汽輪機汽封力對轉子-軸承系統穩定性影響分析

吳立明

（哈爾濱汽輪機廠有限責任公司，哈爾濱 150046）

0 引言

隨著300 MW、600 MW、1 000 MW等級的大型高參數汽輪發電機組的大量投運，多臺機組出現了由于汽封設計或安裝不當引起的汽流激振問題，造成機組在帶大負荷運行時，蒸汽參數較高的高壓或高中壓轉子出現振動大跳機，無法滿負荷運行，給用戶造成重大損失。文中僅以某電廠發生汽封流體激振失穩的機組為例，對機組軸系穩定性進行計算分析，結合汽流激振的失穩機理，提出振動控制方法，并在實際機組運行中進行驗證。

圖1 機組高中壓通流圖

1 汽封動力特性系數計算

以某電廠汽輪發電機組為例，主要對機組高中壓的端汽封、高壓排汽平衡環、高壓進汽平衡環、中壓進汽平衡環以及高中壓的葉頂汽封和隔板汽封進行分析，圖1是機組高中壓通流圖。根據相應位置的汽封壓力、溫度、流速及汽封和轉子幾何尺寸等相關參數，對汽封蒸汽力進行等效剛度、阻尼系數計算，得到各汽封位置的剛度與阻尼系數見文獻［1］。

2 機組穩定性計算

機組良好的軸系設計是大型汽輪機避免發生汽流激振的根本保證。國內目前主要是使用對數哀減率作為軸系穩定性判據：對數哀減率越大，系統穩定性越好。理論上對數衰減率δ＞0時，系統穩定；δ<0時，系統不穩定；δ=0時，系統處于臨界狀態。但實際設計當中穩定性要有足夠裕量，盡管目前對于阻尼對數衰減率尚無標準，但參考國外有關大公司的設計經驗，考慮汽流激振影響后，應保證工作轉速下高壓轉子的阻尼對數衰減率＞0.15［2］。

3 對數衰減率計算

將轉子-軸承系統進行分段建模，模型模化簡圖見圖2。共109個節點，高中壓及低壓轉子各由2個軸承支撐，將高中壓各位置處的汽封剛度與阻尼系數數值帶入模型當中，使用Riccati傳遞矩陣法進行模態及對數衰減率計算，得到未考慮與考慮汽封流體力的對數衰減率結果。如圖3、圖4所示。

圖3 無汽封流體力影響的對數衰減率與轉速的關系

圖4 存在汽封流體力影響下對數衰減率與轉速的關系

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

4 機組汽流激振失穩的診斷及處理

某機組試運行時出現過一次汽流激振失穩現象。機組在高負荷時#1、#2瓦x、y方向的振動頻譜如圖5所示，可以發現頻譜中存在很明顯的半頻振動，這是轉子發生自激振動的典型現象。揭缸檢查后發現機組通流間隙與設計值出現很大偏差，易于發生汽流激振。在更換上對軸系穩定性影響較大位置的汽封為防汽流激振汽封時，并調整通流間隙到設計值后，機組振動消除。

圖5 機組振動頻譜圖

5 結語

經計算分析，得到結論如下：

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

2）結合分析結果，給出了實際發生汽流激振機組的處理解決方案。

［1］ 吳立明，初世明.受迷宮汽封汽流力影響的汽輪機轉子動特性系數研究［J］.汽輪機技術，2014

［2］ 聞邦椿，顧家柳，夏松波，等.高等轉子動力學［M］.北京：機械工業出版社，2000.

［3］ 張學延，王延博，張衛軍.大型汽輪機汽流激振問題的分析和處理［J］.熱力發電，2004（2）：47－55，77.

［4］ 童小忠，應光耀.半山1號燃氣機組油膜渦動和油膜振蕩分析及處理［J］.汽輪機技術，2006，48（1）：63-66.

［5］ 寇勝利.汽輪發電機組的振動及現場平衡［M］.北京：中國電力出版社，2007.