大型汽輪發(fā)電機組軸系動靜態(tài)特性分析計算系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】大型汽輪發(fā)電機組軸系動靜態(tài)特性分析計算系統(tǒng)，本發(fā)明涉及汽輪發(fā)電機組軸系動靜態(tài)特性分析計算系統(tǒng)。本發(fā)明是要解決現(xiàn)有計算系統(tǒng)計算結(jié)果精度較低、工作效率低的問題。用于建立轉(zhuǎn)子力學模型的建模模塊；用于調(diào)用建模模塊的轉(zhuǎn)子力學模型數(shù)據(jù)和靜態(tài)分析模塊的軸承載荷和標高數(shù)據(jù)，計算軸承的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)和動力學系數(shù)，并存儲動力學系數(shù)的軸承分析模塊；用于調(diào)用建模模塊的轉(zhuǎn)子力學模型數(shù)據(jù)、靜態(tài)分析模塊的軸載荷數(shù)據(jù)以及軸承分析模塊的動力學系數(shù)，對轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速、不平衡響應和轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性進行分析的動態(tài)分析模塊；用于調(diào)用建模模塊的轉(zhuǎn)子力學模型數(shù)據(jù)通過軸承分析模塊與動態(tài)分析模塊進行前置計算的靜態(tài)分析模塊。本發(fā)明應用于大型汽輪機領(lǐng)域。
【專利說明】大型汽輪發(fā)電機組軸系動靜態(tài)特性分析計算系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及汽輪發(fā)電機組軸系動靜態(tài)特性分析計算系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)有技術(shù)存在的問題：在國內(nèi)關(guān)于汽輪機軸系動力學特性分析軟件領(lǐng)域尚處于空 白，主要原因是：對于簡單的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)大多以經(jīng)典轉(zhuǎn)子動力學理論為基礎(chǔ)，轉(zhuǎn)子模型被大規(guī) 模簡化，因此計算結(jié)果精度較低；由于計算分析人員的編程思路不同，同類軟件缺少相關(guān)行 業(yè)標準，準確性和計算效率參差不齊；另外，軟件集成化程度較低，只能針對一種機型或一 種計算類型，且操作界面往往比較復雜抽象，難以實現(xiàn)提高工作效率和大范圍應用。對于 復雜的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，國內(nèi)還缺少相應的計算方法，開發(fā)的軟件基本不能滿足該類型轉(zhuǎn)子系統(tǒng) 的動力學計算分析，因此通常要通過國外汽輪機制造商予以相關(guān)的技術(shù)支持或應用國外的 商業(yè)軟件進行計算分析。ANSYS和SAMCEF ROTOR等國外的商業(yè)軟件雖然可以計算復雜汽 輪發(fā)電機組軸系的動靜態(tài)動力學特性，且計算精度和計算效率較高，但該類型軟件內(nèi)缺少 汽輪機組轉(zhuǎn)子軸系的工程參數(shù)和經(jīng)驗參數(shù)，而且也并未設(shè)置這些參數(shù)的相關(guān)接口和載入方 式，二次開發(fā)存在很大的困難，軟件對汽輪機轉(zhuǎn)子缺少針對性，且缺少相應的行業(yè)標準對計 算結(jié)果進行評判。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明是要解決現(xiàn)有計算系統(tǒng)計算結(jié)果精度較低、工作效率低的問題，而提供了 大型汽輪發(fā)電機組軸系動靜態(tài)特性分析計算系統(tǒng)。
[0004] 大型汽輪發(fā)電機組軸系動靜態(tài)特性分析計算系統(tǒng)，它包括：
[0005] 用于建立轉(zhuǎn)子力學模型的建模模塊；
[0006] 用于調(diào)用建模模塊的轉(zhuǎn)子力學模型數(shù)據(jù)和靜態(tài)分析模塊的軸承載荷和標高數(shù)據(jù)， 然后根據(jù)雷諾方程計算軸承在等溫和變溫情況下的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)和動力學系數(shù)，并存儲動力學 系數(shù)的軸承分析模塊；
[0007] 用于調(diào)用建模模塊的轉(zhuǎn)子力學模型數(shù)據(jù)、靜態(tài)分析模塊的軸載荷數(shù)據(jù)以及軸承分 析模塊的動力學系數(shù)，對轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速、不平衡響應和轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性進行分析的動態(tài)分析 模塊；
[0008] 用于調(diào)用建模模塊的轉(zhuǎn)子力學模型數(shù)據(jù)通過軸承分析模塊與動態(tài)分析模塊進行 前置計算的靜態(tài)分析模塊。
[0009] 發(fā)明效果：
[0010] RDC系統(tǒng)基本介紹：
