燃气轮机转子系统支承刚度阻尼匹配的研究
Research on Support Stiffness and Damping Matching of Gas Turbine Rotor System
Xu Ning，Mamtinin Geni，YAN Shui-zhong
（Dept of Mechanical Engineering，Xingjiang Univercity，Xinjiang Urumqi 830049，China）
Abstract：According to the purpose of the gas turbine supporter design，the rotor amplitude is made to decrease，under the existing rotor system dynamics equation model，a surface relationship of rotor’s nondimensional amplitude，supporter’s stiffness and damping is established in a 3D coordinate system.According to these nephogram，it is sumed up that the rotor system when in start or stop，under different eccentricity the distribution change rule of stiffness which may lead to accident， and damping matching point，introducing the concept of maximum amplitude line，and discussing the position that supporting parameter is suitable to choose when high -speed rotor starts or stops.The results show that the selection of supporting parameters in stable condition makes rotor in minimum amplitude which is not safe，and should under low eccentricity change， chooses the stiffness，damping point in area that the maximum amplitude line fast goes across. Key Words：Gas Turbine；Supporter；Matching Parameter；Stiffness；Damping
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然而转子系统的理论研究到设计准则需要大量的分析与实 践过程。特别是在燃气轮机支承的设计准则上，如何能够更好的 吸收转子振动所产生的能量，以保证在启动与停止时振幅尽可能 的低，延长寿命，提高安全性[3-4]。不同的转子系统下，启动停止时 偏心率的变化速度不同，偏心率对轴承动力学参数又有很大的影 响，直接关系到了支承匹配的效果[5]。介绍了根据支承刚度-阻尼 的匹配，建立它们与转子质点最大振幅的曲面关系，从不同偏心
1 引言
率下的曲面变化来分析实际设计中支承参数的选择。
重型燃气轮机的切向支承座部分的刚度一般与常规的涡轮 2 轴承-转子系统模型
机相比较小。这种庞大而很重的燃气轮机在启动、关闭过程中或
为了方便研究，简化燃气轮机转子系统为一个标准滑动轴
运转过程中出现失常时，支承座、轴承和转子的相互干涉作用是 承、对称转子的系统模型，如图 1 所示
机械设计与制造
第1期
134
Machinery Design ＆ Manufacture
2013 年 1 月
燃气轮机转子系统支承刚度阻尼匹配的研究
徐 宁，买买提明·艾尼，闫水中 （新疆大学 机械工程学院，新疆 乌鲁木齐 830049）
摘 要：针对燃气轮机支承座的设计目的，使得转子振幅尽量降低，以现有的转子系统动力学方程模型下，在三维坐标系 中建立出支承刚度、阻尼和转子质点无量刚振幅的曲面关系。 通过软件开发与计算，得到刚度-阻尼平面的一个区域内， 多个不同的偏心率下最大振幅云图以及所产生振幅的转速云图。 根据这些云图总结出转子系统在启动或停止时，偏心率 的不同使可能造成事故的刚度、阻尼匹配点分布的变化规律，引入了极大振幅线的概念，并从中讨论了高速转子启动和 停止时支承参数适合选择的位置。 结果表明支承参数的选取在稳定情况下使转子处于最小振幅时反而是不安全的，应当 在低偏心率变化下，极大振幅线快速划过的区域选取刚度-阻尼点。 关键词：燃气轮机；支承座；参数匹配；刚度；阻尼 中图分类号：TH16；TK47 文献标识码：A 文章编号：1001-3997（2013）01-0134-03
控制过临界振幅（中心标高的变化量）的重要环节。在非线性研究 中，文献[1]阐述了进行旋转机械非线性转子动力学研究的必要性， 其次综述了现代非线性动力学的理论分析方法及其在大型旋转
2m
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机械应用方面。文献[2]通过滑动轴承动力特性系数动态分析方法 对滑动轴承动力特性系数瞬态响应的影响进行了分析与讨论。
图 1 轴承-转子系统力学模型 Fig.1 Mechanical Model of Rotor System
