinear dynamic characteristics of the contact interface failure state will be analysed by theory, in order to reveal the characteristics of the rotordynamics during the contact interface failure. The patented rotor test rig will be used to test the all kinds of contact interface faults in this rotor. Theory and experiment are used to clarify contact interface failure mechanism of this rotor. The failures identification method will be setup and lay the theoretical foundation for gas turbine rotor safety.

燃气轮机是高效清洁的发电和动力设备，涉及多学科的核心技术，其发展关乎国家的能源与国防安全。拉杆组合转子是燃气轮机的关键部件，转子中各接触界面（端面摩擦或端面齿）因故障而分离将改变转子的动力学特性并影响转子的安全性。本项目以拉杆式转子中的两类接触界面为研究对象，对其接触界面的非线性动力学特性和相应的故障机理进行研究。首先，通过理论分析建立接触界面的非线性力学模型，即转子接触界面在故障下的刚度模型和附加激振力模型。然后通过三维接触有限元法建立整个转子系统的力学模型，该模型考虑接触界面的非线性动力学特性；同时将对接触界面故障状态下的非线性动力特性进行理论分析，以揭示其对拉杆转子动力学特性的影响特征。利用已获国家发明专利的拉杆转子实验台对拉杆转子接触界面各种故障状态下的动力学特性进行模拟实验，从理论和实验上阐明拉杆转子接触界面故障的机理，建立该类故障的识别方法，为拉杆转子的安全性奠定理论基础。

本项目针对燃气轮机拉杆转子的平面和端面齿两类接触界面，首先分别采用解析方法和三维接触有限元法确定拉杆转子平面接触界面和端面齿接触界面的刚度计算方法，确定接触界面的静态刚度与拉杆转子受到的预紧力和脱开力的关系；然后根据拉杆转子接触界面静态刚度，并结合接触界面典型的故障模型，建立接触界面的刚度模型和附加激振力模型；接着以上述拉杆转子接触界面静态刚度模型为基础，并考虑质量不平衡和初始弯曲（接触面故障如拉杆螺栓紧力不均或接触面加工误差等引起）激励下，采用谐波平衡法，研究动态下拉杆转子在其接触界面故障时非线性动力学特性；最后采用奇偶方程法，建立与实际转子系统并列的冗余分析模型，并比较两者的输出信号以识别实际转子系统的故障，对转子系统故障进行定量诊断。.研究结果表明：接触界面的刚度削弱将使得转子的固有频率降低，各阶固有频率的降低程度与振型有关，转子本体振动为主的振型固有频率下降程度较高，轴头等其它部位振动为主的振型固有频率下降程度较低；拉杆式转子在接触界面发生分离故障时有典型的非线性特性，其最为显著的特征是转子响应幅值在升降速过程中的突跳和滞后现象，并可以此特征作为其典型的故障特征，以能在运行时定性地判断故障类型；拉杆式转子发生初始弯曲时，转子在低转速有较大的初始响应，而在高转速时响应的特征与弯曲量和质量不平衡量的大小和相位有关，即在质量不平衡量与弯曲量相位相反，质量不平衡量小于弯曲量时，总响应幅值在第1阶临界转速后出现波谷；而在质量不平衡量大于弯曲量时，总响应幅值在第1阶临界转速前出现波谷。在本课题组已获国家发明专利的拉杆转子实验台上，通过动态实验研究拉杆转子在接触界面故障时的动态特性，并与理论模型分析结合，形成拉杆转子接触界面故障的识别方法。最后，综合本项目研究成果，并结合与企业合作的工程实践经验，给出了燃气轮机拉杆转子拉杆预紧力设计和校核方法，为燃气轮机转子动力学的自主设计提供了重要参考。