超臨界汽輪機(jī)組蒸汽激振的分析

1、超臨界汽輪機(jī)組蒸汽激振的分析摘要：蒸汽激振是關(guān)系汽輪發(fā)電機(jī)組經(jīng)濟(jì)性、安全性的重大問題。機(jī)組容量不斷增大、蒸汽參數(shù)不斷提高使蒸汽激振問題成為目前大機(jī)組，尤其是超臨界機(jī)組，設(shè)計(jì)、運(yùn)行、檢修中必須考慮的重要問題之一。本文分析了蒸汽激振的原理、特征以及蒸汽激振對(duì)汽輪機(jī)組的危害，給出了當(dāng)前常用的汽流激振治理方法。關(guān)鍵詞：蒸汽激振，超臨界，激振力，汽輪機(jī)。Abstract：The steam-induced self-excited vibration is a primary problem for turbo-generators.It has become one of the most impor

2、tant issues for the ultra-supercritical steam turbine and must be taken into account.This paper analyzes the principles and features exciting steam and steam turbine vibration of the harm, given the current commonly used treatment method for steam flow excitation.Key words: steam excitation, supercr

3、itical, exciting force, turbine.1、 前言采用超臨界壓力甚至超超臨界壓力是提高汽輪機(jī)熱效率的重要途徑之一。一般而言，超臨界機(jī)組的熱效率比亞臨界機(jī)組的高2-3左右，而超超臨界機(jī)組的熱效率比常規(guī)超臨界機(jī)組的高4左右。隨著我國電力工業(yè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整，研制、生產(chǎn)和發(fā)展超臨界壓力機(jī)組是火力發(fā)電節(jié)約能源、改善環(huán)保、提高發(fā)電效率、降低發(fā)電成本的必然趨勢(shì)。但汽輪機(jī)蒸汽參數(shù)的提高，會(huì)導(dǎo)致高壓缸進(jìn)汽密度增大、流速提高，蒸汽作用在轉(zhuǎn)子上的切向力對(duì)動(dòng)靜間隙、密封結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)子與汽缸對(duì)中度的靈敏度提高，增大了作用在轉(zhuǎn)子上的激振力，這使超臨界汽輪機(jī)發(fā)生蒸汽激振的可能性遠(yuǎn)大于亞臨界汽輪機(jī)。蒸汽激振屬

4、于自激振動(dòng)，是由汽輪機(jī)內(nèi)部蒸汽激振力激勵(lì)引起的振動(dòng)。蒸汽激振會(huì)使軸系穩(wěn)定性降低，嚴(yán)重時(shí)會(huì)誘發(fā)轉(zhuǎn)子失穩(wěn)，產(chǎn)生很大的低頻振動(dòng)，蒸汽激振成為影響超臨界汽輪機(jī)可靠性的重要因素和面臨的主要問題之一1。因此，研究蒸汽激振及其防治措施對(duì)于提高超臨界汽輪機(jī)的可靠性有著十分重要的意義。2、 汽輪機(jī)蒸汽激振的機(jī)理與特征1、定義自激振動(dòng)是指振動(dòng)自身所激勵(lì)的振動(dòng)，其與轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡等無直接關(guān)系，而是由于機(jī)械振動(dòng)內(nèi)部的力激發(fā)起來的。維持自激振動(dòng)的能量來源于系統(tǒng)本身運(yùn)動(dòng)中獲取的能量。系統(tǒng)一旦失穩(wěn)，振幅將隨時(shí)間迅速發(fā)散（線性系統(tǒng)）或呈極限環(huán)軌跡（非線性系統(tǒng)）。在汽輪機(jī)的蒸汽間隙（包括徑向和軸向）中存在許多汽流擾動(dòng)的振源。其

5、中因在安裝、檢修時(shí)通流間隙出現(xiàn)偏差、運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子移位、或是由于轉(zhuǎn)子彎曲、汽缸膨脹跑偏和汽流作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子軸向推力，均可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子與靜子的徑向和軸向間隙發(fā)生變化，而出現(xiàn)偏差，這種偏差會(huì)產(chǎn)生一個(gè)作用于轉(zhuǎn)子上，并促使其渦動(dòng)的切向力，即蒸汽激振力。2、 蒸汽激振機(jī)理 2.1、葉頂間隙激振力汽輪機(jī)的蒸汽間隙（轉(zhuǎn)子和靜子之間的徑向動(dòng)靜間隙，亦稱徑向間隙），一般應(yīng)均勻無偏差，由于轉(zhuǎn)子彎曲，汽缸膨脹變形跑偏時(shí)，或者汽流作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子切向推力，轉(zhuǎn)子動(dòng)葉頂部和隔板汽封的間隙沿周向不均勻（圖1），進(jìn)而造成動(dòng)葉頂部周向間隙的漏汽量不等，同時(shí)引起通過動(dòng)葉片的蒸汽流量、速度和蒸汽推力沿圓周不等。簡單地說，對(duì)應(yīng)于小間隙處產(chǎn)生

