高炉鼓风透平动力同轴机组的扭振分析计算

[摘 要]高炉鼓风透平动力同轴机组转系由多转子构成，对机组进行了轴系的扭转固有频率分析及扭转振动分析，以确保机组安全稳定地运行。

[关键词]轴流透平同轴机组；机组轴系；扭转固有频率；扭转振动

中图分类号：TF54 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）15-0057-01

0 引言

高炉鼓风透平动力同轴机组在满足高炉供风工艺需要的同时，又能利用同轴透平膨胀机把高炉煤气的余压余热，转换为旋转机械能，通过超越离合器直接传递给压缩机的轴端，从而降低电机出力，达到能量回收的目的。该机组将TRT及高炉用压缩机组进行简化合并，取消了TRT的发电机及相关的发配电系统，整合了机组的油系统、控制油系统、自动控制系统等[1]。

机组由电动机+变速机+轴流压缩机+超越离合器+透平膨胀机组成，对于这种多转子构成的电驱机组，根据API617-2002[2]的要求，需对机组进行扭转振动分析，以避免因扭转振动过大造成联轴器断裂、轮齿及主轴破坏等现象。本文以一个实际的高炉鼓风透平动力同轴机组为例，进行机组的扭转振动分析，以此作为确保机组安全稳定运行的一个重要手段。

1 扭振分析实例

为高炉配套的某高炉鼓风透平动力同轴机组，电动机与变速机大齿轮之间通过膜片联轴器相连，该低速轴转速为1494r/min；轴流压缩机、超越离合器与透平膨胀机之间互相通过膜片联轴器连接，高速轴转速为6233r/min，电动机功率为11500kW，膨胀机功率为5620kW。在机组运转初始，由于没有高炉煤气，电动机独立驱动轴流压缩机组；在运转过程中产生高炉煤气后，由电动机与膨胀机联合驱动轴流压缩机组。根据机组各组部的转子初步设计图，建立机组轴系模型，并根据各联轴器的数据进行整个机组的扭转震动分析。

2 轴系扭转固有频率分析

该节为轴系的无阻尼扭转固有频率分析结果，结果包括轴系无阻尼扭转固有频率，Campbell图以及扭转振型图。轴系无阻尼自然扭转频率如表1所示。Campbell图如图1所示。

表1 轴系无阻尼自然扭转频率表

Campbell图中的横坐标代表电机轴转子额定转速的百分比，纵坐标代表频率[3]，轴系的各阶固有频率由图中水平实线表示。大齿轮+电机转子额定转速的一次谐波和二次谐波由图中实斜线表示，膨胀机+离合器+轴流压缩机+小齿轮轴转子额定转速的一次谐波和二次谐波由图中虚斜线表示。相邻转速的±10%裕度线由两条垂直的虚线表示，垂直的实线表示的是机组轴系额定转速。

3 扭转振动分析

由Campbell图可以看出，转子的二次谐波线在运转速度±10%区域范围内与第三阶和第四阶无阻尼自然频率相交，反应出该轴系在运转速度下发生第三阶和第四阶扭转共振。根据API标准，需对该轴系进行扭转应力分析，以确保轴系在共振情况下不会受到影响。转子扭转共振校核表如表2所示。

表2 转子扭转共振校核表

3.1 第三阶扭转共振情况下的扭应力分析

在轴系扭转应力分析过程中，以第三阶无阻尼自然扭转频率作为激振频率：5770.5r/min=603.9rad/s=96.16Hz。第三阶扭转共振情况下机组轴系的扭应力分布图如图2所示。

3.2 第四阶扭转共振情况下的扭应力分析

在轴系扭转应力分析过程中，以第四阶无阻尼自然扭转频率作为激振频率：5840.5r/min=612.2rad/s=97.49Hz。第四阶扭转共振情况下机组轴系的扭应力分布图如图3所示。

3.3 联轴器扭矩校核

各联轴器扭转共振校核表如表3所示。从表中可知，在各阶共振情况下，联轴器处的实际交变扭矩小于联轴器的许用交变扭矩。

4 结论

根据转子扭转共振校核及轴系扭转应力分析的校核结果表明，本文介绍的轴流透平动力同轴机组的扭振分析结果通过了API判定标准，机组的轴系及联轴器设计满足扭转振动分析要求，为机组安全稳定运行提供了技术保证。

参考文献

[1] 徐秋敏，张士超等.1080m3高炉BPRT工程设计应用.冶金能源.2012（6）

[2] API Standard 617，Seventh Edition. Axial and Centrifugal Compressor and Expander-Compressor for Petroleum，Chemical and Gas Industry Services.

[3] 离心压缩机扭振分析与联轴器选型.风机技术.2014 Z1