[0011] 大型汽輪發(fā)電機組軸系動靜態(tài)特性分析計算系統(tǒng)全稱Rotor Dynamics Calculation(RDC)，是一款基于X86平臺通用系統(tǒng)運行的單用戶單任務轉(zhuǎn)子動力學分析計 算系統(tǒng)，主要用于對大型汽輪發(fā)電機組進行各種工作特性計算、驗證及仿真。RDC系統(tǒng)具有 直觀的圖形控制界面以及方便靈活的操作方式，可以在各種符合系統(tǒng)要求的PC機上進行 全功能計算仿真。
[0012] 該系統(tǒng)可以針對所建立模型進行各種基于線性、非線性轉(zhuǎn)子動力學理論的數(shù)值分 析計算，計算結(jié)果數(shù)據(jù)既可以以圖形、數(shù)據(jù)表格等形式即時查看，也可以文本文件及圖片等 格式進行保存。本系統(tǒng)的仿真結(jié)果真實可靠，可以作為實際生產(chǎn)和設(shè)計的重要依據(jù)，基本可 以適用于現(xiàn)有各企業(yè)的實際生產(chǎn)設(shè)計需求。
[0013] (1)商業(yè)化程度高
[0014] 首先，軟件對用戶的輸入數(shù)據(jù)作了嚴格限定，而且設(shè)計了大量容錯功能以防止軟 件出錯崩潰，從根本上保證軟件運行的完整可靠。軟件性能經(jīng)過嚴格測試，在符合運行要求 的計算機平臺上完全可以正常進行仿真運算。同時軟件開發(fā)過程中預置開發(fā)接口，便于軟 件后續(xù)升級擴展，并提供了豐富全面的幫助功能，從而協(xié)助用戶使用和學習軟件。
[0015] (2)軟件功能全面
[0016] 本軟件所依據(jù)理論成果是轉(zhuǎn)子動力學領(lǐng)域已經(jīng)經(jīng)過大量實踐驗證的成熟理論成 果，借鑒了西屋等國際知名汽輪機制造商在汽輪機組軸系設(shè)計方面的大量工程參數(shù)，仿真 結(jié)果真實可靠，可以作為實際生產(chǎn)和設(shè)計的重要依據(jù)。于此同時，軟件建模功能內(nèi)置眾多汽 輪機組轉(zhuǎn)子-軸承結(jié)構(gòu)類型，可以對各種實際機組結(jié)構(gòu)進行快速建模；而且軟件計算功能 基本涵蓋有關(guān)機組重要安全性的各種計算，如靜態(tài)分析、軸承分析、動態(tài)分析等，同時具有 臨界轉(zhuǎn)速、不平衡響應、穩(wěn)定性分析等事關(guān)機組穩(wěn)定性的重要演算功能，且針對普通滑動軸 承軸承和可傾瓦軸承設(shè)計了專門的針對性計算模塊。基本可以適用于現(xiàn)有各企業(yè)的實際生 產(chǎn)設(shè)計需求。
[0017] (3)操作界面友好
[0018] 本軟件依托Qt開發(fā)平臺，同時吸取同類軟件在軟件界面上的成熟經(jīng)驗和設(shè)計模 式。相對于國內(nèi)同類軟件，本軟件具有高度人性化的操作界面，同時功能模塊劃分合理，菜 單區(qū)域排布科學，符合人機工程學原理。大大縮短了軟件用戶的學習周期并減少了使用時 的冗余操作，大大提高了軟件運行與使用效率。
[0019] RDC軟件的開發(fā)成功，填補了國內(nèi)在汽輪機軸系動力學特性計算與分析等旋轉(zhuǎn)機 械動力學設(shè)計領(lǐng)域軟件開發(fā)的空白。隨著RDC軟件應用的進一步推廣，軟件后續(xù)功能的添 加及相關(guān)理論水平的發(fā)展，該軟件必將對提高汽輪機相關(guān)制造企業(yè)及科研機構(gòu)的設(shè)計水平 及研發(fā)能力起到至關(guān)重要的作用，并最終在工程實際中占據(jù)著日益重要的地位。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020] 圖1是【具體實施方式】一中的RDC系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖；
[0021] 圖2是【具體實施方式】一中系統(tǒng)模塊組成與數(shù)據(jù)依賴關(guān)系圖；
[0022] 圖3是【具體實施方式】一中RDC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖即模塊間數(shù)據(jù)依賴關(guān)系示意圖；
[0023] 圖4是【具體實施方式】一中計算流程控制系統(tǒng)流程圖；
[0024] 圖5是【具體實施方式】二中建模模塊節(jié)點區(qū)域與所對應狀態(tài)；其中，A為正常節(jié)點， B為已修改的節(jié)點，C為鼠標指向的節(jié)點，D為已選中的節(jié)點；
[0025] 圖6是【具體實施方式】二中自定義材料類別編輯界面圖；
[0026] 圖7是【具體實施方式】三中靜態(tài)分析模塊功能結(jié)構(gòu)圖；
[0027] 圖8是【具體實施方式】六中重力撓度計算結(jié)果；
[0028] 圖9是【具體實施方式】六中單跨度軸段重力撓度曲線圖；
[0029] 圖10是【具體實施方式】六中外加載荷計算功能菜單結(jié)構(gòu)圖；
[0030] 圖11是【具體實施方式】六中軸承分析模塊功能結(jié)構(gòu)圖；
[0031] 圖12是【具體實施方式】七中設(shè)置軸承分析計算轉(zhuǎn)速圖；
[0032] 圖13是【具體實施方式】八中動態(tài)分析模塊功能結(jié)構(gòu)圖；
[0033] 圖14是【具體實施方式】八中臨界轉(zhuǎn)速結(jié)果數(shù)據(jù)依賴關(guān)系圖；
[0034] 圖15是【具體實施方式】八中不平衡響應結(jié)果數(shù)據(jù)依賴關(guān)系圖；
[0035] 圖16是【具體實施方式】六中不平衡響應計算參數(shù)定制界面圖；
[0036] 圖17是【具體實施方式】八中輔助功能模塊與核心計算功能關(guān)系圖；
[0037] 圖18是【具體實施方式】八中軟件主要界面分區(qū)圖。

【具體實施方式】

