大型核電汽輪發電機熱致振動試驗研究

陳自強，楊 璋

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大型核電汽輪發電機熱致振動試驗研究

陳自強，楊 璋

（福建寧德核電有限公司，福建 寧德 355200）

試驗研究大型核電汽輪發電機組的四極發電機轉子存在熱彎曲時的振動特性。建立帶熱彎曲的轉子動力學模型，分析轉子熱彎曲與不平衡響應的振動特性。以某批國產1000 MWe四極核能發電機轉子為研究對象，測試并分析發電機轉子臺架試驗與實際運行工況下冷態及熱態時的振動數據。重點分析轉子臨界轉速及額定轉速下的熱矢量變化，試驗結果顯示發電機轉子的熱彎曲主要影響轉子臺架試驗時的一階振動，實測試驗數據與理論模型分析結果比較一致，同時發現熱彎曲發電機轉子實際運行時對一階與二階振動分量均有復雜影響。試驗研究還發現，在發電機轉子兩側風扇燕尾槽內安裝同相配重塊優化發電機一階共振振幅時減振效果有限，該處加重不敏感。

1000 MWe四極發電機；轉子熱彎曲；熱致振動；熱矢量；振動特性分析；動平衡

0 前言

汽輪發電機轉子由于鍛件材料的各向異性（不均）、轉子冷卻系統不對稱、轉子受熱不均勻、轉子線圈熱膨脹不均產生內摩擦力及動靜碰磨等原因容易導致熱不平衡，該類現象在火電機組較為常見，相關研究也比較深入[1-7]。大型壓水堆核電機組由于主蒸汽參數低，往往選用半轉速（1500 r/min）的濕蒸汽汽輪機并配套使用四極發電機[8-10]。隨著國內一批百萬、千萬級核電機組陸續建成投產[11,12]，研究這批大型四極發電機轉子的振動特性具有重要意義。本文結合國產壓水堆核電站（CPR1000）部分同型號四極汽輪發電機啟停機過程中的振動現象，對大型四極汽輪發電機存在輕微熱彎曲時啟停機的振動特性及治理措施進行試驗研究。

1 大型四極核能汽輪發電機結構

根據核電用濕蒸汽汽輪機蒸汽參數低的特點，發電機往往采用四極隱極式轉子，即轉子同步轉速1500r/min。某型汽輪發電機為引進ALSTOM技術合作生產的TA 1100-78 四極三相同步汽輪發電機，發電機冷卻方式為水-氫-氫，發電機勵磁系統采用帶機端勵磁變壓器的自并勵無刷勵磁系統。汽輪發電機主要由定子、轉子、端罩和軸承等部件組成。發電機轉軸由高強度、高導磁性的合金鋼鍛件加工而成，在轉子本體徑向上開有縱向的槽用于安裝勵磁繞組；轉子繞組在槽內由銅合金槽楔緊固以抵御離心力，這種槽楔均楔入轉子槽口處的鴿尾槽內。由于該型發電機已經不再產生倍頻振動，因此在大齒上不再加工橫向槽。

主要設計參數如下：

容量 1277.78 MVA

有功功率 1150 MW

功率因數 0.9

電壓 24 kV

電壓變化率 ±5%

額定電流 30739 A

轉速 1500 r/min

頻率 50 Hz

相數 3

定子繞組連接方式 Y

絕緣等級 F級（按B級溫升考核）

冷卻器進水溫度 29 °C

氫壓 3 bar

轉子總長 15371 mm

轉子重量 233t

軸承跨距 12580 mm

軸徑 Φ800 mm

本體尺寸 Φ1950 mm×7950 mm

轉子加工有48槽，槽形為矩形槽，1號槽為淺槽；轉子采用全阻尼結構：大齒淺槽內阻尼條與下線槽內的阻尼條共同形成一個完整的阻尼籠。汽輪發電機的結構如圖1所示。

圖1 發電機總體結構圖

2 帶熱彎曲的轉子動力學模型

帶初始暫態熱彎曲轉子的彎曲彈性變形將產生彈性恢復力，采用有限元方法建立彎曲彈性轉子的加重響應方程[13]：

因此，轉子的彎曲響應為：

轉子的加重響應為：

通過有限元計算該型發電機轉子自身的一階臨界轉速為885r/min，二階臨界轉速區為1778~2127 r/min；汽輪發電機組軸系的前七階臨界轉速中對應發電機轉子的分別是一階（890r/min）、五階（1804r/min）和六階（2140r/min）。

由于該型汽輪發電機的額定工作轉速是1500r/min，因此處于一階臨界轉速與二階臨界轉速之間。

3 啟停過程臺架試驗研究

汽輪發電機轉子出廠前需要驗證熱態下（制造廠往往通過集電環對轉子進行加熱至規定的溫升值）的振動情況，其中轉子平均溫度通過壓降法測直流電阻的方式估算。由于大型鍛件材料難免存在各向異性（不均）的可能性，部分發電機轉子熱態下存在一定熱彎曲，該型號各發電機轉子出廠溫升試驗結果也驗證了這一點。