其运动方程，对于转子的圆盘质点有：
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+η+ηR
+ρsinωt
（1）
来稿日期：2012-03-10 基金项目：国家自然科学基金（11072209）；国家重点基础研究发展计划（973 计划）（2007CB707706）支持项目 作者简介：徐 宁，（1986-），江苏兴化人，在读硕士研究生，硕士，主要研究方向：现代设计方法与数值仿真；
燃气轮机转子专利技术综述
接 转子 的研 究较 为广泛 ，整体 转子和 红套 转子 的研究 比较 匮乏 ，且
通过对 各 申请 国历 年 申请 量趋势分 析可 知 ，美 国 的技 术发 展最
早 ，其 在燃 气轮机 转子 技术领 域一直保 持着 相应 的研究 ，紧随其 后 的 日本从 ２ Ｏ 世纪 ８ Ｏ 年代 开始 该领域 的研 究并 具有较 大 的 申请 量 ； 欧盟 和原创 国德 国主 要 申请始于 ２ Ｏ 世纪 ９ ｏ 年代 ，其 申请量 在进 入 ２ １ 世 纪 以来处于逐 渐上升 的趋势 ；相 比之 下 ，其他 申请 国在燃气 轮 机转子 技术领 域 的研究 没有持 续性 ，申请量也 不稳定 。另 外 ，中国
Ｏ 前 言
随着世 界经济 的迅猛 增长 ，以天然气 为燃 料的燃 气轮机 联合 循 环发 电机组 正逐 步成 为各 国电力生 产的 “ 新 宠儿 ”。在我 国，发 展
专利 申请情 况分析 可知 ，申请 人通用 电气 公司 的 申请量 高居 榜首 ，
日本两家公 司 日立和三 菱的 申请量紧 随其 后 ， 另外 ， 申请人联合 工艺 、
在全 球范 围 内的竞争力 。其 中美 国、 日本和 德 国的技术 发展 具有领 先地 位 ，需 要重点 关注 的主要 有美 国的通 用 电气 公司 和联合 工艺 、 日本 的 日立和三菱 、德国的西 门子 以及法国的阿尔斯通 。 从 目前 的发 展趋势 来看 ，分布 式拉杆 转子 、中心拉 杆转 子和焊
考虑接触刚度的燃气轮机拉杆转子动力特性研究
中 图分 类 号 ：Ｔ １３ １ Ｈ １． 文 献 标 识 码 ：Ａ
Ｄｙ ｍ ｉ ｈａ ａ ｔ ｒ ｓｉ ｓｏ ｏ ａ ｔ ｎ ｎｇ ｒ ｔ ｒ ｆ ｒ ｇ ｓ ｔ ｒ ｎ ｏ ｓｄｅ ｉ ｏ ａ ｔ ｓｉ ｎ ｓ ｎａ ｃ ｃ ｒ ｃ ｅ ｉｔｃ ｆａ ｒ ｄ ｆ ｓｅ ｉ ｏ ｏ ｏ ａ ｕ ｂｉ ｅ ｃ ｎ ｉ ｒｎｇ ｃ ｎｔ ｃ ｔｆ ｅ ｓ
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高速气体轴承的动态刚度和动态阻尼系数研究(可编辑)
高速气体轴承的动态刚度和动态阻尼系数研究（可编辑）硕士学位论文高速气体轴承的动态刚度和动态阻尼系数的研究NUMERICAL STUDY OF THEDYNAMIC-STIFFNESS AND DYNAMIC-DAMPINGCOEFFICIENTS OF HIGH-SPEED GAS BEARINGS李亚轩哈尔滨工业大学2011 年 12 月国内图书分类号: TH133.36 学校代码: 10213国际图书分类号:621.1密级 : 公开工学硕士学位论文高速气体轴承的动态刚度和动态阻尼系数的研究硕士研究生 : 李亚轩导师 : 杜建军副教授申请学位 : 工学硕士学科、专业 : 机械工程所在单位: 深圳研究生院答辩日期 : 2011 年 12 月授予学位单位 : 哈尔滨工业大学Classified Index: TH133.36U.D.C:621.1Dissertation for the Master Degree of EngineeringNUMERICAL STUDY OF THEDYNAMIC-STIFFNESS AND DYNAMIC-DAMPINGCOEFFICIENTS OF HIGH-SPEED GAS BEARINGSCandidate: LiYaxuanSupervisor: Associate Prof. Du JianjunAcademic Degree Applied for: Master of EngineeringSpecialty: Mechanical EngineeringAffiliation: Shenzhen Graduate SchoolDate of Defence: Dec, 2011Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute ofTechnology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要气体轴承具有摩擦小、工作转速高、精度高和工作范围局限小等优点 ,因此已经在精密电子、航空航天和医疗器械等方面得到了广泛的使用。
燃气轮机低压压气机转子动力特性研究
Ｚ ＨＯＮＧ ａ ｇ ｒ ｉｇ．ＧＯＮＧ ｉ ｎ ｚ ｅ ｇ Ｆ ｎ－ ｎ ｕ Ｊ ａ － ｈ ｎ ・ＨＥ Ｘｉｇ．ＬｌＨｕ － ｈ ｎ ａｚ ｉ
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关 琦 ． 鹤 ， 力 ． 型 燃 气 轮 机 低 压 涡 轮 压 气 机 转 子 动 金 新 某 力 学 分 析 Ｅ］ 舰 船 科 学 技 术 。０ ０ ３ （） １ ７１２ Ｊ． ２ １ ，２８ ：２ ・３．
宋 兆 泓 ， 昌 炳 ． 光 华 ． 空 燃 气 涡 轮 发 动 机 强 度 设 计 熊 郑 航
第 １期 （ 第 １ ０期 ） 总 ７
２１ ０ ２年 ２月
机 械 工 程 与 自 动 化
