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蒸気タービンは、シャフトが必要なトルクを伝達するのに十分な強度がある場合でも、加速中に顕著な振動応答を示すことがあります。考慮されていないのはローターのダイナミクス、つまりタービン シャフト、取り付けられた質量、ベアリング、サポートがどのように一緒に動くかということです。臨界速度は、励起が横方向ローター モードと強く相互作用する可能性がある速度領域を特定します。故障速度や最大動作速度は自動的に識別されません。この違いを理解することは、エンジニアが動作範囲を評価し、振動を調査し、交換用コンポーネントを評価するのに役立ちます。重要な入力は、システムの剛性、質量分布、ベアリングの動作、励振、および減衰です。
横方向の臨界速度は、特定の励起に対するローター ベアリング システムの共振応答に関連する回転速度です。同期不平衡励起の場合、回転周波数が関連する横方向の旋回モード周波数と一致する場所が一般的に識別され、一貫した基準フレームで解釈されます。
タービン シャフトにはいくつかの横方向の曲げモードがあり、それぞれに独自の変形パターンがあります。回転速度が変化すると、ジャイロ効果と速度依存のサポート特性によってモード周波数が変化する可能性があります。したがって、実際の回転子は、常に 1 つの固定固有振動数と 1 つの臨界速度で表されるわけではありません。
応答の重大度は、励起がモードに結合する強さ、利用可能な減衰、および測定場所によって異なります。予測された周波数交差により、潜在的な共振状態が特定されます。強制応答解析により、予想される振幅と位相の動作が確立されます。減衰された応答のピークは、理想的な減衰されていない交差とは異なる速度で発生する可能性があります。
この議論は、ローターの横方向の挙動に関するものです。ねじりモードにはシャフト列に沿った相対的な角運動が含まれますが、ブレード モードには異なる構造運動が含まれます。これらには独自の励起と共振の評価が必要です。すべての振動ピークを同じ種類の臨界速度として扱うと、調査が間違った方向に進む可能性があります。
実効曲げ剛性が高くなると、質量と支持条件が同程度の場合、モードの固有振動数が高くなる傾向があります。有効モード質量が大きくなると、それが低下する傾向があります。簡略化されたシングルモード表現の場合、関係は f n ≈ (1/2π)√(k eff /m eff ) です。
この用語はモーダル量であり、単にローターの総重量と 1 つのカタログ剛性値ではありません。素材がどこに置かれるかが重要です。モーダル変位の高い領域近くの重い円盤は、ノード近くの同じ追加質量よりも強く 1 つのモードに影響を与える可能性があります。カップリングハブ、ブレード列、カラー、その他のローターの特徴はすべて、モデル化された質量と慣性分布に寄与します。
中実の円形断面の場合、曲げの断面二次モーメントは I = πd 4/64 です。これは、ねじりで使用される極二次モーメントとは異なります。直径を大きくすると曲げ剛性が大幅に向上しますが、質量も増加し、回転慣性も変化します。正味のモーダル効果は、タービン シャフトが拡大される場所と、どのモードが考慮されているかによって異なります。
理想的な均一で単純に支持された梁は、有益な直観を与えます。その曲げ周波数は √[EI/(ρA)]/L² でスケールされます。固定された材料と幾何学的に均一な固体セクションの場合、これは直径と長さの二乗の傾向を示唆しています。実際のステップローターには、集中質量、柔軟なサポート、ジャイロ効果、および潜在的に重要なせん断変形があるため、この傾向はタービンの臨界速度の予測ではありません。
材料の置き換えにも注意が必要です。より強い鋼は、弾性率を比例的に増加させることなく、応力マージンを向上させることができます。強度のアップグレードは、共振を動作範囲から遠ざけると想定すべきではありません。
ベアリングとその支持構造は、タービン シャフトがどのように拘束されるかを定義します。ベアリングのスパンは曲げの柔軟性とモード形状を変化させますが、ベアリングの剛性と減衰はモーダル動作と振動応答の両方に影響します。
一般に、サポートされていないスパンが長いほど、同等のシャフトの柔軟性が高くなります。ただし、ベアリングを移動すると、オーバーハング、反力、重いローターセクションとサポートの関係も変化します。特定のモードでの結果として生じる変化は、スパンのみから推測するのではなく、修正されたジオメトリを使用して計算する必要があります。
動圧ジャーナルベアリングは油膜を介してローターを支持します。その有効な剛性と減衰は、回転速度やベアリング負荷などの動作条件によって異なります。クリアランス、潤滑剤の粘度、温度もベアリングの評価に含まれます。実際の油膜サポートが柔軟な場合、固定サポートを仮定すると重要な動作が見逃される可能性があります。