【具體實施方式】 [0038] 一：本實施方式的RDC系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：大型汽輪發(fā)電 機組軸系動靜態(tài)特性分析計算系統(tǒng)，它包括：
[0039] 用于建立轉(zhuǎn)子力學模型的建模模塊；
[0040]用于調(diào)用建模模塊的轉(zhuǎn)子力學模型數(shù)據(jù)和靜態(tài)分析模塊的軸承載荷和標高數(shù)據(jù)， 然后根據(jù)雷諾方程計算軸承在等溫和變溫情況下的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)和動力學系數(shù)，并存儲動力學 系數(shù)的軸承分析模塊；
[0041] 用于調(diào)用建模模塊的轉(zhuǎn)子力學模型數(shù)據(jù)、靜態(tài)分析模塊的軸載荷數(shù)據(jù)以及軸承分 析模塊的動力學系數(shù)，對轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速、不平衡響應和轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性進行分析的動態(tài)分析 模塊；
[0042] 用于調(diào)用建模模塊的轉(zhuǎn)子力學模型數(shù)據(jù)通過軸承分析模塊與動態(tài)分析模塊進行 前置計算的靜態(tài)分析模塊。
[0043]首先在用戶應用層，軟件用戶將轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征轉(zhuǎn)化為力學模型，將轉(zhuǎn)子系 統(tǒng)的幾何特征通過建模模塊、材料屬性通過模型屬性編輯器輸入到計算機中，輸入的模型 數(shù)據(jù)和屬性通過運行狀態(tài)監(jiān)視器實時反饋給軟件用戶；在數(shù)據(jù)交互層，計算機將建模模塊 和模型屬性編輯器中的數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)據(jù)文件，形成計算機語言，并存儲到后綴 為.in的機組模型文件中；在核心計算層，計算機對機組模型文件進行識別，導入到核心模 塊求解器進行力學計算，并對數(shù)據(jù)計算結(jié)果進行存儲；然后回到數(shù)據(jù)交互層將計算結(jié)果數(shù) 據(jù)由二進制編譯為十進制數(shù)據(jù)，存儲到.txt文件中；最終返回到用戶應用層，將.txt計算 結(jié)果文件導入到計算結(jié)果查看器中，提供給軟件用戶；
[0044] RDC系統(tǒng)通過二進制數(shù)據(jù)格式達到內(nèi)存映射等復雜軟件編程技術(shù)所達到的目標， 因此該系統(tǒng)采用三層結(jié)構(gòu)，分別為用戶應用層、數(shù)據(jù)交互層、核心計算層三個層次，各層次 間高度封裝，僅僅保留必要的交互接口；
[0045] 系統(tǒng)模塊組成與數(shù)據(jù)依賴關(guān)系圖如圖2所示：開發(fā)完成的RDC系統(tǒng)可以針對最多 由1000個軸段，20個軸承組成大型蒸汽輪機轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)進行建模與計算，模型文件可 以通過RDC程序可視化編輯界面反復編輯并修正各項參數(shù)，由于系統(tǒng)算法存在前后及數(shù)據(jù) 關(guān)系，各項功能模塊分布及數(shù)據(jù)依賴關(guān)系如圖2所示；
[0046] RDC程序計算過程中各部分計算功能間存在一定的數(shù)據(jù)依賴關(guān)系，即一種運算的 運行需要另一種運算所得出的計算結(jié)果作為輸入數(shù)據(jù)，因此整個系統(tǒng)各個模塊和功能間建 立了一套完整的系統(tǒng)運行順序和數(shù)據(jù)依賴關(guān)系，各模塊間基本數(shù)據(jù)依賴關(guān)系如圖3所示； RDC系統(tǒng)采用的是交互式可視化菜單結(jié)構(gòu)，所有功能菜單分類并排布在系統(tǒng)菜單結(jié)構(gòu)中，用 戶可以任意調(diào)用某一功能，因此如果用戶不按照流程順序調(diào)用計算功能，勢必導致計算無 法進行、結(jié)果錯誤或系統(tǒng)崩潰。因此該系統(tǒng)內(nèi)置了 一套流程控制系統(tǒng)對運算流程進行監(jiān)視， 并對用戶的非法操作給出合理提示，從而指導用戶按照合理運行流程完成系統(tǒng)運算，該機 制運行流程圖如圖4所示；
[0047] (1)當用戶有計算需求時，計算功能開始，若原模型文件未被修改，則進行選擇是 否進行前置運算，若對原模型文件進行了修改，則重置所有計算，再進行選擇是否進行前置 運算；
[0048] (2)前置運算需要振動具體的計算模塊，例如計算重力偏轉(zhuǎn)擾度則不需要前置計 算，而其他的運算都需要進行前置運算。若需要進行前置運算則要考慮，該運算是否已經(jīng)進 行，若已進行，則進入下一步流程，若未進行，則根據(jù)前置運算提示進行操作，并進入下一步 流程；
[0049] (3)前置運算后，用戶根據(jù)需求開始計算，首先軟件會對數(shù)據(jù)進行復制并備份，進 而調(diào)用底層計算程序RDC.dll進行有針對性的計算，將最終結(jié)果復制備份并導出，結(jié)束整 個計算流程。

【具體實施方式】 [0050] 二：本實施方式與一不同的是：所述轉(zhuǎn)子力學模型是 通過將等效剛度直徑及軸段質(zhì)量進行積木塊拼接的方法建立的轉(zhuǎn)子力學模型。
