核電半速機組模擬軸系與彈簧隔振基礎聯合振動試驗臺設計

李汪繁， 王秀瑾， 孫 慶， 蔣 俊， 危 奇， 趙 峰

(上海發電設備成套設計研究院有限責任公司，上海 200240)

核電半速機組模擬軸系與彈簧隔振基礎聯合振動試驗臺設計

李汪繁， 王秀瑾， 孫 慶， 蔣 俊， 危 奇， 趙 峰

(上海發電設備成套設計研究院有限責任公司，上海 200240)

提出了一種軸系與彈簧隔振基礎聯合振動試驗臺的設計思路，以某百萬千瓦級核電半速機組為原型，根據幾何尺寸比擬及動力特性相似原則，成功搭建了原型機組尺寸1/10的試驗臺，為考察試驗臺設計合理性進行了初步調試.結果表明：試驗臺軸系轉速可達10 000 r/min以上，運轉過程中軸振、瓦振、潤滑油溫度和壓力等參數均正常可控，其變化趨勢符合設計預期，且系統各部件在調試檢查中均未出現異常，基本滿足設計安全性要求；瓦振峰值轉速與軸振峰值轉速存在一定差異，且部分瓦振峰值轉速與彈簧隔振基礎頂板模態測試頻率一致，說明彈簧隔振基礎對軸系振動特性的影響不容忽視；初步調試結果為保障試驗臺后續試驗研究的安全可靠運行奠定了基礎.

核電半速機組； 軸系； 彈簧隔振基礎； 動力特性

隨著核電設計和生產自主化的逐步深入以及出口國際市場的迫切需求，國內三大電氣集團通過多年的技術引進、消化和吸收，已基本具備獨立自主設計和制造百萬千瓦級大型核電汽輪發電機組的能力[1].作為核電常規島的關鍵設備，轉子及其支撐系統對整個機組的安全穩定運行起著至關重要的作用.

隨著核電汽輪發電機組向單機大容量、大型化趨勢發展，轉子制造方在進行軸系動力特性設計時，將軸承座及基礎的綜合動剛度參數作為設計邊界條件，以計入其彈性效應和動力耦合效應.而基礎的設計工作通常由電力設計院承擔，需要考慮設備安裝后的剛性加強等效應.由于軸系與基礎的設計分屬不同行業[2]，軸系與基礎的動力特性匹配常采用理論計算分析或同類型機組經驗數據進行設計，亟須通過相關驗證性試驗平臺對其計算模型、方法及相關技術數據進行全面的分析研究，以更好地掌握系統的動力特性耦合關系，為指導機組設計及優化提供參考依據.

賀國強等[3]以某600 MW機組軸系為原型，按1∶8縮小模擬制作了高中壓轉子、低壓轉子及發電機轉子等5根轉子，并裝備了若干輪盤模擬其質量和轉動慣量，軸系由10個沿軸向可在一定范圍內移動調整的滑動軸承支撐，該試驗臺具備臨界轉速測試、振動監測及分析、高速動平衡和轉子故障模擬等教學及科研功能.張雷等[4]根據相似準則關系研制了由汽輪機轉子、發電機轉子、勵磁機轉子及5個支座組成的模擬轉子系統，并進行了錘擊法模態試驗，為核電百萬千瓦級汽輪發電機組轉子動力特性的設計提供了參考.席文奎等[5-6]以某300 MW汽輪發電機組為原型，在結構相似和動力學相似的基礎上搭建了四跨八支承轉子系統試驗臺，并進行了軸心軌跡試驗和軸承負荷試驗等.上述研究均針對轉子及軸承系統，而未同步模擬基礎，沒有涉及軸系與基礎動力特性匹配的試驗研究.

上海發電設備成套設計研究院有限責任公司早在20世紀80年代，結合728型汽輪發電機組和基礎1/10的模型，進行了軸系及基礎的聯合振動分析，研究了固定基礎對轉子臨界轉速及不平衡響應等動力特性的影響[7].

筆者通過調研匯總目前國內已商業運行核電汽輪發電機組軸系及基礎選配情況，總結了彈簧隔振基礎在大容量核電半速機組應用上的優勢，確定了軸系與彈簧隔振基礎聯合振動試驗臺的設計思路以及具體設計方案，并成功搭建了試驗臺，通過初步調試驗證了該試驗臺設計的合理性及安全性，為軸系與彈簧隔振基礎的動力特性匹配性研究和相關測試技術研究提供了良好的硬件基礎.

