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摘要: 本文对汽轮机产生汽流激振的机理及特征加以分析,并从轴承强度、叶顶间隙、汽封激振等方面对高参数汽轮机汽流激振的预防及消除措施进行了说明。
关键词: 汽轮机; 汽流激振; 叶顶间隙; 汽封激振
Abstract: The steam turbine to generate steam flow excitation mechanism and characteristics to be analyzed, and the bearing strength, the tip clearance vapor seal exciting aspects of high-parameter steam turbine steam flow excitation prevention and elimination measures are described.
Key Words: steam turbine; vapor flow excitation; tip clearance; steam seal excitation
中图分类号：TU74 文献标识码：A文章编号：
进年来，伴随时代的发展，人类的科学技术也一直在飞速的提升, 自从发明了电后，电力开始逐渐在我们的生活中产生不可替代的重要性。大容量火电机组已经成了电力行业的主力军。大容量汽轮发电机轴系变长, 支持轴瓦数量增多, 机组的蒸汽参数不断提高, 产生的汽流激振力也随之增大。汽流激振问题也必将会越来越严重影响汽轮发电机组的安全运行。因此, 加强大型机组的汽轮机汽流激振的研究也显得非常重要。根据汽流激振机理和国外大容量机组的运行经验, 已确认汽流振动故障更容易发生在高参数、大容量汽轮机的高压( 或高中压) 转子上。由于蒸汽激振力近似地正比于机组的出力, 因此, 由汽流振动引起的不稳定振动就成为限制大容量机组出力的主要因素; 尤其随着超临界机组的投运, 汽流激振引起的低频振动会更加突出, 所以加强对高参数、大容量机组汽流激振的研究很有必要。
1汽流激振的机理
所谓汽流激振就是蒸汽作用在高中压转子上的切向力对动静间隙、汽封结构以及转子与汽缸对中的灵敏度提高, 增大了作用在转子上的激振力, 降低了汽轮机轴系的稳定性, 使高中压转子失稳而产生很大的低频振动。作用在汽轮机转子上的蒸汽激振力可分为静态力和动态力两类。这两类力都可以引起汽流激振。
1. 1叶顶间隙激振力
由于机组安装、运行中汽缸跑偏等原因造成转子相对于汽缸发生了偏移, 使得叶顶间隙沿圆周方向发生变化。由于叶顶间隙沿圆周方向存在不同, 蒸汽在不同间隙位置处的泄漏量不均匀, 进而使得作用在叶片沿圆周方向的切向力不等, 这样就产生了一个作用在叶轮中心的横向力, 也称之为间隙激振力。该横向力趋向于使转子产生自激振动。在一个振动周期内, 当系统阻尼消耗的能量小于该横向力所做的功, 转子便会产生自激振动。
当转子中心偏移汽缸中心不大时, 叶顶间隙激振力近似与转子偏移量、功率成正比, 而与叶片高度和线速度成反比, 若激振力用相对值s 表示,则有
s= f
式中s ------- 叶顶间隙激振力
-------转子中心偏移汽缸中心的位移量
-------转子输出功率
-------- 叶片平均线速度
--------叶片高度
由上式可知, 汽流激振容易发生在大功率、叶片较小的高压转子上, 加之高压转子质量较小, 在不大的激振力作用下, 会引起较显著的窝动。
1. 2汽封汽流激振力
为减小各处动静配合间隙处的漏气, 保证汽轮机安全、高效的运行, 设置了各类汽封。所以当运行参数控制不当, 造成转子的动态偏心时, 会引起轴封和隔板汽封腔室中沿圆周方向蒸汽压力分布的不均匀, 这样就会产生一垂直于转子偏移方向的合力, 使转子运动趋于不稳定。由于轴向压差造成了高温高压蒸汽在汽封中的流动, 因此蒸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, 又带动汽封中的蒸汽周向流动, 因此该流体力包括蒸汽在汽封内轴向流动和周向流动产生的两部分汽流力。