エンジニアは通常、直接および相互結合された剛性および減衰係数を使用して、ジャーナル平衡位置付近の小さな動きを表現します。この線形近似には限界があります。大きな偏位または強い非線形条件では、より詳細なモデルが必要になる場合があります。有用なダンピングは共振の増幅を減らすことができますが、クロスカップルの力も安定性に影響を与える可能性があります。
ハウジング、台座、および基礎により、さらに柔軟性を高めることができます。ベアリングの剛性を高めても、その下の構造がコンプライアンスを維持したままであれば、効果が限定される可能性があります。方向に依存するサポート動作によって、横モードが分離または再形成されることもあります。の したがって、蒸気タービンの軸受の選択には、 軸受の内径サイズだけでなく、ローターと動作条件を反映する必要があります。
動作速度はシャフトの回転を表します。励起周波数は強制サイクルを表します。臨界速度はシステムの共振状態を表します。これらは関連していますが、互換性はありません。
同期励磁の場合、速度 n が rpm のとき、周波数 (ヘルツ) は n/60 です。 3,000 rpm では、1x 励起周波数は 50 Hz です。この変換だけでは、特定のタービン シャフトが 3,000 rpm で共振するかどうかについては何も言えません。
アンバランスにより同期強制が発生します。簡単に表すと、その力の振幅は不均衡の大きさと角速度の二乗に応じて増加します。結果として生じる変位は依然としてローターの周波数応答に依存します。熱による反りは実効偏心率を変化させる可能性があり、一方、位置ずれ、摩擦、および流体力によって異なる応答特性が生じる可能性があります。支配的な 1x 成分は有用な証拠ですが、完全な診断ではありません。
加速と減速は異なる周波数で励起をスイープします。一部のタービンは、より低い横方向臨界速度を超えて動作し、制御された移行中にその応答領域を通過するように設計されています。許容手順、振動制限、および速度制限は、機械固有のエンジニアリング評価および操作手順に基づいて決定する必要があります。普遍的な交差率はありません。
同期臨界速度からの分離も、完全な安定性評価ではありません。流体によって引き起こされる準同期動作は、別のメカニズムを通じて発生する可能性があります。エンジニアは、修正措置を選択する前に、外部から強制された共振と自己励起の不安定性を区別する必要があります。
エンジニアは、ローターのモデリング、モーダル計算、アンバランス応答解析、安定性評価、測定された振動を組み合わせます。各メソッドは異なる質問に答えるため、単一のプロットに合格の決定全体が含まれる必要はありません。
ローター モデルは、段付きタービン シャフト、ボア、ディスク、ブレードの質量、カップリング、材料特性、ベアリング、関連するシール、および構造サポートを表します。有限要素法を使用すると、エンジニアは複雑な形状を評価し、さまざまな回転速度にわたってモード形状を計算できます。モデルは、不特定の室温入力セットではなく、該当する高温または低温条件を使用する必要があります。
モードの形状と周波数を追跡します。モードは互いに近づいたり、速度でキャラクターを変更したりする可能性があり、周波数を低いものから高いものに並べ替えるだけでは、そのアイデンティティが曖昧になる可能性があります。ベアリング係数、サポート剛性、および関連するクリアランスに関する感度研究により、明らかに適切な分離が不確実な入力に依存するかどうかがわかります。
キャンベル線図は、回転速度に対するモード周波数をプロットします。静止フレーム表示では、同期励起ラインは f = n/60 に従います。関連するモーダル分岐との交差は、潜在的な同期共鳴のフラグを立てます。前方および後方の旋回の識別と、モードを励起する励起の能力は依然として重要です。
概念図のみ: 上の曲線は、選択された例示的なパラメータを備えた理想的なジャイロスコープ発振器から得られます。これらは、周波数追跡と 1x 交差を示しています。これらは TOTEM 製品、測定されたタービン、または承認された動作範囲を表すものではありません。理想的な等方性システムでは、順方向同期アンバランスによって逆方向モードの交差が自動的に励起されることはありません。実際のキャンベル曲線は、ローターの形状、ベアリング係数、ジャイロ効果、および選択した基準フレームによって異なります。
不平衡応答の計算では、定義された不平衡ケースの指定された位置での振動の振幅と位相を推定します。安定性解析では、摂動が減衰するか成長するかを調べます。これらの結果は、周波数分離、クリアランス要件、特定のマシンの許容基準と併せて考慮する必要があります。