1 核電汽輪發電機組軸系及基礎選配現狀

目前，核電汽輪發電機組有彈簧隔振基礎和傳統框架式固定基礎2種基礎形式，在設計時需綜合考慮不同基礎形式的選配情況以保障軸系動力特性優良[8].截至2016年12月，中國大陸已投入商業運行的核電汽輪發電機組軸系及基礎選配情況匯總如表1所示，其中HP表示高壓轉子，LP表示低壓轉子.由表1可以看出：

(1) 同容量等級時半速機組轉子根數一般比全速機組少，這主要是因為在離心應力相同的條件下，半轉速葉片的通流面積是全轉速葉片通流面積的4倍，大大提高了低壓缸的排汽面積，減少了低壓缸的數量.故在中國大陸已正式投入商業運行的22臺1 000 MW以上機組中，除田灣2臺機組外其他機組均為半速機組.

(2) 1 000 MW以上已商業運行核電汽輪發電機組中，無論全速機組還是半速機組均采用彈簧隔振基礎，這說明彈簧隔振基礎在大容量核電汽輪發電機組尤其是半速機組應用方面具備一定的優勢，與固定基礎相比主要體現在[9]：采用更大尺寸的頂臺板縱橫梁設計和較細的立柱設計，通過設計彈簧隔振器特性可滿足剛度要求，且凝汽器等設備具有足夠的安置空間；基礎的低階高能量模態頻率大大遠離半速機組的工作轉速；可通過彈簧的自動補償功能有效消除地基的不均勻沉降所帶來的不利影響；在機組運行過程中較大的動載荷變位優先由彈簧吸收，可降低基礎混凝土結構因承受大的動載荷而產生裂紋的可能性；具有更好的抗震能力.

2 軸系與彈簧隔振基礎聯合振動試驗臺設計

2.1試驗臺設計功能

軸系與彈簧隔振基礎聯合振動試驗臺的設計功能主要包括[10]：(1)可開展基礎澆灌完成、轉子及軸承安裝完畢等多個階段的彈簧隔振基礎模態試驗及橫梁動剛度測試等研究；(2)可開展多種工況下的振動模擬試驗，研究各部位轉子、軸承及基礎彈簧隔振器上下的振動傳遞效果等特性；(3)可開展考慮彈簧隔振基礎影響的多轉子軸系動力特性試驗，探索轉子、軸承和彈簧隔振基礎系統的振動耦合關系.

表1大陸已商業運行核電汽輪發電機組軸系及基礎選配情況

Tab.1MatchingstatusofshaftingandfoundationofcommerciallyoperatednuclearpowerunitsinmainlandChina

廠址機組容量/MW設計轉速/(r·min-1)汽輪機軸系組成基礎形式秦山一廠1號31030001HP+2LP固定基礎秦山二廠1號65030001HP+3LP固定基礎2號65030001HP+3LP固定基礎3號65030001HP+3LP固定基礎4號65030001HP+3LP固定基礎秦山三廠1號72815001HP+2LP固定基礎2號72815001HP+2LP固定基礎大亞灣1號98430001HP+3LP固定基礎2號98430001HP+3LP固定基礎昌江1號65030001HP+3LP固定基礎2號65030001HP+3LP固定基礎嶺澳1號99030001HP+3LP固定基礎2號99030001HP+3LP固定基礎3號108015001HP+2LP彈簧隔振基礎4號108015001HP+2LP彈簧隔振基礎田灣1號106030001HP+4LP彈簧隔振基礎2號106030001HP+4LP彈簧隔振基礎寧德1號108915001HP+2LP彈簧隔振基礎2號108015001HP+2LP彈簧隔振基礎3號108015001HP+2LP彈簧隔振基礎4號108015001HP+2LP彈簧隔振基礎紅沿河1號111915001HP+3LP彈簧隔振基礎2號111915001HP+3LP彈簧隔振基礎3號111915001HP+3LP彈簧隔振基礎4號108015001HP+3LP彈簧隔振基礎陽江1號108615001HP+2LP彈簧隔振基礎2號108015001HP+2LP彈簧隔振基礎3號108015001HP+2LP彈簧隔振基礎福清1號108015001HP+2LP彈簧隔振基礎2號108015001HP+2LP彈簧隔振基礎3號108015001HP+2LP彈簧隔振基礎方家山1號108015001HP+2LP彈簧隔振基礎2號108015001HP+2LP彈簧隔振基礎防城港1號108015001HP+2LP彈簧隔振基礎2號108015001HP+2LP彈簧隔振基礎

2.2試驗臺設計思路

根據幾何尺寸比擬及動力特性相似原則，搭建某百萬千瓦級核電半速機組尺寸1/10的軸系與彈簧隔振基礎聯合振動試驗臺，如圖1所示.

(1) 驅動部分.