ＭＥ ＣＨＡＮＩ ＣＡＬ Ｅ ＮＧＩ ＥＲＩ ＮＥ ＮＧ ８ ＡＵＴＯＭ ＡＴＩ Ｌ ＯＮ
Ｎｏ １ ．
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文 章 编 号 ：６２ ６ ］ （ ０ ２ ０— ０ ７０ １７ －４ ３２ １） １０ ５— ３
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们 与切 削加工 参 数 的关 系 ，找 出对 自激振 动影 响最 大
此 ，本 实验得 出的消振 工 艺参数 对 实际生 产 中减小 自
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分建 立 了压 气 机 转 子 的 有 限元 模 型 。利 用 数 值 仿真 软 件 求 解 了转 子 的 临 界 转 速 及 转 子 第 ２级 、４级 、６级 分
舰用燃气轮机压气机转子动力特性研究
舰用燃气轮机压气机转子动力特性研究龚建政;姜荣俊;余又红;贺星【摘要】The finite element model of compressor rotor of marine gas turbine was buih. Mode analysis of the rotor was done and critical speed and unbalance response of rotor were calculated. Influence on dynamic characteristics of rotor by increase in stiffness was analyzed. The results show the rotor is a rigid rotor. Vibration behavior of rotor is affected mainly by first mode. Critical speed of rotor is 12825drain. Unbalance response of rotor is most sensitive to unbalance at 4th disc. Results also show that critical speed of rotor is not sensitive to stiffness change, which yet has an effect on unbalance response of rotor. The conclusion provides references for optimization design of the rotor.%建立某型舰用燃气轮机压气机转子的有限元模型，对转子的动力学特性进行研究。
计算了转子的固有频率和振型，求解了转子的临界转速和不平衡响应，并就转子前支承刚度变化对转子临界转速和不平衡响应的影响进行了分析。
转子动力学研究的回顾与展望
转子动力学研究的回顾与展望一、本文概述转子动力学，作为机械工程和航空航天工程领域的一个重要分支，主要研究旋转机械系统中转子的运动特性和稳定性问题。
随着科技的不断进步和工业的快速发展，转子动力学的研究不仅在理论层面取得了显著的突破，更在实际应用中发挥了不可替代的作用。
本文旨在全面回顾转子动力学的发展历程，总结其研究现状，并在此基础上展望未来的研究方向和潜在的应用前景。
文章将首先回顾转子动力学的起源和发展历程，介绍其从早期的线性理论到现代的非线性、多体动力学理论的演变过程。
接着，本文将综述转子动力学的主要研究内容和方法，包括转子系统的建模、稳定性分析、振动控制等方面，并重点分析当前研究的热点和难点。
在此基础上，文章将展望转子动力学未来的发展趋势，探讨新的理论方法和技术手段在转子动力学研究中的应用前景，以期为相关领域的研究人员和工程师提供有益的参考和启示。
二、转子动力学研究的回顾转子动力学，作为机械工程和航空航天领域的重要分支，其研究历史可追溯至19世纪末期。
自那时起，科学家们就开始了对旋转机械中转子行为特性的探索，以优化其性能并减少故障。
在20世纪早期，转子动力学主要关注转子的平衡问题，即如何通过设计和加工消除不平衡引起的振动。
随着工业技术的进步，转子的尺寸和速度不断增加，其动力学行为变得更为复杂。
因此，研究者开始关注转子的临界转速、稳定性以及振动控制等问题。
到了20世纪中后期，随着计算机技术的飞速发展，转子动力学的研究方法发生了革命性的变化。
数值分析、有限元法等计算方法的引入，使得研究者能够更准确地模拟和分析转子的动态行为。
同时，实验技术的进步也为转子动力学研究提供了更多手段。
进入21世纪，转子动力学的研究领域进一步拓宽。
除了传统的旋转机械外，还涉及到了风力发电机、燃气轮机、航空发动机等新型旋转机械。
随着对非线性动力学、混沌理论等的研究深入，转子动力学的理论体系也在不断完善和丰富。
回顾转子动力学的发展历程，我们可以看到其从简单的平衡问题发展到复杂的动力学行为分析，从单一的实验手段发展到多元化的研究方法。
支承刚度耦合对转子系统临界转速影响分析_李全成
Key words： rotor system； critical speed； stiffness coupling； error analysis
近年来，由于计算机技术的飞速发展，有限
元法计算航空发动机转子系统临界转速被广泛 使用［1］。相对于传递矩阵法，针对大型复杂模 型，有限元法求解精度更高，可以有效避免传递 矩阵法带来的计算结果不稳定等缺点［2 － 4］。但
表 2 不考虑机匣支承耦合时内转子临界转速对比
类型
带机匣的 不带机匣
双转子 的双转子
r / min