以其中一臺熱態下存在一定熱彎曲的汽輪發電機轉子為例進行試驗研究。轉子在動平衡臺架就位后，在環境溫度為12℃時將轉速提升至額定轉速1500 r/min并維持穩定，隨后通過提高轉子上繞組的電壓/電流，將轉子溫度提升45℃的溫升（約25min內由約15℃提高至約60℃）。實測發電機轉子冷態升速及熱態惰走過程垂直方向測點的波德圖。其中，圖2所示為發電機轉子靠近汽輪機側軸頸位置（前軸承）的冷態升速波德圖，圖3所示為發電機轉子靠近勵磁機側軸頸位置（后軸承）的熱態降速波德圖，曲線a分別代表升速波德圖的一倍頻幅值與相位；曲線b分別代表降速波德圖的一倍頻幅值與相位。

圖2 發電機轉子溫升試驗振動波德圖（前軸承側）

圖3 發電機轉子溫升試驗波德圖（后軸承側）

圖2和圖3比較發現轉子的溫升對過臨界及額定轉速下的振動影響明顯，熱態時的振動情況與冷態時差別較大，熱矢量計算結果見表1。

由表1得出：溫升導致轉子過臨界時的熱矢量變化明顯高于額定轉速工況，前測點的幅值變化約為7倍，后測點處約為13.3倍；溫升前后轉子兩側（汽輪機側和勵磁機側）在臨界轉速區的熱矢量變化接近，轉子在額定轉速下前測點側的熱矢量幅值約為后測點側的兩倍；轉子在臨界轉速下熱矢量變化以一階變量為主，相位變化量接近反相，二階變量幾乎可以忽略，而轉子兩側額定轉速下一階熱矢量變化量略高于二階量，相位接近。試驗結果與第2節的理論分析基本一致。

表1 發電機轉子臺架試驗振動熱矢量幅值μm∠°

制造廠往往通過加重的方式調整發電機冷態、熱態下的振動情況（該型號發電機轉子本體上軸向共35排配重螺釘孔，兩螺釘孔軸向距離150 mm；每排配重孔在周向共8個配重孔。以零點為起點，周向配重孔角度分別是10°、75°、100°、165°、190°、255°、280°、345°），一般在轉子中部安裝動平衡螺釘平衡過臨界時的振動，在轉子兩側安裝動平衡螺釘平衡轉子額定轉速下的振動。

4 熱彎曲汽輪發電機啟停機試驗研究

發電機轉子在制造廠經過仔細平衡后，在電廠軸系運行條件下還會由于轉子外伸端狀態的變化、支承條件的不同、臨界轉速和振型的改變，靠背輪的對中不正效應、熱狀態（帶負荷）的不同導致平衡狀態改變[14]。仍以第3節所述發電機轉子為例，試驗研究該汽輪發電機啟停機過程中的振動特性。

4.1 冷態沖轉及熱態惰走工況振動測試

首先研究該汽輪發電機冷態沖轉及長期帶負荷后停機惰走時的振動特性。圖4所示為該汽輪發電機2016年6月13日沖轉過程兩側垂直方向測點的波德圖，沖轉前實測氫冷器冷氫平均溫度約34.94 ℃，熱氫平均溫度約36.09 ℃，轉子的平均溫度約35.52 ℃。

由圖4可見，發電機冷態沖轉通過臨界轉速區過程中在垂直方向出現兩處峰值，雖然四極發電機轉子大齒上不再加工橫向槽，徑向各次剛度基本對稱，但該型汽輪發電機軸系采用的三瓦塊可傾瓦在水平/垂直方向存在較明顯的剛度差別（水平方向剛度低，導致振幅及臨界轉速均高于水平向）。同時從圖4還發現后軸承的振幅明顯低于前軸承，這可能發電機實際運行時在后軸承處安裝有勵磁機有關。

圖4 汽輪發電機沖轉波德圖（20160613）

該發電機連續運行半年多后于2017年1月20日解列臨停檢修，測量惰走時的波德圖，如圖5所示。此時，發電機解列停機前根據公式（9）[15]實測發電機轉子平均溫度約50.2 ℃，惰走前實測氫冷器冷氫平均溫度36.68 ℃，熱氫平均溫度約39.63 ℃。

式（9）中，。

由前文可知，圖5中汽輪發電機轉子惰走前的平均溫度約50.2 ℃，而圖4中約35.52 ℃，前者比后者的溫升高約15℃；前者惰走過臨界時垂直向的共振峰不如水平向明顯，共振振幅均有一定程度降低，但總體上振動特性更復雜，尤其是后軸承測點處。發電機轉子前軸承處在熱態時臨界共振振幅或額定轉速下的振動均比冷態時有明顯降低，但后軸承處的變化相反。發電機轉子兩側軸承處垂直方向振動測點的熱矢量計算結果見表2。