動力機房內通過交流電動機和直流發電機將交流電源轉換為直流電源輸出動力，以有效避免動力系統對試驗測試系統的電磁干擾.直流電動機和增速齒輪箱通過剛性聯軸器連接；驅動裝置基礎底部四周布置隔振介質，并與彈簧隔振基礎底板保持一定間隔，以隔離驅動部分的振動.

(2) 模擬軸系及彈簧隔振基礎.

模擬軸系由5根轉子組成，分別模擬實物機組的高壓轉子、低壓轉子I(LPI)、低壓轉子II(LPII)、發電機轉子(GEN)和勵磁機轉子(EXC).除勵磁機轉子外，其余轉子采用雙支撐形式，共采用9個徑向滑動軸承.

各轉子均根據動力特性相似原則進行模化，在保證長度和直徑等尺寸按照實物機組轉子比例縮小的基礎上，鑒于加工工藝要求和試驗臺功能需求等實際情況進行必要的簡化處理，如實際軸系等效處理為帶慣性輪盤的轉子.此外，考慮到汽缸的配重效應以及兼顧降低噪聲作用，各轉子均安裝罩殼.

彈簧隔振基礎除局部小尺寸倒角和凸臺等結構外，基本按實物基礎尺寸比例縮小，頂臺板上部分區域布置鐵塊以模擬實物機組設備安裝后的載荷分布.

(3) 潤滑油系統.

潤滑油系統包括潤滑油房內的整體式潤滑油系統、進油母管、回油母管、事故油箱和備用吸油泵等.其中：①潤滑油房內整體式潤滑油系統主要包括主油箱、供油泵、濾網、加熱器、回油泵和冷油器等，主油箱應能容納事故油箱的油量；②事故油箱經三通閥與潤滑油房、進油母管相連，采用高位安置.在事故狀態下(如試驗裝置停止運行、潤滑油房停止供油或供油壓偏低等)，事故油箱會依靠重力作用打開三通閥通道，以維持軸系從高速旋轉至靜止狀態過程的供油；③油站出口油溫在一定范圍內連續可調，出口油壓通過自力式調節閥調定.

(4) 監視控制系統.

試驗臺設有軸系轉速測量用光電傳感器；軸承座上設有振動測量用速度傳感器，瓦溫測量用熱電偶；潤滑油系統的進油管處設有進油壓力測量計，回油管處設有回油溫度計；各測量信號輸送至監視控制臺.

監視控制臺監視的參數主要包括軸系轉速、各滑動軸承進油壓力及回油溫度、瓦溫、瓦振值及軸振值等；保護報警主要包括振動超標報警、瓦溫超標報警、油溫超標報警和低油壓報警等；控制設備主要包括直流電機、供油泵、加熱器和回油泵等.

1-潤滑油房(主要包括1-1供油泵、1-2濾網、1-3加熱器、1-4回油泵、1-5冷油器和1-6主油箱)；2-事故油箱；3-三通閥；4-進油母管；5-回油母管；6-備用泵；7-動力機房；8-直流電動機；9-增速齒輪箱；10-驅動裝置底座；11-驅動裝置基礎；12-隔振介質；13-剛性聯軸器;14-撓性聯軸器；15-模擬汽輪機多轉子軸系(15-1為模擬高壓轉子，15-2和15-3為模擬低壓轉子)；16-模擬發電機轉子；17-模擬勵磁小軸；18-整鍛式剛性聯軸器；19-滑動軸承；20-軸承座；21-彈簧隔振基礎；22-手動調壓閥；23-監視控制臺；A-熱電偶；B-速度傳感器；C-位移傳感器；D-光電傳感器；E-進油壓力測量計；F-回油溫度計.

圖1 軸系與彈簧隔振基礎聯合振動試驗臺示意圖

Fig.1 Schematic diagram of the combined vibration test rig for shafting and spring vibration-isolated foundation

3 試驗臺搭建及調試

根據上述設計思路成功搭建了某百萬千瓦級核電半速機組尺寸1/10的軸系與彈簧隔振基礎聯合振動試驗臺(如圖2所示)，并進行了初步運轉調試工作.

圖2 軸系與彈簧隔振基礎聯合振動試驗臺Fig.2 Combined vibration test rig for shafting and spring vibration-isolated foundation

調試工作一方面是為了考察試驗臺設計是否能滿足軸系高轉速運轉的安全要求，包括轉子振動、油溫和油壓等參數是否在限制范圍內，系統各部件能否正常可靠運行等；另一方面是為了測試模擬軸系及彈簧隔振基礎的動力特性是否與設計值一致，以檢驗設計計算模型及方法的合理性.

