汽輪機(jī)汽封力對轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)穩(wěn)定性影響分析

吳立明

（哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150046）

0 引言

隨著300 MW、600 MW、1 000 MW等級的大型高參數(shù)汽輪發(fā)電機(jī)組的大量投運(yùn)，多臺機(jī)組出現(xiàn)了由于汽封設(shè)計(jì)或安裝不當(dāng)引起的汽流激振問題，造成機(jī)組在帶大負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，蒸汽參數(shù)較高的高壓或高中壓轉(zhuǎn)子出現(xiàn)振動大跳機(jī)，無法滿負(fù)荷運(yùn)行，給用戶造成重大損失。文中僅以某電廠發(fā)生汽封流體激振失穩(wěn)的機(jī)組為例，對機(jī)組軸系穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)合汽流激振的失穩(wěn)機(jī)理，提出振動控制方法，并在實(shí)際機(jī)組運(yùn)行中進(jìn)行驗(yàn)證。

圖1 機(jī)組高中壓通流圖

1 汽封動力特性系數(shù)計(jì)算

以某電廠汽輪發(fā)電機(jī)組為例，主要對機(jī)組高中壓的端汽封、高壓排汽平衡環(huán)、高壓進(jìn)汽平衡環(huán)、中壓進(jìn)汽平衡環(huán)以及高中壓的葉頂汽封和隔板汽封進(jìn)行分析，圖1是機(jī)組高中壓通流圖。根據(jù)相應(yīng)位置的汽封壓力、溫度、流速及汽封和轉(zhuǎn)子幾何尺寸等相關(guān)參數(shù)，對汽封蒸汽力進(jìn)行等效剛度、阻尼系數(shù)計(jì)算，得到各汽封位置的剛度與阻尼系數(shù)見文獻(xiàn)［1］。

2 機(jī)組穩(wěn)定性計(jì)算

機(jī)組良好的軸系設(shè)計(jì)是大型汽輪機(jī)避免發(fā)生汽流激振的根本保證。國內(nèi)目前主要是使用對數(shù)哀減率作為軸系穩(wěn)定性判據(jù)：對數(shù)哀減率越大，系統(tǒng)穩(wěn)定性越好。理論上對數(shù)衰減率δ＞0時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定；δ<0時(shí)，系統(tǒng)不穩(wěn)定；δ=0時(shí)，系統(tǒng)處于臨界狀態(tài)。但實(shí)際設(shè)計(jì)當(dāng)中穩(wěn)定性要有足夠裕量，盡管目前對于阻尼對數(shù)衰減率尚無標(biāo)準(zhǔn)，但參考國外有關(guān)大公司的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，考慮汽流激振影響后，應(yīng)保證工作轉(zhuǎn)速下高壓轉(zhuǎn)子的阻尼對數(shù)衰減率＞0.15［2］。

3 對數(shù)衰減率計(jì)算

將轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)進(jìn)行分段建模，模型模化簡圖見圖2。共109個節(jié)點(diǎn)，高中壓及低壓轉(zhuǎn)子各由2個軸承支撐，將高中壓各位置處的汽封剛度與阻尼系數(shù)數(shù)值帶入模型當(dāng)中，使用Riccati傳遞矩陣法進(jìn)行模態(tài)及對數(shù)衰減率計(jì)算，得到未考慮與考慮汽封流體力的對數(shù)衰減率結(jié)果。如圖3、圖4所示。

圖3 無汽封流體力影響的對數(shù)衰減率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

圖4 存在汽封流體力影響下對數(shù)衰減率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

從圖3、圖4對比圖可以發(fā)現(xiàn)，考慮汽封影響后，高中壓的一個方向一階模態(tài)對數(shù)衰減率明顯減小，與許用值比較接近，穩(wěn)定性變差，穩(wěn)定裕度較低，易發(fā)生汽流激振失穩(wěn)。

4 機(jī)組汽流激振失穩(wěn)的診斷及處理

某機(jī)組試運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)過一次汽流激振失穩(wěn)現(xiàn)象。機(jī)組在高負(fù)荷時(shí)#1、#2瓦x、y方向的振動頻譜如圖5所示，可以發(fā)現(xiàn)頻譜中存在很明顯的半頻振動，這是轉(zhuǎn)子發(fā)生自激振動的典型現(xiàn)象。揭缸檢查后發(fā)現(xiàn)機(jī)組通流間隙與設(shè)計(jì)值出現(xiàn)很大偏差，易于發(fā)生汽流激振。在更換上對軸系穩(wěn)定性影響較大位置的汽封為防汽流激振汽封時(shí)，并調(diào)整通流間隙到設(shè)計(jì)值后，機(jī)組振動消除。

圖5 機(jī)組振動頻譜圖

5 結(jié)語

經(jīng)計(jì)算分析，得到結(jié)論如下：

1）考慮汽封力作用時(shí)，轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性會發(fā)生較大變化，由于分析只考慮高中壓缸的汽封流體力對轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性影響，所以對低壓轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性影響較小;

2）結(jié)合分析結(jié)果，給出了實(shí)際發(fā)生汽流激振機(jī)組的處理解決方案。

［1］ 吳立明，初世明.受迷宮汽封汽流力影響的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子動特性系數(shù)研究［J］.汽輪機(jī)技術(shù)，2014

［2］ 聞邦椿，顧家柳，夏松波，等.高等轉(zhuǎn)子動力學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

［3］ 張學(xué)延，王延博，張衛(wèi)軍.大型汽輪機(jī)汽流激振問題的分析和處理［J］.熱力發(fā)電，2004（2）：47－55，77.

［4］ 童小忠，應(yīng)光耀.半山1號燃?xì)鈾C(jī)組油膜渦動和油膜振蕩分析及處理［J］.汽輪機(jī)技術(shù)，2006，48（1）：63-66.

［5］ 寇勝利.汽輪發(fā)電機(jī)組的振動及現(xiàn)場平衡［M］.北京：中國電力出版社，2007.