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摘 要：依据动静碰摩轴振大故障现象，判定要因是低压外缸刚度不够，在大气压作用下汽缸发生垂直方向下沉的变形造成动静碰摩进而导致轴振大跳机故障。根据低压缸有限元分析结果，通过辅助支撑增强汽缸局部刚度减小局部变形量，并优化低压外缸上半加固方案，解决缸体垂直方向下沉的变形问题，避免因此导致的动静碰摩，成功解决1000MW机组高真空时轴振大跳机故障。针对动静碰摩原因分析，从温度场和受力两个方面着手分析的思路清晰，判定低压内缸变形非要因、以及精准判定要因是低压外缸垂直方向下沉变形的分析过程及结论值得借鉴。进一步优化低压外缸上半加固方案的过程，说明解决低压缸整体垂直方向下沉的变形问题是避免动静碰摩的关键，值得重视。
关键词：机组;真空;有限元分析;低压缸;低压外缸;垂直;下沉;变形;轴振;跳机
引言
河南省某电厂，装机容量2×1000MW机组，汽轮机型号CCLN1000-25.0/600/600，为哈尔滨汽轮机厂有限责任公司与日本东芝公司合作设计、联合制造的一次中间再热、单轴、四缸、四排汽超超临界冲动凝汽式汽轮机。汽机低压内、外缸均为碳钢板焊接而成，两个低压缸利用外缸下半的撑脚坐落在四周布置的台板上。低压转子的四个支持轴承分别位于低压缸两端的轴承座内，这四个轴承座与低压外缸下半焊接成一体并与低压外缸一起坐落在底部台板上。
两台机组投产运行以来，多次出现运行中机组轴振大跳机故障。分析认定为高真空工况下，低压缸变形导致动静碰摩引起轴振大跳机故障。经过哈汽厂家低压缸有限元分析，并优化措施加固低压缸，减小低压缸垂直方向的变形，成功解决高真空工况下机组动静碰摩引起轴振大跳机的故障。
1 轴振大跳机故障次数统计
2 轴振大故障现象
总结该厂两台机组轴振大故障现象如下：
1）轴振频率成分以基频振动为主。
2）启动前盘车状态下，机组抽真空过程往往会伴随盘车电流逐步增大的现象。
3）在机组启停过程中发生轴振大现象后在低转速时偶尔有金属摩擦声音。
4）启动阶段机组定速运行一段时间后易出现低压转子支撑瓦轴振大、振动攀升现象，当机组低负荷高真空运行时也易出现轴振大、振动攀升现象。
5）机组变负荷过程易发生轴振大故障，轴振大故障与机组真空高低有较明显对应关系，故障时越接近极限真空轴振越大，当机组真空短时间变化较多时也易发生轴振大故障。
3 轴振大原因分析
该厂基建投产以来长期存在两台机组振动问题，以基频为主的振动特征，加之偶尔能听到的金属摩擦声音，可以判定轴振大为动静碰摩所致。
通过温度场和受力两个方面去分析，可以排除是低压内缸变形导致动静碰摩的可能性。温度场方面，低压缸进汽温度一般在300℃左右，低压缸排汽温度一般在35℃左右。在進汽部位对应的高温段，低压内缸内壁温度等于进汽温度约300℃，但是该处低压内缸外壁温度约等于低压排汽温度35℃左右，所以，低压内缸因内外壁温差大而普遍存在变形大问题，甚至导致中分面张口漏汽缺陷。但是低压内缸虽然因此存在变形，并非造成动静碰摩的要因，否则，所有汽轮机组都会存在如此振动问题。低压内缸因内外壁温差大导致的变形量，与机组负荷变动、真空变动关系不大，而机组轴振与真空高低有较明显对应关系，所以可以排除是低压内缸变形所致的可能。受力方面，因为低压内缸是圆筒形构造，缸壁圆周受到的作用力是均匀对称的，除了中分面法兰处刚度略大之外，其余缸壁厚度一致，刚度一致，所以真空高低变化带来的作用力变化引起缸壁变形的变化量可以忽略不计，所以，从受力变化方面分析也可以排除低压内缸变形导致动静碰摩的可能性。
结合轴振与机组真空高低有较明显对应关系的情况，我们依然通过温度场和受力两个方面去分析，最终判定引起动静碰摩的要因是低压外缸因刚度不够，其内部真空状态，在汽缸顶部大气压作用下发生垂直方向下沉的变形造成动静碰摩进而导致轴振大跳机故障。