コミッショニングまたは調査中に、資格のある担当者は、モデル化された動作と振動振幅および位相対速度、周波数スペクトル、シャフト軌道、ベアリング温度、および関連する動作条件を比較できます。プローブの振れ、センサーの位置、測定規則には注意が必要です。ハウジングの測定値が低いというだけでは、シャフトの動きがどこでも許容できるとは言えません。
設計または交換の変更 |
承認前に確認する |
なぜそれが重要なのか |
|---|---|---|
シャフト径、内径、カップリング質量の変更 |
ローターの形状、質量、慣性、およびモーダル モデルを更新する |
名目上のはめあいでは動的等価性が確立されない |
ベアリングのクリアランスまたはライニングの形状の変更 |
適用可能な軸受係数と応答を再計算します |
同じベアリングエンベロープにもかかわらず、サポート動作が異なる場合があります |
サポートまたは台座の変更 |
方向剛性と構造モードを確認する |
サポートはローターの動きに参加できます |
起動時の新たな振動ピーク |
速度、位相、スペクトル、動作条件を比較 |
ピークだけでは原因は特定できない |
動作速度範囲の変更 |
関連する交差、応答、安定性を再評価する |
以前の承認では新しい義務をカバーできない可能性があります |
製造と組み立ての品質は、ローター モデルが想定する形状とインターフェイスを実現するのに役立ちます。これらは、許容可能な臨界速度または振動応答を独自に保証するものではありません。
タービン シャフトの場合、ジャーナルの寸法、真円度、データムに基づく振れ、同軸関係、表面の質感、質量分布は明示的な要件に値します。幾何学的同心度と質量バランスは異なる特性です。正確に機械加工されているように見えるシャフトでも、バランスの評価が必要な場合があります。逆に、バランス調整によってすべての寸法欠陥や組み立て欠陥を修正できるわけではありません。
ベアリングのボアの形状、ライニングの状態、フィット感、および組み立てられたクリアランスは、ジャーナルの支持方法に影響します。トーテムのオファー タービンベアリングブッシュ。 錫ベースの合金ライニングを備えたコンポーネントの選択には、依然として承認されたベアリングの設計と動作基盤が必要です。ライニング素材だけでは動的適合性は確立されません。
Shanghai TOTEM Machinery Co., Ltd. は、旋削、フライス加工、研削、寸法検査機能を備えた蒸気タービン部品の図面ベースの機械加工を提供します。実際の引き渡しでは、承認された図面の改訂、材料の状態、データム方式、検査結果、および分析された構成からの変更を特定する必要があります。バランス、アセンブリ検証、およびシステムテストの要件は、通常の寸法検査に含まれると想定するのではなく、明示的に割り当てる必要があります。
蒸気タービンの臨界速度は、ローター、ベアリング、およびサポートが一緒に動作する特性です。シャフトの剛性と質量分布が動作の一部を確立し、油膜特性、構造の柔軟性、減衰、および励振がシステムの応答方法を決定します。キャンベル線図を使用して潜在的な交差を特定し、強制応答、安定性、およびマシン固有の分離要件を評価します。上海トーテム機械有限公司は、機械加工部品の製造・供給会社で、図面ベースのシャフトやベアリングの生産をサポートしています。これらのコンポーネントは、完全に組み立てられたシステムに対してローターの動的許容が確立され、承認された形状と検査要件に適合する必要があります。
主な要因は、シャフトの形状と剛性、ローターの質量と慣性分布、ベアリングのスパン、ベアリングの動的係数、サポートの柔軟性、および速度依存の影響です。動作温度と負荷により、モデルの重要な入力が変化する可能性があります。励起と減衰によって、結果として生じる共振応答が決まります。
多くの場合、曲げ剛性が向上しますが、質量と慣性も変化します。効果は変化の位置、モードの形状、サポートによって異なります。変化を定量化するには、ローター モデルを修正する必要があります。
一般に、スパンが長いと、同等の配置での曲げの柔軟性が向上します。ベアリングを動かすとオーバーハング、反力、モーダル形状も変化するため、個々の臨界速度に対する影響を実際のシャフト レイアウトで評価する必要があります。
いいえ、臨界速度は共振動作に関係します。最大動作速度は、完全な機械設計、熱設計、動的設計、および保護設計に基づくマシン固有の制限です。一部のローターは、承認された条件下で下限臨界速度を超えて動作します。
関連する危険速度を特定し、該当する機械の仕様で必要な定義とマージンを使用して、指定された動作速度範囲と比較します。応答および安定性の解析で結果を確認します。すべての蒸気タービンに単一の割合が適用されるわけではありません。