[0051] 在新建過程開始后，系統(tǒng)提供一個默認軸段，用戶以默認軸段為起點通過向前與 向后添加新軸段或軸承的操作來建立完整的轉(zhuǎn)子力學模型。
[0052] RDC系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子模型的建模操作主要由RDC系統(tǒng)主界面模型編輯顯示區(qū)、RDC系統(tǒng) 主界面屬性編輯器兩部分交互完成。在建模操作過程中，除以上兩區(qū)域外，對于模型軸段的 基本操作也需要菜單欄中建模工具欄的操作進行配合。
[0053] 標示出其所處的不同狀態(tài)，從而指示用戶完成建模操作。四種軸段與響應狀態(tài)對 照詳見圖5。
[0054] 轉(zhuǎn)子模型建模過程中，軸段（或稱轉(zhuǎn)子模型單元）的材料類型的是建模模塊必須 支持特性之一，因此在軸段屬性編輯器的基礎(chǔ)之上又額外開發(fā)了專門的材料屬性查看編輯 界面，用戶可以通過軟件主菜單欄進行調(diào)用，如圖6所示。
[0055] 該界面不但直觀顯示了 RDC軟件所支持的汽輪機組常用材料的各種物理特性，如 彈性模量、剪切模量、密度等，更支持用戶通過手動輸入以上物理特性從而添加新的材料并 參與計算。用戶添加新材料并成功保存后，用戶便可以在軸段屬性編輯器中將軸段材料設(shè) 置成自定義材料。
[0056] 其它步驟及參數(shù)與【具體實施方式】一相同。

【具體實施方式】 [0057] 三：本實施方式與一或二不同的是：所述建模模塊包 括等效模型的建立子模塊、載荷及邊界條件子模塊和數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換子模塊；
[0058] 所述等效模型的建立子模塊用于將轉(zhuǎn)子的幾何模型以轉(zhuǎn)子各軸段長度和剛度直 徑的形式進行?；?，轉(zhuǎn)化為力學模型，通過積木塊拼接的形式將各軸段連接在一起，建成整 根轉(zhuǎn)子，并將材料屬性賦給力學模型并且確定軸承位置和軸承尺寸；
[0059] 其中，所述等效模型中的剛度直徑應用45°法計算，該方法的具體步驟為：
[0060] (1)在轉(zhuǎn)軸與葉輪的突變位置處畫與導圓相切的45°線；
[0061] (2)兩條相交的45°線交點與軸對稱的相交的45°線交點連結(jié)為一線段，設(shè)其長 度為DINT ;
[0062] ⑶計算平均直徑 DAVE，公式為：DAVE1 = (D1+DINT)/2，DAVE2 = (D2+DINT)/2,式 中DAVEl為第一段平均直徑，DAVE2為第二段平均直徑，Dl表示葉輪前轉(zhuǎn)軸直徑，D2葉輪后 轉(zhuǎn)軸直徑；
[0063] (4)計算有效慣性矩，公式：LEFF1 = ((Il+IINT)/2+IAVEl)/2, LEFF2 = ((I2+IINT)/2+IAVE2)/2,11表示葉輪前轉(zhuǎn)軸慣性矩，12表示葉輪后轉(zhuǎn)軸慣性矩，IINT表示 45°交線截面慣性矩，IAVEl表示平均直徑DAVEl截面慣性矩，IAVE2表示平均直徑DAVE2 截面慣性矩；
[0064] (5)計算等效剛度直徑：DEFFl = ((64) (IEFFl)/ )a25, DEFF2 = ((64) (IEFF2)/ Ji)0-25 ；
[0065] 轉(zhuǎn)子的力學模型就是通過一系列的等效剛度直徑及各段轉(zhuǎn)軸長度利用傳遞矩陣 法構(gòu)成的；
[0066] 所述載荷及邊界條件子模塊用于將不平衡力和局部進氣載荷施加到某個或某些 軸段位置并且確定軸承座、軸承以及轉(zhuǎn)子在軸頸位置的邊界條件；
[0067] 所述數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換子模塊用于將輸入的轉(zhuǎn)子和軸承的模型數(shù)據(jù)、材料屬性、載荷 和邊界條件以數(shù)字表格形式存儲和輸出，以供隨時瀏覽和后續(xù)計算分析。
[0068] 所述等效模型的建立模塊作為系統(tǒng)工作的起始，即在做各種力學分析之前，先要 通過等效模型的建立模塊將外在的幾何模型轉(zhuǎn)化為計算機語言進行輸入；載荷及邊界條件 模塊是在建立了模型之后，在模型的某一或某些位置施加特殊的處理，來等效轉(zhuǎn)子在實際 工程中所承受的載荷和邊界條件；數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化模塊在模型建立模塊和載荷邊界條件模塊 工作時，將所輸入的數(shù)據(jù)進行同步轉(zhuǎn)化并進行存儲。
[0069] 首先要應用等效模型的建立子模塊來建立轉(zhuǎn)子的力學模型，然后應用載荷及邊界 條件子模塊將轉(zhuǎn)子所受的載荷和邊界條件施加到轉(zhuǎn)子力學模型中，最后應用數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換 子模塊將轉(zhuǎn)子力學模型、載荷及邊界條件轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)格式文件。
[0070] 在該模塊中，轉(zhuǎn)子的邊界條件設(shè)置為：懸臂端邊界條件設(shè)置為自由，即自由端彎矩 和剪力都為〇 ;軸承處的軸段若為彈性支承，則邊界條件設(shè)置為彈簧一阻尼支承，即軸段的 剪力與支承彈性反力平衡，力矩與彈性反力矩平衡；軸承處的軸段若為剛性支承，則邊界條 件設(shè)置為簡支，即簡支處轉(zhuǎn)軸的撓度和彎矩為零；
[0071] 在該模塊中不平衡力通過不平衡量和加載相位控制，不平衡量=不平衡量值*距 軸心距離，加載相位表示不平衡量在圓周方向的加載角度；