温度场方面，低压外缸内壁温度是低压排汽温度约35℃左右，低压外缸外壁温度基本是当地大气压下汽机房内的环境温度约28℃左右，一般温差都在10℃左右，所以不会因低压外缸内外壁温差大导致变形大，所以温度场分析不会导致变形引起动静碰摩。但是，低压后轴封供汽温度一般约135℃左右，存在低压后轴封体乃至该处低压缸壳体局部温差大变形的可能性，存在因此温差大引起变形大带来动静碰摩的可能。受力方面，低压外缸表面积非常大，在大气压作用下，当其自身刚度不够时必然会产生变形，低压转子轴承箱与低压外缸一体布置，低压外缸的变形进而可以导致转子位置位移，最终也会导致动静碰摩。结合机组负荷变动、真空变动易发生轴振大情况，最终判定引起动静碰摩的要因是低压外缸因刚度不够，其内部真空状态，在汽缸顶部大气压作用下发生垂直方向下沉的变形造成动静碰摩进而导致轴振大跳机故障。
低压外缸上半是近似的半圆弧筒体，下半与凝汽器的四方形壳体相连，在真空作用下，水平中分面法兰强度大变形量小，大气压向下的作用力主要是带来低压外缸垂直方向产生下沉的变形量，这是导致碰摩的要因。
同理可以判定，启动前盘车状态下，机组抽真空过程往往会伴随盘车电流逐步增大的现象，以及机组低负荷高真空运行时出现轴振大、振动攀升现象均是低压外缸下沉变形导致动静碰摩所致。
针对两台机组高真空运行时出现轴振大故障跳机故障，哈尔滨汽轮机厂有限公司应用有限元分析方法，对1000MW汽轮机低压外缸刚度和变形量进行了详细分析，结合现场抽真空实际测量低压缸变形等数据，进一步验证分析结论正确性。依据有限元分析方法，出具加固方案，以期提升低压外缸刚度消除变形解决动静碰摩导致的轴振大跳机故障。
4 提升低压外缸刚度加固措施及效果
对于具有柔性特征的低压缸，根据对低压外缸分析，进行增加辅助支撑，实现汽缸局部刚度增强，减小局部变形量，对于整体下沉的垂直变形改善不足，哈尔滨汽轮机厂经过现场多次验证改进，完善低压外缸上半加固方案，最终方案为低压外缸端部上半外表面增加了若干加强筋，呈扇形分布，低压外缸端部上半内壁增加撑板，低压外缸端部下半增加两个撑管，排汽导流锥板下半增加三个支撑管，下半端壁采用纵横各两道槽钢进行加强。最终加固方案三维模型如图1所示，图中红色部分即为加强部分。低压缸外部加固后实际效果见图2所示，低压外缸下半内部加固效果见图3、图4，低压外缸端部上半内壁增加撑板见图5，低压排汽导流环通过增加拉筋改变固有频率详见图6。
改善整体下沉垂直变形的低压缸加固措施实施后，两台机组在高真空及真空变化较快时，未再发生轴振大跳机故障，至此问题成果解决，最大轴振75μm，优秀，详见图7。
5 结语
结合该机组因动静碰摩导致轴振大故障现象，最终判定要因是低压外缸因刚度不够，其内部真空状态，在汽缸顶部大气压作用下发生垂直方向下沉的变形造成动静碰摩进而导致轴振大跳机故障。根据低压外缸有限元分析结果，通过增加辅助支撑增强汽缸局部刚度减小局部变形量，并优化低压外缸上半加固方案，较好解决低压缸整体垂直方向下沉的变形问题，避免因此导致的动静碰摩，最终成功解决1000MW机组高真空时轴振大跳机故障。
针对动静碰摩原因分析，从温度场和受力两个方面着手去分析的思路清晰，判定低压内缸变形非要因、以及精准判定要因是低压外缸因刚度不够在大气压作用下发生垂直方向下沉变形的分析过程及结论值得借鉴。
在局部辅助支撑加固后进一步优化低压外缸上半加固方案的过程，说明解决低压缸整体垂直方向下沉的变形问题是避免动静碰摩的关键，值得重视。
参考文献
[1] 尹金亮，陈长利，白炎武，王晓峰，刘正强，王洪鹏，田新启，某超超临界1000MW机组低压模块结构分析与变形测试试验研究，2013年超超临界机组技术交流2013 年会，中国天津，2013.11;
