1、超超临界 1000MW 汽轮机汽流激振及对策随着机组单机容量的增大，蒸汽参数的提高，轴系转子和轴承数目也增多，因此在机组设计阶段不仅对轴系要进行常规的横向振动特性和扭转振动特性分析，从轴承对转子系统动特性的影响来考虑轴系稳定性，使转子和轴承达到最优设计，而且对“汽流激振”也要进行分析研究，并在考虑汽流力的前提下，进行轴系稳定性计算，保证最佳的汽封结构设计和优良的轴系稳定性。自 1965 年以来，人们从理论、实验和实际运行机组所发生的汽流激振中，对高参数大容量汽轮机高压转子产生汽流激振的机理作了深入的研究，形成一套理论分析和计算公式。八十年代起，各制造厂引进并掌握了亚临界 300MW、600MW
2、机组的制造技术，对其轴系、轴承设计进行消化吸收工作。九十年代，东汽厂在与日立公司技术交流与合作、引进日立公司以超临界 600MW 为母型机设计的亚临界 600MW 机组技术的同时，与清华大学热能工程系合作研究出用振荡流体力学方法计算汽封激振的动特性的计算程序，用以确定分析整个轴系稳定性所需的刚度系数和阻尼系数。在 1995 年东方汽轮机厂应用所编制的计算程序中，对东方 300MW 机组汽封的汽流力特性作了计算分析，研究了机组负荷、轴封段倾斜度、轴封平均径向间隙、轴封齿高等对轴封间隙激振的影响，并应用轴系稳定性分析程序对其稳定性作了分析，初步评价了汽流激振对轴系稳定性的影响。1 汽流力的计算分析
3、在汽轮机中有三种不平衡蒸汽力可能引起转子产生自激振动，影响机组轴系的稳定性。第一种是由于转子偏心，使叶片顶部间隙沿周向不等，进而产生一个激振力，此即 Alford 力，称为叶顶间隙激振力；第二种是由于在汽轮机中有轴端汽封，围带汽封及隔板汽封，这些汽封会对转子的动特性产生影响；第三种是由于调节级喷嘴进汽的不对称性，即部分进汽会改变轴承的负荷，使其重新分配进而改变轴承的动特性。第三种引起的不稳定振动机理比较浅显，改进的措施也比较简便，只需调整阀门开启顺序即可。11 叶顶间隙激振这是由于转轴偏离其中心，使得叶片顶部间隙沿周向变化，使蒸汽泄漏量不均匀，从而导致作用在叶片上的汽流力不均匀，进而产生一垂直
4、于叶轮中心位移的横向力。此力会诱发转子产生涡动，如果阻尼所消耗的能量小于汽流力所做的功，则振幅将增加。对于叶片围带汽封，叶顶间隙汽流力 Q=QS+QD QS 来自间隙泄漏损失部分， QSTSS/(Ds Hs)其中：TS该级叶轮的扭矩；Ds该级叶片节圆直径；Hs该级叶片高度；S 间隙激振因子。QD 来自圆周压力分布的不均匀性， QDR b Pb KD/(4C)其中：C径向间隙；R汽封半径；b围带宽度；Pb围带间压差； KD经验常数。12 汽封中的汽流力为了减少汽轮机各处动静配合间隙中的漏汽，保证汽轮机安全、高效地运行，因而设置了各种汽封。高温高压蒸汽在汽封中的流动是靠汽封中轴向压差形成的，因而蒸
5、汽在汽封中的流动主要是轴向流动，但由于蒸汽具有一定的粘性，加之转轴高速旋转，因而带动了汽封中汽体沿周向流动，所以，汽流力应包括轴向流动和周向流动两部分的汽流力。研究表明，轴向流动中蒸汽产生的汽流全切向力与径向力与轴封的几何尺寸、轴封蒸汽流量、温度、压力、轴封齿的平均间隙以及转子角速度等因素有关。而周向流动产生的汽流力可以使用类似于轴承的阻尼系统来表示，具体的计算必须借助专门的分析程序来记性。东方汽轮机厂与清华大学合作的有关课题成果就可计算汽封动特性系数。2 考虑汽流激振的轴系稳定性分析21 轴系稳定性计算模型的建立为了计算轴系的稳定性，先根据转子结构将整个轴系进行离散，把实际转子简化成具有若干