[0072] 局部進氣載荷的施加與不平衡力的施加相類似，也是通過局部進氣載荷的大小與 加載相位控制的，局部進氣載荷分為兩部分，即局部進氣切向力和局部進氣轉(zhuǎn)軸彎矩，局部 進氣切向力表示為Ft，計算公式為：Ft = BKW(2 (1-cos (a)))°_ V(Ra)，式中B表示比例常數(shù)， KW表示調(diào)節(jié)級功率，a表示所開調(diào)節(jié)閥角度，R表示調(diào)節(jié)級轉(zhuǎn)動葉片有效半徑。局部進氣轉(zhuǎn) 軸彎矩表示為1計算公式為通=?(01 3-023)(2(1-(：〇8(&)))°_ 5/24，式中01表示調(diào)節(jié)級轉(zhuǎn) 子葉片外直徑，D2表示噴嘴下汽封直徑，P表示調(diào)節(jié)級進氣壓差；
[0073] 其它步驟及參數(shù)與【具體實施方式】一或二相同。

【具體實施方式】 [0074] 四：本實施方式與一至三之一不同的是：靜態(tài)分析模 塊功能結(jié)構(gòu)圖如圖7所示；所述靜態(tài)分析模塊是根據(jù)轉(zhuǎn)子力學模型軸承處的邊界條件，應 用傳遞矩陣法計算轉(zhuǎn)子重力擾度、耦合間隙、不對中度、高周疲勞和外載荷，并存儲軸承載 荷和標商數(shù)據(jù)；
[0075] 靜態(tài)分析模塊包括重力偏轉(zhuǎn)擾度計算子模塊、耦合間隙計算子模塊、不對中度計 算子模塊、外載荷計算子模塊和高周疲勞計算子模塊；
[0076] 所述重力偏轉(zhuǎn)擾度計算子模塊包括計算重力偏轉(zhuǎn)模塊、繪制單跨度重力偏轉(zhuǎn)模塊 和選擇并調(diào)整基準軸承模塊；
[0077] 所述重力偏轉(zhuǎn)擾度計算模塊負責計算轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在重力作用下各支承軸承位置的 軸承標高、支反力和名義壓力；計算轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在重力作用下各軸承跨之間對應軸段的最大 偏轉(zhuǎn)撓度和力矩；計算轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在重力作用下各軸段的位置、力矩、剪力、位移和斜度；在 RDC系統(tǒng)中簡化用戶操作的角度設(shè)計，RDC系統(tǒng)載入已經(jīng)建立好的轉(zhuǎn)子模型，然后通過重力 撓度計算模塊即可調(diào)用，計算完成后運算結(jié)果會統(tǒng)一顯示在系統(tǒng)彈出的計算結(jié)果查看界面 中；
[0078] 其中，所述重力偏轉(zhuǎn)撓度計算采用的方法原理為：
[0079] 考慮第n個轉(zhuǎn)子軸段，根據(jù)力與力矩的平衡方程可知
[0080] (^ = -pAg ( 1 ) = K' (2 ) dz oz
[0081] 式中Vx為剪力、z為軸向位置、P為材料密度、A為轉(zhuǎn)軸截面面積，Mx為轉(zhuǎn)軸截面 彎矩；根據(jù)幾何關(guān)系和彎曲理論可知： V
[0082] 9 = -- + - (3) a GA dz
[0083] MEIc^- (4) oz
[0084] 式中0為轉(zhuǎn)角、a為泊松比、G為剪切模量、x為彎曲方向位移、E為彈性模量、I 為截面慣性矩；
[0085] 根據(jù)方程（1)和（4)聯(lián)力可得該軸段的運動微分方程為：
[0086] ^4 + ^ = 0 (5) dz4 El
[0087] 通過解方程（5)，可以得到該軸段的位移函數(shù)：
[0088] A1+-^^z4 + -C,z3+-Cz2+Cz + C4 =0 (6) 24 EI 6 1 2 2 3 4
[0089] 將方程（6)帶入到⑵⑶⑷中，可以得到Mx，Vx和0的表達式；
[0090] 由于轉(zhuǎn)子在軸承處的邊界條件為已知，從而可以遞推出各軸段的常數(shù)C1, C2, (：3和 C4 ；
[0091] 通過以上方法進行編程可以得到轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在重力作用下各軸段的位置、力矩、剪 力、位移和斜度；
[0092] 所述耦合間隙計算子模塊在給定關(guān)聯(lián)間隙軸段、半徑、所處位置時，將軸承標高模 式設(shè)置為理想軸承標高，可計算連接間隙、位移以及各軸承的理想標高值和實際標高值；將 軸承標高模式設(shè)置為實際標高模式時，可以算出軸承處于實際標高情況下的聯(lián)軸器張口和 錯位值；
[0093] 其中，所述計算理想軸承標高時采用的準則是在該標高情況下，軸頸處的彎矩為 〇,因此可確保整個軸系曲線為連續(xù)可微狀態(tài)，采用的具體原理為：
[0094] (1)首先固定起始的兩個軸承標高為0基點；
[0095] (2)應用下列方程計算第3個軸承以后（包含第三個）的軸承標高

【權(quán)利要求】