[2] 张黎明，一种消除低压缸胀差、变形的温度控制系统，2019年中国电机工程学会年会，北京，2019.11;
作者简介：赵凌伟（1972-），男（汉族），河南省开封市**县人，本科，热能动力工程专业高级工程师，1992年参加工作，国电投南阳热电有限责任公司，总经理，多年从事电力行业相关管理工作。
关键词：机组;真空;有限元分析;低压缸;低压外缸;垂直;下沉;变形;轴振;跳机
引言
河南省某电厂，装机容量2×1000MW机组，汽轮机型号CCLN1000-25.0/600/600，为哈尔滨汽轮机厂有限责任公司与日本东芝公司合作设计、联合制造的一次中间再热、单轴、四缸、四排汽超超临界冲动凝汽式汽轮机。汽机低压内、外缸均为碳钢板焊接而成，两个低压缸利用外缸下半的撑脚坐落在四周布置的台板上。低压转子的四个支持轴承分别位于低压缸两端的轴承座内，这四个轴承座与低压外缸下半焊接成一体并与低压外缸一起坐落在底部台板上。
两台机组投产运行以来，多次出现运行中机组轴振大跳机故障。分析认定为高真空工况下，低压缸变形导致动静碰摩引起轴振大跳机故障。经过哈汽厂家低压缸有限元分析，并优化措施加固低压缸，减小低压缸垂直方向的变形，成功解决高真空工况下机组动静碰摩引起轴振大跳机的故障。
1 轴振大跳机故障次数统计
2 轴振大故障现象
总结该厂两台机组轴振大故障现象如下：
1）轴振频率成分以基频振动为主。
2）启动前盘车状态下，机组抽真空过程往往会伴随盘车电流逐步增大的现象。
3）在机组启停过程中发生轴振大现象后在低转速时偶尔有金属摩擦声音。
4）启动阶段机组定速运行一段时间后易出现低压转子支撑瓦轴振大、振动攀升现象，当机组低负荷高真空运行时也易出现轴振大、振动攀升现象。
5）机组变负荷过程易发生轴振大故障，轴振大故障与机组真空高低有较明显对应关系，故障时越接近极限真空轴振越大，当机组真空短时间变化较多时也易发生轴振大故障。
3 轴振大原因分析
该厂基建投产以来长期存在两台机组振动问题，以基频为主的振动特征，加之偶尔能听到的金属摩擦声音，可以判定轴振大为动静碰摩所致。
通过温度场和受力两个方面去分析，可以排除是低压内缸变形导致动静碰摩的可能性。温度场方面，低压缸进汽温度一般在300℃左右，低压缸排汽温度一般在35℃左右。在進汽部位对应的高温段，低压内缸内壁温度等于进汽温度约300℃，但是该处低压内缸外壁温度约等于低压排汽温度35℃左右，所以，低压内缸因内外壁温差大而普遍存在变形大问题，甚至导致中分面张口漏汽缺陷。但是低压内缸虽然因此存在变形，并非造成动静碰摩的要因，否则，所有汽轮机组都会存在如此振动问题。低压内缸因内外壁温差大导致的变形量，与机组负荷变动、真空变动关系不大，而机组轴振与真空高低有较明显对应关系，所以可以排除是低压内缸变形所致的可能。受力方面，因为低压内缸是圆筒形构造，缸壁圆周受到的作用力是均匀对称的，除了中分面法兰处刚度略大之外，其余缸壁厚度一致，刚度一致，所以真空高低变化带来的作用力变化引起缸壁变形的变化量可以忽略不计，所以，从受力变化方面分析也可以排除低压内缸变形导致动静碰摩的可能性。
结合轴振与机组真空高低有较明显对应关系的情况，我们依然通过温度场和受力两个方面去分析，最终判定引起动静碰摩的要因是低压外缸因刚度不够，其内部真空状态，在汽缸顶部大气压作用下发生垂直方向下沉的变形造成动静碰摩进而导致轴振大跳机故障。