1. 3 作用在转子上的不对称的静态蒸汽力
对于喷嘴调节的汽轮机, 调节级进汽的不对称性导致的作用在转子上的作用力不对称, 在某种工况下, 可能会上抬转子。这样将影响轴颈在轴承中的位置,改变轴承的动力特性而造成转子运行失稳。
只有在上述3种力垂直于转子偏心的切向力之和大于转子轴承的油膜阻尼力的时候, 这种振动才会被激发起来。
2汽流激振的特征
汽流激振通常发生在高参数机组的高压转子上,在低参数机组和高参数机组中、低仄转子上很少发生。汽流激振的振动信号有如下特征
2.1汽流激振时轴振全频谱图是正进动方向,轴心轨迹是圆形或近似圆形
2.2自激振动的涡动频率近似為(为转速), 轻度汽流激振时 (涡动频率)略小于转速的1／2.严重汽流激振时为高中压转子的一阶临界转速。
2.3流体激振失稳状态下转子做自激振动,呈现的模态与受到外力作用所呈现的一阶不平衡振动的模态一样。最大振幅通常并不出现在轴承附近的传感器处。因此要求分析人员必须能估计到在不可观察位置的转子的振动幅值。为了精确估计振型,可加装振型测试探头沿转子轴向布置的附加探头。
通常用轨迹和轨迹基图来反映流体激振失稳。流体激振失稳最显著的特征是大的振幅、圆形或近似圆形的轨迹以及转子的正向进动。从汽流激振出现的过程看,另一个十分重要的特征是振动和机组的负荷有着十分密切的关系,有一个“门槛”负荷,往往在低负荷时不会出现,而是在最高负荷时出现,有的出现在接近最高负荷的某一高负荷段
3防止汽流激振的措施
根据汽流激振的机理, 结合轴系稳定性理论及现场机组实际的分析和处理经验, 消除和减少大型汽轮机汽流激振故障的主要措施可以从以下3方面着手。
3. 1减小蒸汽静态力
蒸汽向上的静态力会上抬转子, 在运行中, 我们认真调节, 通过改变调节阀的开启和关闭顺序, 或改变调节阀的开启重叠度, 尽量避免在一不利的工况点停留, 改变作用在转子上面的载荷角, 采用节流调节全周进汽和变压运行, 避免部分进汽产生的汽流激振力。
3. 2减小蒸汽激振力
蒸汽的激振力与蒸汽密度和级前后压差成正比, 这是气流激振易发生在大功率高参数汽轮机上的主要原因所在。而且激振力还与汽封的结构、长度、间隙的大小有关, 随径向间隙增大而减小, 随轴向间隙的增大而增大。我们可采去以下措施: ①使缸体四周与叶轮前部动静间隙尽量均匀。②增大叶顶汽封的径向间隙, 限制推力轴承间隙以减小密封的轴向间隙。③气封间隙沿蒸汽流动方向可设计成喇叭形, 使轴封进气端间隙缩小, 排气端间隙增大, 这种形状产生的气流力不仅不会产生失衡力, 还有利于增加稳定性。④在叶顶汽封和端部汽封间隙处安装止涡装置和逆转向注入液体, 利用该装置或流体的反涡旋干扰间隙内工作介质的周向流动。
3. 3提高轴承稳定性
引起轴承失衡的力有汽流力和油膜力, 提高轴承的稳定性就是使轴承油膜失稳尽可能的减小、即尽可能的增大阻尼力, 为防止汽流激振预留较大空间。如果满足: 汽流力+ 油膜力< 阻尼力时, 就可以避免自激振动的发生。在实际生产中, 我们积极消除轴瓦缺陷, 使其处于良好的工作状态, 调整中心, 减少长径比, 提高转子临界转速, 提高轴承润滑油温,采用稳定性较好的推力轴承, 这些措施都有利于抑制汽流激振力。
4结语
汽流激振问题是大容量、高参数,特别是超临界汽轮机运行中面临的一个重要问题。预防和正确分析、及时解决汽流激振对我国大型机组的安全运行和我国目前发展超临界压力机组具有十分重要的现实意义。本文就此问题阐述了引发机组汽流激振的原因，并对如何避免预防气流激振进行了分析见解。现阶段, 为了避免发生汽流激振, 我们在汽轮机设计阶段进行汽流激振影响下的轴系稳定性的计算分析, 良好轴系稳定性的合理设计, 以及更好推力轴承的应用将是大型汽轮机避免汽流激振故障发生的基本保证。
[ 参考文献]
[ 1] 杨建刚. 汽流激振对轴系稳定性的影响分析[ J] . 中国电机工程学报, 1998, 18( 1) : 35～42.
[ 2] 晏砺堂. 高速旋转机械振动[ M] . 北京: 国防工业出社, 1998.
[ 3] 寇胜利. 汽轮发电机组的振动及现场平衡[ M] . 北京: 中国北京电力出版社, 2007.