1. 大型汽輪發(fā)電機組軸系動靜態(tài)特性分析計算系統(tǒng)，其特征在于它包括： 用于建立轉(zhuǎn)子力學模型的建模模塊； 用于調(diào)用建模模塊的轉(zhuǎn)子力學模型數(shù)據(jù)和靜態(tài)分析模塊的軸承載荷和標高數(shù)據(jù)，然后 根據(jù)雷諾方程計算軸承在等溫和變溫情況下的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)和動力學系數(shù)，并存儲動力學系數(shù) 的軸承分析模塊； 用于調(diào)用建模模塊的轉(zhuǎn)子力學模型數(shù)據(jù)、靜態(tài)分析模塊的軸載荷數(shù)據(jù)以及軸承分析 模塊的動力學系數(shù)，對轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速、不平衡響應和轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性進行分析的動態(tài)分析模 塊； 用于調(diào)用建模模塊的轉(zhuǎn)子力學模型數(shù)據(jù)通過軸承分析模塊與動態(tài)分析模塊進行前置 計算的靜態(tài)分析模塊。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大型汽輪發(fā)電機組軸系動靜態(tài)特性分析計算系統(tǒng)，其特征在 于所述轉(zhuǎn)子力學模型是通過將等效剛度直徑及軸段質(zhì)量進行積木塊拼接的方法建立的轉(zhuǎn) 子力學模型。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的大型汽輪發(fā)電機組軸系動靜態(tài)特性分析計算系統(tǒng)，其特征在 于所述建模模塊包括等效模型的建立子模塊、載荷及邊界條件子模塊和數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換子模 塊； 所述等效模型的建立子模塊用于將轉(zhuǎn)子的幾何模型以轉(zhuǎn)子各軸段長度和剛度直徑的 形式進行?；?，轉(zhuǎn)化為力學模型，通過積木塊拼接的形式將各軸段連接在一起，建成整根轉(zhuǎn) 子，并將材料屬性賦給力學模型并且確定軸承位置和軸承尺寸； 其中，所述等效模型中的剛度直徑應用45°法計算，該方法的具體步驟為： (1) 在轉(zhuǎn)軸與葉輪的突變位置處畫與導圓相切的45°線； (2) 兩條相交的45°線交點與軸對稱的相交的45°線交點連結(jié)為一線段，設(shè)其長度為 DINT ； (3) 計算平均直徑 DAVE，公式為：DAVE1 = (Dl+DINT)/2, DAVE2 = (D2+DINT)/2,式中 DAVEl為第一段平均直徑，DAVE2為第二段平均直徑，Dl表示葉輪前轉(zhuǎn)軸直徑，D2葉輪后轉(zhuǎn) 軸直徑； ⑷計算有效慣性矩，公式=LEFFl = ((Il+IINT)/2+IAVEl)/2, LEFF2 = ((I2+IINT)/2+IAVE2)/2,11表示葉輪前轉(zhuǎn)軸慣性矩，12表示葉輪后轉(zhuǎn)軸慣性矩，IINT表示 45°交線截面慣性矩，IAVEl表示平均直徑DAVEl截面慣性矩，IAVE2表示平均直徑DAVE2 截面慣性矩； (5)計算等效剛度直徑：DEFFl =( (64) (IEFFl) / π )α 25, DEFF2 =( (64) (IEFF2) / Ji)0-25 ； 轉(zhuǎn)子的力學模型就是通過一系列的等效剛度直徑及各段轉(zhuǎn)軸長度利用傳遞矩陣法構(gòu) 成的； 所述載荷及邊界條件子模塊用于將不平衡力和局部進氣載荷施加到某個或某些軸段 位置并且確定軸承座、軸承以及轉(zhuǎn)子在軸頸位置的邊界條件； 所述數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換子模塊用于將輸入的轉(zhuǎn)子和軸承的模型數(shù)據(jù)、材料屬性、載荷和邊 界條件以數(shù)字表格形式存儲和輸出，以供隨時瀏覽和后續(xù)計算分析。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的大型汽輪發(fā)電機組軸系動靜態(tài)特性分析計算系統(tǒng)，其特征在 于所述靜態(tài)分析模塊是根據(jù)轉(zhuǎn)子力學模型軸承處的邊界條件，應用傳遞矩陣法計算轉(zhuǎn)子重 力擾度、耦合間隙、不對中度、高周疲勞和外載荷，并存儲軸承載荷和標高數(shù)據(jù)； 靜態(tài)分析模塊包括重力偏轉(zhuǎn)擾度計算子模塊、耦合間隙計算子模塊、不對中度計算子 模塊、外載荷計算子模塊和高周疲勞計算子模塊； 所述重力偏轉(zhuǎn)擾度計算子模塊包括計算重力偏轉(zhuǎn)模塊、繪制單跨度重力偏轉(zhuǎn)模塊和選 擇并調(diào)整基準軸承模塊； 所述重力偏轉(zhuǎn)擾度計算模塊負責計算轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在重力作用下各支承軸承位置的軸承 標高、支反力和名義壓力；計算轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在重力作用下各軸承跨之間對應軸段的最大偏轉(zhuǎn) 撓度和力矩；計算轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在重力作用下各軸段的位置、力矩、剪力、位移和斜度；在RDC系 統(tǒng)中簡化用戶操作的角度設(shè)計，RDC系統(tǒng)載入已經(jīng)建立好的轉(zhuǎn)子模型，然后通過重力撓度計 算模塊即可調(diào)用，計算完成后運算結(jié)果會統(tǒng)一顯示在系統(tǒng)彈出的計算結(jié)果查看界面中； 其中，所述重力偏轉(zhuǎn)撓度計算采用的方法原理為： 考慮第η個轉(zhuǎn)子軸段，根據(jù)力與力矩的平衡方程可知
式中Vx為剪力、ζ為軸向位置、P為材料密度、A為轉(zhuǎn)軸截面面積，Mx為轉(zhuǎn)軸截面彎矩； 根據(jù)幾何關(guān)系和彎曲理論可知：
式中Θ為轉(zhuǎn)角、α為泊松比、G為剪切模量、X為彎曲方向位移、E為彈性模量、I為截 面慣性矩； 根據(jù)方程（1)和（4)聯(lián)力可得該軸段的運動微分方程為：
