大型發電機轉子軸系橫振評判標準分析

胡佩俊+賈子龍+顧敏

摘要：為了保證大容量汽輪發電機組轉子軸系在電廠的長期安全運行，其橫振特性在設計及運行階段均須滿足相應的評判標準.總結了國內外標準及行業標準中對于發電機組轉子軸系橫振特性的評判要求，運用Riccati軸系傳遞矩陣法分別計算了600 MW、1 000 MW等級大型發電機組軸系臨界轉速，并結合權威測試機構對機組的現場升降速試驗數據進行了調研，將多組計算和試驗得到的轉子軸系臨界轉速與相關標準進行了對比.分析結果表明，現行橫振評判標準具有較好的適用性，并建議可將頻率、響應、敏感度等指標結合，以評判發電機組橫振特性的優劣，進一步提高標準的適用性，從而提高大型汽輪發電機組軸系設計的可實現性.

關鍵詞：發電機組； 評判標準； 橫振； 臨界轉速

中圖分類號： TK 263 文獻標志碼： A

Abstract：To ensure the longterm safe run of large capacity turbogenerators，the rotor shaft system should meet the evaluation criteria of lateral vibration in the design and operation process.The criteria at home and abroad as well as industrial standards for the shaft lateral vibration were collected and summarized in this paper.Several groups of critical speed for 600 MW and 1 000 MW turbogenerators rotor shaft were calculated using Riccati transfer matrix method.At the same time，those critical speeds from the authoritys field testing were presented.Comparative analysis between these calculated and testing results was conducted.It found that the existing evaluation criteria or standards were proved to have relatively high applicability.Some suggestions were provided that more factors such as vibration frequency，response and sensitivity should be included to judge the lateral vibration performance of generator set，which could make the existing evaluation criteria or standards more applicability.Therefore，the rotor shaft design of large capacity turbinegenerator set had good realizability.

Keywords：generator set； evaluation criteria； lateral vibration； critical speed

大容量發電機組由于轉子細長比的減小，其軸系臨界轉速走低是普遍存在且較難避免的現實問題.評判軸系橫振動力特性是否符合設計要求涉及到選用何種設計標準.目前，國內外標準及行業標準對于軸系設計橫振特性的評判不盡相同，有些規定臨界轉速須避開量為主要評判標準，有些則更關注軸系在不平衡量作用下橫向振動響應水平.標準的制定是一項系統性工程，涉及到大量計算和試驗，合理的標準應在保證機組長期安全運行的前提下具有較高的適用性，使絕大部分發電機軸系設計能夠順利實現.國內各大汽輪發電機組設計制造廠商在評判軸系橫振特性時綜合考慮了軸系臨界轉速、不平衡響應、轉速峰值響應靈敏度、現場試驗等因素[1-2].本文分別以600 MW、1 000 MW等級大型汽輪發電機組為研究載體，結合成熟的基于Riccati軸系傳遞矩陣法的理論計算和權威機構的現場試驗，將各機組轉子軸系臨界轉速計算值和試驗值與現行通用標準進行對比，分析標準的適用性，為標準運用及部分標準的修改及制定提供參考.

1 大型發電機組軸系橫振理論分析

1.1 傳遞矩陣法

軸系橫振特性理論分析主要包括橫振固有頻率、不平衡響應、失穩特性等計算內容.傳遞矩陣法是常用的計算軸系特性的方法之一，在轉子動力學計算中占有主導地位.其原理是將一個連續系統離散化為一系列相互連接的子系統，選取一系列狀態向量，各個連接子系統間的關系可以通過由這些狀態向量組成的傳遞矩陣表示，再根據邊界條件，得到系統的固有頻率和模態向量.傳遞矩陣法的主要特點是編程簡單、占內存少、運算速度快，特別適用于像轉子這樣的鏈式系統.轉遞矩陣法與機械阻抗、直接積分等方法相配合，還可以求解復雜轉子系統的問題.

1.2 大型發電機組軸系橫振特性計算

分別以600 MW、1 000 MW等級大型汽輪發電機組為研究對象，利用Riccati傳遞矩陣法對軸系進行橫振固有頻率計算，得到的機組臨界轉速如表1、2所示.

兩臺機組的臨界轉速計算結果均符合通用的設計標準，即發電機臨界轉速設計值須避開工作頻率±10%的范圍.

2 大型發電機組軸系臨界轉速試驗

2.1 試驗方法和原理