[ 4] 骆名文, 丁学俊, 祁小波, 等. 大型汽轮机汽流激振研究现状及展望[ J] . 2006, 21( 6) : 551～555.
关键词: 汽轮机; 汽流激振; 叶顶间隙; 汽封激振
Abstract: The steam turbine to generate steam flow excitation mechanism and characteristics to be analyzed, and the bearing strength, the tip clearance vapor seal exciting aspects of high-parameter steam turbine steam flow excitation prevention and elimination measures are described.
Key Words: steam turbine; vapor flow excitation; tip clearance; steam seal excitation
中图分类号：TU74 文献标识码：A文章编号：
进年来，伴随时代的发展，人类的科学技术也一直在飞速的提升, 自从发明了电后，电力开始逐渐在我们的生活中产生不可替代的重要性。大容量火电机组已经成了电力行业的主力军。大容量汽轮发电机轴系变长, 支持轴瓦数量增多, 机组的蒸汽参数不断提高, 产生的汽流激振力也随之增大。汽流激振问题也必将会越来越严重影响汽轮发电机组的安全运行。因此, 加强大型机组的汽轮机汽流激振的研究也显得非常重要。根据汽流激振机理和国外大容量机组的运行经验, 已确认汽流振动故障更容易发生在高参数、大容量汽轮机的高压( 或高中压) 转子上。由于蒸汽激振力近似地正比于机组的出力, 因此, 由汽流振动引起的不稳定振动就成为限制大容量机组出力的主要因素; 尤其随着超临界机组的投运, 汽流激振引起的低频振动会更加突出, 所以加强对高参数、大容量机组汽流激振的研究很有必要。
1汽流激振的机理
所谓汽流激振就是蒸汽作用在高中压转子上的切向力对动静间隙、汽封结构以及转子与汽缸对中的灵敏度提高, 增大了作用在转子上的激振力, 降低了汽轮机轴系的稳定性, 使高中压转子失稳而产生很大的低频振动。作用在汽轮机转子上的蒸汽激振力可分为静态力和动态力两类。这两类力都可以引起汽流激振。
1. 1叶顶间隙激振力
由于机组安装、运行中汽缸跑偏等原因造成转子相对于汽缸发生了偏移, 使得叶顶间隙沿圆周方向发生变化。由于叶顶间隙沿圆周方向存在不同, 蒸汽在不同间隙位置处的泄漏量不均匀, 进而使得作用在叶片沿圆周方向的切向力不等, 这样就产生了一个作用在叶轮中心的横向力, 也称之为间隙激振力。该横向力趋向于使转子产生自激振动。在一个振动周期内, 当系统阻尼消耗的能量小于该横向力所做的功, 转子便会产生自激振动。
当转子中心偏移汽缸中心不大时, 叶顶间隙激振力近似与转子偏移量、功率成正比, 而与叶片高度和线速度成反比, 若激振力用相对值s 表示,则有
s= f
式中s ------- 叶顶间隙激振力
-------转子中心偏移汽缸中心的位移量
-------转子输出功率
-------- 叶片平均线速度
--------叶片高度
由上式可知, 汽流激振容易发生在大功率、叶片较小的高压转子上, 加之高压转子质量较小, 在不大的激振力作用下, 会引起较显著的窝动。
1. 2汽封汽流激振力
为减小各处动静配合间隙处的漏气, 保证汽轮机安全、高效的运行, 设置了各类汽封。所以当运行参数控制不当, 造成转子的动态偏心时, 会引起轴封和隔板汽封腔室中沿圆周方向蒸汽压力分布的不均匀, 这样就会产生一垂直于转子偏移方向的合力, 使转子运动趋于不稳定。由于轴向压差造成了高温高压蒸汽在汽封中的流动, 因此蒸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, 又带动汽封中的蒸汽周向流动, 因此该流体力包括蒸汽在汽封内轴向流动和周向流动产生的两部分汽流力。
1. 3 作用在转子上的不对称的静态蒸汽力