温度场方面，低压外缸内壁温度是低压排汽温度约35℃左右，低压外缸外壁温度基本是当地大气压下汽机房内的环境温度约28℃左右，一般温差都在10℃左右，所以不会因低压外缸内外壁温差大导致变形大，所以温度场分析不会导致变形引起动静碰摩。但是，低压后轴封供汽温度一般约135℃左右，存在低压后轴封体乃至该处低压缸壳体局部温差大变形的可能性，存在因此温差大引起变形大带来动静碰摩的可能。受力方面，低压外缸表面积非常大，在大气压作用下，当其自身刚度不够时必然会产生变形，低压转子轴承箱与低压外缸一体布置，低压外缸的变形进而可以导致转子位置位移，最终也会导致动静碰摩。结合机组负荷变动、真空变动易发生轴振大情况，最终判定引起动静碰摩的要因是低压外缸因刚度不够，其内部真空状态，在汽缸顶部大气压作用下发生垂直方向下沉的变形造成动静碰摩进而导致轴振大跳机故障。
低压外缸上半是近似的半圆弧筒体，下半与凝汽器的四方形壳体相连，在真空作用下，水平中分面法兰强度大变形量小，大气压向下的作用力主要是带来低压外缸垂直方向产生下沉的变形量，这是导致碰摩的要因。
同理可以判定，启动前盘车状态下，机组抽真空过程往往会伴随盘车电流逐步增大的现象，以及机组低负荷高真空运行时出现轴振大、振动攀升现象均是低压外缸下沉变形导致动静碰摩所致。
针对两台机组高真空运行时出现轴振大故障跳机故障，哈尔滨汽轮机厂有限公司应用有限元分析方法，对1000MW汽轮机低压外缸刚度和变形量进行了详细分析，结合现场抽真空实际测量低压缸变形等数据，进一步验证分析结论正确性。依据有限元分析方法，出具加固方案，以期提升低压外缸刚度消除变形解决动静碰摩导致的轴振大跳机故障。
4 提升低压外缸刚度加固措施及效果
对于具有柔性特征的低压缸，根据对低压外缸分析，进行增加辅助支撑，实现汽缸局部刚度增强，减小局部变形量，对于整体下沉的垂直变形改善不足，哈尔滨汽轮机厂经过现场多次验证改进，完善低压外缸上半加固方案，最终方案为低压外缸端部上半外表面增加了若干加强筋，呈扇形分布，低压外缸端部上半内壁增加撑板，低压外缸端部下半增加两个撑管，排汽导流锥板下半增加三个支撑管，下半端壁采用纵横各两道槽钢进行加强。最终加固方案三维模型如图1所示，图中红色部分即为加强部分。低压缸外部加固后实际效果见图2所示，低压外缸下半内部加固效果见图3、图4，低压外缸端部上半内壁增加撑板见图5，低压排汽导流环通过增加拉筋改变固有频率详见图6。
改善整体下沉垂直变形的低压缸加固措施实施后，两台机组在高真空及真空变化较快时，未再发生轴振大跳机故障，至此问题成果解决，最大轴振75μm，优秀，详见图7。
5 结语
结合该机组因动静碰摩导致轴振大故障现象，最终判定要因是低压外缸因刚度不够，其内部真空状态，在汽缸顶部大气压作用下发生垂直方向下沉的变形造成动静碰摩进而导致轴振大跳机故障。根据低压外缸有限元分析结果，通过增加辅助支撑增强汽缸局部刚度减小局部变形量，并优化低压外缸上半加固方案，较好解决低压缸整体垂直方向下沉的变形问题，避免因此导致的动静碰摩，最终成功解决1000MW机组高真空时轴振大跳机故障。
针对动静碰摩原因分析，从温度场和受力两个方面着手去分析的思路清晰，判定低压内缸变形非要因、以及精准判定要因是低压外缸因刚度不够在大气压作用下发生垂直方向下沉变形的分析过程及结论值得借鉴。
在局部辅助支撑加固后进一步优化低压外缸上半加固方案的过程，说明解决低压缸整体垂直方向下沉的变形问题是避免动静碰摩的关键，值得重视。
参考文献
[1] 尹金亮，陈长利，白炎武，王晓峰，刘正强，王洪鹏，田新启，某超超临界1000MW机组低压模块结构分析与变形测试试验研究，2013年超超临界机组技术交流2013 年会，中国天津，2013.11;
[2] 张黎明，一种消除低压缸胀差、变形的温度控制系统，2019年中国电机工程学会年会，北京，2019.11;
作者简介：赵凌伟（1972-），男（汉族），河南省开封市**县人，本科，热能动力工程专业高级工程师，1992年参加工作，国电投南阳热电有限责任公司，总经理，多年从事电力行业相关管理工作。