6、集中质量，中间用无质量的等截面弹性杆连接起来的力学模型。轴承和汽封模化为各向异性的弹性阻尼元件。结构模化时对简单的结构采用传统方法，对形状较为复杂的结构采用有限元素法先计算它的惯性直径，然后确定弯曲刚度，再根据轴承及汽封动特性计算结果进行稳定性计算。轴系的振动方程可以写为：其中，M、D、K 分别为系统的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵，且已考虑了轴承、汽封等因素。2.1.1 轴承特性将轴承模化为各向异性的弹性阻尼元件，用八个动特性系数表征(四个刚度系数：KXX , KXY , KYX , KYY ；四个阻尼系数：CXX , CXY , CYX , CYY )，其值由轴承性能计算程序得出。轴承座也简
7、化成具有某一当量参振质量的弹性阻尼元件，其参振质量、支座刚度及阻尼则根据实测和多年积累的经验选取，则油膜力可表示为：2.1.2 汽流激振力叶顶间隙汽流力轴封流体轴向流动引起的汽流力轴封流体周向流动产生的汽流力由上可知，此汽封对系统的作用也是用八个线性动特性系数来表示，按轴承一样来处理：将其刚度和阻尼加在对应节点上，即轴承油膜力作用在轴系各转子的轴颈处，而汽流力则作用于转子的汽封段上。计算采用 Riccati 传递矩阵法，这样不仅占用内存较少和计算速度较快，而且使轴系振动的低阶频率不会发生增根和漏根现象，精确度较高，理论计算结果与现场实测值很接近。该方法首先导出系统的振动特征方程，再解出特征方程
8、的复特征值 S=+j。其实部 是与振幅衰减有关的系数， 为对应转子自转角速度 时的涡动频率。轴系对应模态下对转衰减率为 =-2/。22 稳定性判别准则关于系统稳定性判据，目前国内外采用较多的方法主要有：（1）系统阻尼判据。认为系统阻尼越大，系统稳定性就越好。（2）对数衰减率判据。认为对数衰减率越大，系统稳定性就越好。东方汽轮机厂采用第二种判据。由计算分析可知，实部 是与振幅衰减有关的系数，因此特征值的实部 为零时对应的转速，也就是转子涡动开始发散的门槛转速，该转速也称为系统的稳定极限转速或失稳转速。由对数衰减率定义可知：0 时，系统是稳定的；0.15。3 超超临界 1000MW 汽轮发电机组轴
9、系稳定性计算应用以上方法，可对邹县发电厂四期工程 1000MW 超超临界汽轮发电机组轴系稳定性进行计算，计算分两种情况，即不考虑汽流激振的影响及考虑汽流激振力的影响。轴系 1#至 4#轴承为可倾瓦轴承，5#-8#轴承为椭圆轴承；轴系稳定性计算中仅考虑了高压缸中汽流激振的影响。由于中、低缸中蒸汽参数降低，且叶高及直径较大，汽流激振影响可忽略不计。汽流激振对轴系稳定性的影响取决于汽封的类型和汽封的结构尺寸，以及运行状态和蒸汽参数。汽封的动特性系数与压降、汽封齿宽度（齿数和节距）成正比，与转子汽封间隙、汽封齿高度成反比。从转子振动和稳定性分析可知，要消除汽流激振一般可从增大系统阻尼和减小汽流激振力着
10、手。主要措施有：1）增大系统阻尼的办法就是采用稳定性比较好的轴承，本机组高、中压转子轴承采用可倾瓦轴承就可很好地防止汽隙激振的发生；2）合理设计汽封结构，选用合理的汽封间隙，以减小汽流激振力；3）采用有利于轴系稳定性的高压进汽阀门开启顺序。4、结束语通过对转子振动和稳定性分析，找出了汽流激振的原因，在设计和生产中就有了消除汽流激振的对策，从而保证了超超临界 1000MW 汽轮发电机组轴系运行的稳定性。本人先前在电厂工作多年，现于上海长期从事电厂锅炉给水泵芯包及液力耦合器的维修和技术改造工作，上海韦凯苏电站设备有限公司为英国克莱德（WEIR）泵业在中国授权服务中心，具有火电厂 200MW 到 600MW 及1000MW 机组各类型汽动给水泵、电动给水泵芯包解体大修，前置泵维修，voith 液力耦合器维修，大型水泵技改及效率恢复的能力。提供汽动给水泵、电动给水泵、前置泵机封；泵轴；叶轮；推力瓦；支持轴瓦；平衡鼓；平衡衬套；密封件等备品备件，并能提供 200MW 到 600MW 及锅炉给水泵芯包，公司可根据客户需求到现场服务。都是干工程和技术的同行，这些资料都是个人所积累，可以相互交流和借鉴，也希望对大家有帮助。大家觉得好的也顺便给个好评！ 版主联系：上海韦凯苏电站设备有限公司 ： 王路 18621518176