对于喷嘴调节的汽轮机, 调节级进汽的不对称性导致的作用在转子上的作用力不对称, 在某种工况下, 可能会上抬转子。这样将影响轴颈在轴承中的位置,改变轴承的动力特性而造成转子运行失稳。
只有在上述3种力垂直于转子偏心的切向力之和大于转子轴承的油膜阻尼力的时候, 这种振动才会被激发起来。
2汽流激振的特征
汽流激振通常发生在高参数机组的高压转子上,在低参数机组和高参数机组中、低仄转子上很少发生。汽流激振的振动信号有如下特征
2.1汽流激振时轴振全频谱图是正进动方向,轴心轨迹是圆形或近似圆形
2.2自激振动的涡动频率近似為(为转速), 轻度汽流激振时 (涡动频率)略小于转速的1／2.严重汽流激振时为高中压转子的一阶临界转速。
2.3流体激振失稳状态下转子做自激振动,呈现的模态与受到外力作用所呈现的一阶不平衡振动的模态一样。最大振幅通常并不出现在轴承附近的传感器处。因此要求分析人员必须能估计到在不可观察位置的转子的振动幅值。为了精确估计振型,可加装振型测试探头沿转子轴向布置的附加探头。
通常用轨迹和轨迹基图来反映流体激振失稳。流体激振失稳最显著的特征是大的振幅、圆形或近似圆形的轨迹以及转子的正向进动。从汽流激振出现的过程看,另一个十分重要的特征是振动和机组的负荷有着十分密切的关系,有一个“门槛”负荷,往往在低负荷时不会出现,而是在最高负荷时出现,有的出现在接近最高负荷的某一高负荷段
3防止汽流激振的措施
根据汽流激振的机理, 结合轴系稳定性理论及现场机组实际的分析和处理经验, 消除和减少大型汽轮机汽流激振故障的主要措施可以从以下3方面着手。
3. 1减小蒸汽静态力
蒸汽向上的静态力会上抬转子, 在运行中, 我们认真调节, 通过改变调节阀的开启和关闭顺序, 或改变调节阀的开启重叠度, 尽量避免在一不利的工况点停留, 改变作用在转子上面的载荷角, 采用节流调节全周进汽和变压运行, 避免部分进汽产生的汽流激振力。
3. 2减小蒸汽激振力
蒸汽的激振力与蒸汽密度和级前后压差成正比, 这是气流激振易发生在大功率高参数汽轮机上的主要原因所在。而且激振力还与汽封的结构、长度、间隙的大小有关, 随径向间隙增大而减小, 随轴向间隙的增大而增大。我们可采去以下措施: ①使缸体四周与叶轮前部动静间隙尽量均匀。②增大叶顶汽封的径向间隙, 限制推力轴承间隙以减小密封的轴向间隙。③气封间隙沿蒸汽流动方向可设计成喇叭形, 使轴封进气端间隙缩小, 排气端间隙增大, 这种形状产生的气流力不仅不会产生失衡力, 还有利于增加稳定性。④在叶顶汽封和端部汽封间隙处安装止涡装置和逆转向注入液体, 利用该装置或流体的反涡旋干扰间隙内工作介质的周向流动。
3. 3提高轴承稳定性
引起轴承失衡的力有汽流力和油膜力, 提高轴承的稳定性就是使轴承油膜失稳尽可能的减小、即尽可能的增大阻尼力, 为防止汽流激振预留较大空间。如果满足: 汽流力+ 油膜力< 阻尼力时, 就可以避免自激振动的发生。在实际生产中, 我们积极消除轴瓦缺陷, 使其处于良好的工作状态, 调整中心, 减少长径比, 提高转子临界转速, 提高轴承润滑油温,采用稳定性较好的推力轴承, 这些措施都有利于抑制汽流激振力。
4结语
汽流激振问题是大容量、高参数,特别是超临界汽轮机运行中面临的一个重要问题。预防和正确分析、及时解决汽流激振对我国大型机组的安全运行和我国目前发展超临界压力机组具有十分重要的现实意义。本文就此问题阐述了引发机组汽流激振的原因，并对如何避免预防气流激振进行了分析见解。现阶段, 为了避免发生汽流激振, 我们在汽轮机设计阶段进行汽流激振影响下的轴系稳定性的计算分析, 良好轴系稳定性的合理设计, 以及更好推力轴承的应用将是大型汽轮机避免汽流激振故障发生的基本保证。
[ 参考文献]
[ 1] 杨建刚. 汽流激振对轴系稳定性的影响分析[ J] . 中国电机工程学报, 1998, 18( 1) : 35～42.
[ 2] 晏砺堂. 高速旋转机械振动[ M] . 北京: 国防工业出社, 1998.
[ 3] 寇胜利. 汽轮发电机组的振动及现场平衡[ M] . 北京: 中国北京电力出版社, 2007.
[ 4] 骆名文, 丁学俊, 祁小波, 等. 大型汽轮机汽流激振研究现状及展望[ J] . 2006, 21( 6) : 551～555.