表2 發電機轉子實際運行振動熱矢量幅值μm∠°

由表2得出：溫升導致發電機轉子過臨界時前測點處的熱矢量變化約低于額定轉速工況時20%，后測點處約高50%；溫升前后轉子前軸承側在臨界轉速區的熱矢量變化遠低于后軸承側，僅約25%；轉子在額定轉速下前軸承側的熱矢量幅值約為后軸承側的50%；轉子在臨界轉速下熱矢量變化以一階變量居多，但二階變量不可忽略，一階變化量的相位與二階量基本反相；轉子兩側額定轉速下一階熱矢量變化量約為二階量的兩倍，一階變化量的相位與二階量基本反相。

總體而言，由于發電機實際運行過程中支撐方式的改變、勵磁機的影響及溫升導致的熱矢量等綜合作用，改變了冷熱態啟停機的振動特性，熱矢量導致的振動變化更復雜。由于汽輪發電機組軸系的影響改變了發電機單轉子的振型，在臨界轉速區和額定轉速下發電機轉子一階分量和二階分量同時存在且一階分量占優，在發電機轉子原有質量分布狀態未發生改變的前提下，可以認為熱矢量對轉子的振動影響更大。試驗結果與第2節理論分析結果不一致，發電機實際運行時的振動更復雜。

4.2 發電機運行條件下動平衡試驗

由于發電機轉子實際運行中調節自身平均溫度的措施有限，對發電機在軸系運行條件下進行了動平衡試驗，進一步探索該類大型四極汽輪發電機轉子的振動特性。

仍以第3節所述發電機轉子為試驗研究對象。結合圖3和圖4的波德曲線分析，該發電機轉子過臨界時的共振振幅偏高存在優化空間，同時考慮到電廠發電機抽轉子在本體上加重的難度，動平衡試驗以在發電機轉子兩側風扇的燕尾槽內對稱加重的方式實施（風扇環平衡槽節圓直徑1480 mm，兩側各對稱加重2.0kg），以此研究汽輪發電機在該處的動平衡響應特性。

測量發電機轉子動平衡前后冷態沖轉過程前軸承處垂直方向的波德圖，如圖6所示。從圖6看出：加重后發電機轉子前軸承處垂直方向的共振峰值下降約30 μm，水平向的共振峰值基本保持不變，額定轉速下的振幅上升約10 μm；除700~900 r/min區間相位有一定變化外，其余轉速平臺下相位基本保持不變。同等比較二極發電機轉子，四極發電機轉子兩側共計4 kg的同相加重質量對轉子的振動影響有限，這可能和四極轉子自身的質量大、跨距長等有關。大型四極發電機轉子對兩側同相加重的振動影響不敏感。

圖6 汽輪發電機動平衡前后波德圖

5 結論

大型四極汽輪發電機轉子由于鍛件各向異性（不均），溫升導致的熱彎曲對轉子振動影響較大。發電機單轉子臺架試驗時，熱彎曲的影響以一階為主；發電機實際運行時，熱彎曲同時影響一階分量和二階分量，熱矢量影響復雜。發電機熱態惰走時共振振幅同比要低于冷態沖轉過程，因此適當提高發電機轉子溫度有助于改善轉子通過臨界轉速區時的共振振幅。試驗研究還發現大型四極汽輪發電機轉子存在兩側加重振動響應低的特點。

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Experimental Study on Thermal Vibration of Large Nuclear Power Turbine Generator

CHEN Ziqiang, YANG Zhang

(Ningde Nuclear Power Company, Ningde 355200, China)

Experimental study on the vibration characteristics of the rotor of a large quadrupole turbo generator. The dynamic model of the rotor with thermal bending is established, and the vibration characteristics of the rotor are analyzed. Based on a series of 1000 MWe nuclear power generator rotor, the vibration data of the generator rotor at the cold and hot state was analyzed. Focus on the analysis of heat change vector of rotor critical speed and rated speed. The test results show that the vibration of generator rotor thermal bending mainly affects the rotor test bench when the test data and the theoretical model is consistent with the analysis results, also found that the thermal bending of generator rotor running on one and two step vibration components are complex effect. The experimental results also show that the damping effect is limited when the first order resonant amplitude of the generator is installed in the dovetail groove of the rotor of the generator.

1000 MWe quadrupole generator; rotor thermal bending; thermal vibration; thermal vector; vibration characteristics analysis; dynamic balance

TM311

A

1000-3983(2018)06-0057-05

2017-11-30

陳自強（1974-），1996年7月畢業于西安交通大學熱力渦輪機專業，本科學歷，從事核電站運行及安全研究，高級工程師。