r / min
第一阶临界转速 2 591. 7 2 611. 1
第二阶临界转速 3 589. 8 3 573. 0
相对误 差/%
0. 75 0. 46
从表格可以看出，整体计算中转子系统内 转子临界转速计算结果比分开计算的小，通过 分析可知，使用动刚度计算双转子系统临界转 速时，考虑了单个机匣支承内部的轴承单元间 的耦合，而未考虑三个机匣支承间的刚度耦合， 通过其整体振型也可看出机匣支承间应该存在 一定的耦合，从第一阶振型可以看出机匣支承 间的耦合削弱 了 轴 承 的 刚 度，带 机 匣 的 双 转 子 临界转速略低，从第二阶振型可以看出机匣支承 间的耦合增强了轴承的刚度，带机匣的双转子临 界转速略高。符合其相对误差，因此推测临界转
（ Faulty of Aerospace Engineering，Shenyang Aerospace University，Shenyang 110136，China）
Abstract： Ｒotor critical speed，as an important part of rotor dynamic characteristics of the system，has attracted w idespread concern． When the finite element calculations are used for the critical speed of aero-engine rotor system，given the limitations of computer hardw are，the rotor-casing system can be divided into casing and rotor system to calculate respectively． In this paper，the w hole model w ith a tw o-cylinder engine rotor model simulated by calculation show s： compared w ith overall calculation，the separate calculation of the casing and rotor system respectively produces errors，w hich result mainly from the non-considered stiffness coupling betw een the casing bearings．
重型燃气轮机支撑结构动刚度计算分析方法
噪声与振动控制 NOISE AND VIBRATION CONTROL
Vol 36 No.3 Jun. 2016
文章编号：1006-1355(2016)03-0038-04+189
重型燃气轮机支撑结构动刚度计算分析方法
汤茂森 1，荆建平 1，周惠文 2，周业涛 2，王志强 1
( 1. School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China; 2. Siemens Ltd. China, Shanghai 200245 Gas turbine is a high-speed rotating machine. The dynamic characteristics of its rotor have important effects on the safety, while the stiffness of its supports has significant effects on the critical speed of the rotor. Therefore, searching for the dynamic stiffness of the gas turbine supports plays an important role in R&D. In this paper, the dynamic stiffness of the gas turbine supports is measured by testing and calculated with finite element analysis software Ansys. First of all, a 1:4 scale-reduced testing model of the support is prepared, and the hammering method is used to test the dynamic characteristics of the model in different working conditions. Then, the model is simulated with the finite element analysis software Ansys. The results of the testing and the finite element analysis of the model are in good agreement. The results show that the FEA analysis for dynamic stiffness simulation of the gas turbine supports is feasible and the result is reasonable. This work has some reference value for gas turbine vibration study.