通過解方程（5)，可以得到該軸段的位移函數(shù)：
將方程（6)帶入到（2) (3) (4)中，可以得到Mx，Vx和Θ的表達式； 由于轉(zhuǎn)子在軸承處的邊界條件為已知，從而可以遞推出各軸段的常數(shù)C1, C2, CjP C4 ;通 過以上方法進行編程可以得到轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在重力作用下各軸段的位置、力矩、剪力、位移和斜 度； 所述耦合間隙計算子模塊在給定關(guān)聯(lián)間隙軸段、半徑、所處位置時，將軸承標高模式設(shè) 置為理想軸承標高，可計算連接間隙、位移以及各軸承的理想標高值和實際標高值；將軸承 標高模式設(shè)置為實際標高模式時，可以算出軸承處于實際標高情況下的聯(lián)軸器張口和錯位 值； 其中，所述計算理想軸承標高時采用的準則是在該標高情況下，軸頸處的彎矩為0,因 此可確保整個軸系曲線為連續(xù)可微狀態(tài)，采用的具體原理為： (1) 首先固定起始的兩個軸承標高為0基點； (2) 應用下列方程計算第3個軸承以后（包含第三個）的軸承標高
式中Yk表示軸承的堅直方向坐標，即軸承標高；Xk表示軸承軸向坐標；Θ i表示單跨轉(zhuǎn) 子的轉(zhuǎn)角；Ylrt和Xlrt表示前一個軸承的堅直方向坐標和軸向坐標；1表示單跨轉(zhuǎn)子的長度 含懸臂端，k表示第k個軸承，且k彡3 ; 聯(lián)軸器張口和錯位值的計算原理是：設(shè)定軸系中的前兩個軸承為〇基準軸承，對后面 的軸承和轉(zhuǎn)子進行平移和旋轉(zhuǎn)，當達到前面計算得到的軸承標高值時，得到的聯(lián)軸器之間 的夾角和聯(lián)軸器中心距離即為聯(lián)軸器張口和錯位值； 所述不對中度計算子模塊包括理想標高變化的響應模塊和計算標高矩陣模塊； 其中，所述不對中度計算子模塊在對轉(zhuǎn)子不對中度計算時，主要對比軸承標高相對于 理想標高變化時軸承的載荷變化，計算結(jié)果通過Imil矩陣進行描述，即某軸承升高Imil時 各軸承載荷發(fā)生的變化； 計算公式與重力偏轉(zhuǎn)撓度的計算公式相同； 所述外載荷計算模塊包括計算外載荷模塊、查看支撐反力結(jié)果模塊、查看位移結(jié)果模 塊和查看力矩結(jié)果模塊； 其中，所述外載荷計算模塊主要包含兩部分計算內(nèi)容，即不平衡量計算和局部進氣載 荷計算，不平衡量分為殘余不平衡量和自定義不平衡量的添加，其中殘余不平衡量的計算 公式為： W = 1.25 XIO 5^Jmr2 sfm，式中W表不殘余不平衡量，單位是LB-IN，m表不軸段質(zhì) 量，r表示慣性半徑；自定義不平衡量可根據(jù)不平衡量的實際情況自由添加； 所述外加載荷計算子模塊用于在模型特定軸段被施加某些自定義軸段載荷的狀態(tài)下， 計算軸承的支反力、位移及力矩；計算各軸段的集中應力系數(shù)、應力峰值、模態(tài)耐久強度和 安全系數(shù)高周疲勞參數(shù)，主要含有一個核心計算功能及三個相關(guān)的結(jié)果查看功能；計算功 能是計算外加載荷模塊，用來計算局部進汽載荷；三個相關(guān)的查看功能分別為：查看軸承 反力結(jié)果、查看位移結(jié)果、查看力矩結(jié)果，主要的功能是轉(zhuǎn)子在承受局部進汽載荷情況下， 計算出軸承反力軸承反力、位移和力矩，并存儲為文本格式用于隨時查看； 所述高周疲勞計算子模塊在系統(tǒng)已經(jīng)完成重力偏轉(zhuǎn)計算、理想標高變化的響應計算及 外加載荷計算作為可選參數(shù)參與計算的情況下計算軸承的支反力、位移及力矩；計算各軸 段的集中應力系數(shù)、應力峰值、模態(tài)耐久強度和安全系數(shù)高周疲勞參數(shù)； 其中，所述高周疲勞計算模塊采用的原理是：考慮轉(zhuǎn)子所承受的穩(wěn)定載荷和振動載荷 的聯(lián)合作用，轉(zhuǎn)子中的一微小單元所受的八面體剪應力為：
式中σ表示各個方向的正應力，τ表示各方向的剪應力； 3 當量應力公式為：σ0=ιΓΩ。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的大型汽輪發(fā)電機組軸系動靜態(tài)特性分析計算系統(tǒng)，其特征在 于所述軸承分析模塊包括選擇潤滑油子模塊、選擇軸承加載情況子模塊、查看穩(wěn)態(tài)結(jié)果子 模塊、查看動力學系數(shù)結(jié)果子模塊和技術(shù)軸承性能子模塊； 選擇潤滑油子模塊可供選擇的潤滑油類型為：輕質(zhì)汽輪機油、2190Τ潤滑油，以及可以 根據(jù)潤滑油密度、粘度、比熱容和電導率自定義潤滑油類型； 選擇軸承加載狀況子模塊包括的加載狀況包括：理想重力撓度、軸承最大載荷、實際軸 承標高、外加載荷狀況，另外還可根據(jù)轉(zhuǎn)子不對中分布或軸承反力自定義軸承加載狀況； 查看穩(wěn)態(tài)結(jié)果子模塊中可以查看的內(nèi)容包括：軸承載荷、載荷角度、油膜最小厚度、軸 承油流量、軸承損耗及瓦溫內(nèi)容； 查看動力學系數(shù)子模塊可以查看的內(nèi)容為：不同轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速情況下的水平、堅直及交叉 剛度和阻尼系數(shù)； 所述選擇潤滑油子模塊用于在常粘度溫熱分析與熱彈性流體動力學分析中，用戶自由 選擇常用的潤滑油類型及自定義具有特別性質(zhì)的潤滑油類型； 所述選擇軸承加載情況子模塊用于選擇的軸承加載情況包含：軸承最大載荷、理想重 力擾動、實際支承標高、外加載荷、定義不對中分布和輸入支承反力情況。