基于安全性考慮，初步調試運行轉速以超過軸系一階臨界轉速為基本目標，升速及降速過程中部分振動特性、瓦溫、潤滑油溫度和壓力數據見圖3，其中軸振傳感器布置在與垂直方向成±45°的方向上.由圖3可知：

(1) 在調試期間總進油管潤滑油溫升不大，說明冷油器的工作狀態較好；潤滑油壓力隨轉速升高而降低，但變化幅度不大，系統趨于正常穩定.

(2) 部分瓦溫變化較為明顯但仍可控，瓦溫曲線之所以為螺旋線是因為升速過程中為保障試驗臺安全會人為設置穩速監控階段，轉速信號在穩速開始時會有所回落，但參數不會即時改變，降速過程則未出現該狀況.

(3) 對比2號軸承處軸振和瓦振曲線可以發現，瓦振峰值轉速點比軸振峰值轉速點多且數值有所差異，但在反映不同轉子為主模態的各階臨界轉速的趨勢上基本一致，兩者的差別主要與油膜、軸承座和彈簧隔振基礎等支撐特性以及支撐結構間的動力耦合有關.

(4) 軸系轉速達到4 600 r/min附近時，2號和4號瓦振均同步出現明顯的振動峰值，波形尖銳，說明振動阻尼成分較小，結合彈簧隔振基礎模態測試結果[11]，可判斷為基礎頂板的固有頻率共振反映在軸承座振動上，這充分說明了彈簧隔振基礎對軸系振動特性的影響不可忽視.

(a) 模擬HP轉子后軸頸處軸振曲線

(b) 模擬HP轉子2號和LPI轉子4號瓦振曲線

(c) 模擬LPI轉子3號和LPII轉子5號瓦溫曲線

(d) 總進油管潤滑油溫度和壓力曲線圖3 試驗臺調試部分特性參數測試數據曲線Fig.3 Curves of partial characteristic data measured in commissioning of the test rig

調試期間試驗臺各部件均未出現異常，各監控參數基本正常可控，符合預期趨勢；調試結束后通過檢查各聯接螺栓、地腳螺栓等部件，均未出現松動或損壞現象，也未出現燒瓦現象，各連接管路未出現堵塞或滲漏現象.本次調試結果顯示該試驗臺可基本按照預期設計安全可靠運轉.

4 結 論

(1) 提出了一種軸系與彈簧隔振基礎聯合振動試驗臺的設計思路，并模擬某百萬千瓦級核電半速機組，成功搭建了試驗臺.

(2) 對試驗臺進行了初步調試，結果顯示試驗臺各部件及監控參數均正常可控，可按照設計要求安全可靠運行.

(3) 相關調試實測振動數據表明，彈簧隔振基礎對軸系振動特性有較明顯的影響.利用該試驗臺可有效探索轉子、軸承與基礎系統的振動耦合關系，測試結果可為實際機組軸系與彈簧隔振基礎的動力特性匹配性設計提供參考.

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DesignofaCombinedVibrationTestRigforShaftingandSpringVibration-isolatedFoundationofNuclearPowerHalf-speedUnits

LIWangfan,WANGXiujin,SUNQing,JIANGJun,WEIQi,ZHAOFeng

(Shanghai Power Equipment Research Institute Co., Ltd., Shanghai 200240, China)

A design idea of combined vibration test rig for shafting and spring vibration-isolated foundation was proposed. Taking a 1 000 MW nuclear power half-speed unit as the prototype, a test rig was set up in the proportion of 1∶10 based on the principles of geometric and dynamic similarity, to which, initial commissioning was carried out to verify the rationality of the design. Results show that the running speed of the test rig can reach 10 000 r/min, and the system components and monitoring parameters are all normal and controllable in the commissioning, such as the shaft vibration, bearing vibration, oil pressure and oil temperature, etc., which basically meet the safety requirements in design. There exists certain difference between peak speeds of bearing vibration and shaft vibration, and some bearing vibration peak speeds keep consistent with the modal frequencies of foundation roof, showing the effect of spring vibration-isolated foundation on the shaft vibration characteristics. The commissioning has laid a foundation for the safety and reliable operation of the test rig in the following researches and experiments.

nuclear power half-speed unit; shafting; spring vibration-isolated foundation; dynamic characteristics

2017-02-06

2017-03-01

國家科技重大專項課題資助項目(2012ZX06002-017-01-04)；上海發電設備成套設計研究院有限責任公司青年創新基金資助項目(201606058Q)

李汪繁(1988-)，男，湖北咸寧人，工程師，碩士，主要從事轉子動力學及透平機械強度振動方面的研究.

電話(Tel.)：021-64358710；E-mail：liwangfan@speri.com.cn.

1674-7607(2017)11-0890-05

TM623.1

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