燃气轮机中振动问题的分析与优化设计
燃气轮机中振动问题的分析与优化设计燃气轮机是一类常见的热力设备，广泛应用于电力、工业和航空领域等。
然而，现实生产过程中燃气轮机的振动问题成为了制约其性能和寿命的重要因素。
因此，探究其振动问题并进行优化设计是十分必要的。
一、燃气轮机的振动问题燃气轮机作为高速旋转机械，其运行状态下一定会产生振动，这是不可避免的。
同时，其振动也为我们提供了重要的机械信息。
振动可分为径向振动、轴向振动和周向振动三种类型。
其中，径向振动和周向振动对燃气轮机的运行稳定性影响较小，而轴向振动对其运行会造成比较大的影响。
首先，燃气轮机的转子系统会因受力不平衡而产生轴向振动，因此需要加装平衡质量来弥补受力不平衡的缺陷。
其次，燃气轮机在运行过程中会因受到摩擦力和流体动压力的影响而产生旋涡振动，这种振动会对转子系统和连接结构产生明显的影响，因此需要对其进行优化处理。
除此之外，燃气轮机还存在着共振问题。
共振是指振动系统在受到特定的激励时，振动幅度逐渐增加，直至达到最大值。
一旦发生共振，其对燃气轮机的破坏会十分严重。
因此，燃气轮机的设计中也要特别注意防止共振的发生。
二、燃气轮机振动问题的优化设计优化设计是为了减少燃气轮机振动幅度，提高其运行效率和寿命。
优化设计可以从以下几个方面进行考虑：1.设计燃气轮机的结构通过在设计过程中增加支撑点、调节旋涡振动、减小共振频率等方式，优化燃气轮机的结构，以提高其运行效率和稳定性。
在设计过程中需考虑到结构的刚度、资料的抵挡力、使用条件等因素，设计合理的结构和零件，以减少振动幅度。
2. 加装平衡质量加装平衡质量是为了减少燃气轮机受力不平衡而导致的振动。
在加装平衡质量时，应保证质心与机轴中心在同一直线上，并且不影响转子旋转平稳。
此外，应对平衡质量与旋转机械的固有频率进行匹配，以达到最佳防振效果。
3.改进转子系统改进燃气轮机的转子系统也是优化设计的一种方式。
通过使用新的轻量化材料来替换旧材料，改善转子设计，可以有效地减小燃气轮机振动幅度。
转子动力学优化设计
A C 0 0
B D 0 E
0 0 A C
0 - E B D
R 1 / C 2i R 2 / C 2i I 1/ C 2i
0 = I 2i 0 ( 8)
5 应用与结论
通过多个模型算例、 实验模型及航空发动机压气机转子的优化设计与运行考验, 证明本方 法完全适用于多转子多支承系统的转子动力学优化设计。采用传递矩阵—拟模态综合法对转 子支承系统作转子动力学优化设计是行之有效、 简捷的途径。 拟模态综合法使复杂系统化为若 干子系统, 大大缩减自由度 ; 又将待优化的参数作为边界坐标处理 , 使灵敏度分析、 优化迭代过 程大为简化。 约束子系统采用改进的传递矩阵法既可分析约束振动模态 , 又可分析约束静位移 模态, 两者相结合充分发挥各自长处。对中小型涡轮涡桨发动机的高速转子系统 , 采用支承刚 度与阻尼优化设计方法 , 可以有效地调整临界转速, 保证在全工作转速范围内平稳运行。本文 所提出的方法 , 不仅适用于各类航空发动机的转子支承系统, 也可推广应用于各类高速转子系 统的转子动力学优化设计。 参 考 文 献
4 支承阻尼优化设计
支承阻尼优化的目的在于获得整个工作转速范围内最小的振动响应 , 优化目标函数可取 总的平均振动烈度或最大位移振幅, 也可用于外传力作为优化目标函数。
N M
R=
j= 1 i= 1
Z2 ij
( 5) ( 6) ( 7)
R * = M ax ( Zij ) i = 1, M ; j = 1, N
图 3 双转子系统示例图
分别落入第一与第二频率禁区内 , 故需优化设计各支承刚度以调整其临界转速。 由灵敏度分析 确定第Ⅳ支点上的支承刚度灵敏度最高 , 经优化迭代后 K Ⅳ = 632246N/ m , c1 = 127. 6rad/ s, 离开第一频率禁区。 进一步对二阶临界转速进行调整 , 当 K 1Ⅴ = 339000N/ m 时, 转子支承系统 各阶临界转速为: c1 = 96. 70r ad/ s, c 2 = 511. 65rad/ s, c 3 = 799. 65rad/ s, 皆离 开两个频率禁 区。进一步需对外转子同步的临界转速进行检查, 如落入禁区则再进行支承刚度的重新优化。 如此反复迭代直到完全满足要求为止。