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的大型汽輪發(fā)電機組軸系動靜態(tài)特性分析計算系統(tǒng)，其特征在 于所述動態(tài)分析模塊包括橫向臨界轉(zhuǎn)速計算子模塊、技術(shù)動力學系數(shù)子模塊、穩(wěn)定性分析 子模塊與不平衡響應子模塊； 所述橫向臨界轉(zhuǎn)速計算子模塊是在選擇給定各種軸承剛度數(shù)據(jù)的情況下，計算軸系各 階模態(tài)的固有頻率；計算軸承和支承剛度變化、轉(zhuǎn)子質(zhì)量變化、轉(zhuǎn)子剛度變化對各階模態(tài)的 固有頻率的敏感性分析； 所述橫向臨界轉(zhuǎn)速計算子模塊包括輸入軸承數(shù)據(jù)模塊、計算固有頻率模塊、敏感性分 析模塊、頻率檢查模塊和繪制模態(tài)形狀模塊； 其中，所述橫向臨界轉(zhuǎn)速計算子模塊的原理為：第i個單元的運動微分方程為：
式中Hii表示第i個單元的質(zhì)量，Ci表示第i個單元的阻尼，Ici表示第i個單元的剛度， X1表示第i個單元的廣義位移，f1表示力的矢量； 假設(shè)方程的解為： Qi = {xJeJMt (2) Fi = IfJejwt 這里= A，ω為轉(zhuǎn)子角速度，t為時間變量； 將式⑵帶入到式⑴中，可以得到：
其他單元也都有類似的動力學方程，通過上述平率方程可解出橫向臨界轉(zhuǎn)速及相應的 模態(tài)振型； 所述敏感性分析模塊包括軸承/支撐剛度影響模塊、轉(zhuǎn)子質(zhì)量影響模塊和轉(zhuǎn)子剛度影 響模塊； 其中，所述敏感性分析模塊的原理是自定義上面公式中（3)中系數(shù)m、k，即質(zhì)量和剛 度，進而重新計算臨界轉(zhuǎn)速和模態(tài)振型； 所述不平衡響應子模塊包括計算不平衡影響模塊、繪圖選項模塊和編輯不平衡數(shù)據(jù)模 塊；所述不平衡影響子模塊即在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)、不同轉(zhuǎn)速下，計算各軸承處、軸段的位移、 相位和力響應，同時為了直觀顯示位移、相位和受力變化，提供了大量圖形處理功能，采用 通用的圖形輸出輔助模塊將以上文本計算結(jié)果轉(zhuǎn)化為直觀圖片進行輸出； 其中，所述不平衡響應模塊的計算原理為： 假設(shè)第i個節(jié)點有如下關(guān)系 (1) 式中[Si]為RICCATI矩陣，{RJ為RICCATI矢量，并且S和R為已知的初始條件； 將方程（1)帶入到運動微分方程中得到的結(jié)果為： [a{i+Si]Qi+a[1QM=F iL+FiR-Rl ⑵ aIlQi ^220+1 - ^+1 這里α? =-+ i;其他單元與上述公式類似； 可得： Qi - _a\i+S1 ^ [Fi-Ri]- a[2Qj+1 (3) 這里Fi = #+以，根據(jù)方程⑵和（3)，可以得到
方程（4)與方程（1)有相同的形式； 在起始單元段，初始條件為已知，因此可以通過傳遞矩陣計算后面的單元節(jié)點； 因此通過這種方法計算轉(zhuǎn)子軸系的殘余不平衡響應； 所述技術(shù)動力學系數(shù)子模塊作為整個動態(tài)分析模塊的主要參數(shù)定制功能，既可以針 對單獨轉(zhuǎn)速進行設(shè)定，也可以針對多個轉(zhuǎn)速進行設(shè)定，動力學系數(shù)所需參數(shù)有轉(zhuǎn)速、剛度系 數(shù)、阻尼系數(shù)，用戶可以以轉(zhuǎn)速為索引輸入若干轉(zhuǎn)速下的動力學參數(shù)，在進行相應轉(zhuǎn)速運算 且系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)啟用時，以上參數(shù)將會參與以下動力學計算，并且以上參數(shù)將隨模型文件 保存； 所述穩(wěn)定性分析子模塊用于計算軸系在不同轉(zhuǎn)速下的穩(wěn)定性，包括在不同轉(zhuǎn)速下，不 同模態(tài)階數(shù)下轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的對數(shù)衰減率和Q因子； 其中，所述對數(shù)衰減率的計算原理為：相鄰兩個振幅之比取對數(shù)即為對數(shù)衰減率； Q因子又稱為品質(zhì)系數(shù)，計算原理為：
式中Ntl表示共振峰值時的轉(zhuǎn)速， N1和N2表示振幅為0. 707峰值時的前后兩個轉(zhuǎn)速。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的大型汽輪發(fā)電機組軸系動靜態(tài)特性分析計算系統(tǒng)，其特征在 于所述前置計算具體包括：軸承分析模塊需要靜態(tài)分析模塊中的轉(zhuǎn)子外載荷、轉(zhuǎn)子撓度、彎 矩和剪力、軸承支反力、標高及聯(lián)軸器張口錯位的計算結(jié)果； 動態(tài)分析模塊需要靜態(tài)分析模塊中的轉(zhuǎn)子外載荷、轉(zhuǎn)子撓度、彎矩和剪力、軸承支反 力、標高及聯(lián)軸器張口錯位的計算結(jié)果以及軸承分析模塊中的軸承穩(wěn)態(tài)系數(shù)及動力學系數(shù) 計算結(jié)果。
【文檔編號】G06F17/50GK104376157SQ201410610203
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年11月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月3日
【發(fā)明者】魏軍, 王穎, 崔常亮, 雒興剛, 李東峰, 于磊, 初世明 申請人:哈爾濱汽輪機廠有限責任公司