6、大推力（），大間隙處產(chǎn)生小推力()。其結(jié)果產(chǎn)生一個(gè)垂直于轉(zhuǎn)子中心與汽缸中心的連線的橫向合力()，此力將促使葉輪中心O繞汽缸中心（隔板中心）旋轉(zhuǎn)，誘發(fā)轉(zhuǎn)子渦動(dòng)。該力的大小與這一級(jí)的功率成正比，與葉片的高度成反比。在一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)，當(dāng)系統(tǒng)阻尼消耗的能量損失小于橫向力所做的功，這種渦動(dòng)就會(huì)被激發(fā)產(chǎn)生自激振動(dòng)。 圖1 動(dòng)葉因偏心激振力2.2、汽封激振力汽輪機(jī)為了提高蒸汽做功效率，在葉頂、隔板與軸端都設(shè)置有汽封，分別稱作葉頂汽封、隔板汽封、軸封，這三種汽封產(chǎn)生三種激振力。這些激振力對(duì)機(jī)組轉(zhuǎn)子的動(dòng)特性有不良的影響，是大型透平機(jī)組發(fā)生失穩(wěn)的一個(gè)重要原因，而評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)穩(wěn)定性的主要參數(shù)之一，便是動(dòng)特性系數(shù)。由

7、于迷宮密封的存在，必然引起汽流激振，恰當(dāng)確定各密封有關(guān)參數(shù)，可使激振力最小，系統(tǒng)最穩(wěn)定。因而迷宮密封各參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)子動(dòng)特征影響的研究具有重要意義。一般認(rèn)為，汽封流體激振力是由于轉(zhuǎn)子在密封腔中偏置時(shí)，密封周向存在不均勻壓力分布所引起的。由于密封腔中的氣流有旋轉(zhuǎn)，使周向壓力分布的變化與轉(zhuǎn)子和密封腔之間的間隙變化不完全對(duì)應(yīng)，最高壓力點(diǎn)滯后密封腔最小間隙一定角度。這樣，流體作用在轉(zhuǎn)子上的力可分解成一個(gè)與偏置方向相垂直的切向力，該切向力將激勵(lì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生渦動(dòng)。當(dāng)激勵(lì)力達(dá)到或超過一定值時(shí)，就會(huì)使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)。目前知道的會(huì)造成迷宮密封腔中壓力沿周向分布不均勻的原因主要有：(1)Lomakin效應(yīng)2；(2)Al

8、ford效應(yīng)2；(3)螺旋形流動(dòng)效應(yīng)3；(4)三維流動(dòng)效應(yīng)3；(5)二次流效應(yīng)等3。2.3、作用在轉(zhuǎn)子上的靜態(tài)蒸汽力由于高壓缸進(jìn)氣方式的影響，高壓蒸汽產(chǎn)生一作用于轉(zhuǎn)子的蒸汽力，一方面該蒸汽力會(huì)影響軸頸在軸承中的位置，改變軸的動(dòng)力特性（因軸承載荷變化），而造成轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)失穩(wěn)；另一方面該蒸汽力使轉(zhuǎn)子在汽缸中的徑向位置發(fā)生變化，引起通流部分間隙的變化。在采用噴嘴調(diào)節(jié)的汽輪機(jī)中該蒸汽力是由于部分進(jìn)汽引起的，通常考慮到汽缸溫差方面的因素，噴嘴調(diào)節(jié)模式運(yùn)行時(shí)首先開啟控制下半180o范圍內(nèi)地噴嘴的調(diào)節(jié)汽閥，一般是下缸先進(jìn)汽。調(diào)節(jié)級(jí)噴嘴進(jìn)汽的非對(duì)稱性，引起不對(duì)稱的蒸汽力作用在轉(zhuǎn)子上，在某個(gè)工況其合力可能是一個(gè)向

9、上抬起轉(zhuǎn)子的力，從而減少了軸承比壓，導(dǎo)致軸瓦穩(wěn)定性降低。此力度大小和方向與機(jī)組運(yùn)行中各調(diào)門的開啟順序、開度和各調(diào)門噴嘴的數(shù)量有關(guān)。3、氣流激振的特征4-6l 氣流激振屬于自激振動(dòng)，這種振動(dòng)不能用動(dòng)平衡的方法來消除。l 氣流激振易發(fā)生在透平機(jī)械的大功率區(qū)及葉輪直徑較小和短葉片的高壓轉(zhuǎn)子上，尤其在高參數(shù)大型透平機(jī)械的高壓轉(zhuǎn)子上。l 氣流激振具有良好的再現(xiàn)性。氣流激振有一個(gè)門檻值，當(dāng)負(fù)荷超過該值時(shí)，振動(dòng)會(huì)急劇加??；如果此時(shí)降低負(fù)荷，可以明顯的減弱振動(dòng)。l 氣流激振的振動(dòng)頻率等于或略高于高壓轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)速，在大多數(shù)情況下，振動(dòng)成分以接近工作轉(zhuǎn)速一半的頻率分量為主。3、 蒸汽激振的危害l 突發(fā)性大振動(dòng)

10、引起機(jī)組跳機(jī)。l 限制了機(jī)組的負(fù)荷。l 低頻振動(dòng)對(duì)軸系機(jī)械的破壞性更大。l 處理麻煩，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且有時(shí)收不到較理想的效果。4、 汽流激振治理方法探討汽輪機(jī)汽流激振的治理比較復(fù)雜，一般要根據(jù)機(jī)組的振動(dòng)情況認(rèn)真分析，推斷出可能誘發(fā)汽流激振的原因和部位，加上理論計(jì)算分析驗(yàn)證，才能基本確定，必要時(shí)還需做一系列試驗(yàn)。下面就是大家經(jīng)過長期試驗(yàn)、實(shí)踐及前面分析研究得到的治理汽流激振的一些方法。 1、變換調(diào)節(jié)閥門開啟順序 用噴嘴調(diào)節(jié)的汽輪機(jī)，因部分進(jìn)汽原因，蒸汽整齊除了在轉(zhuǎn)子調(diào)節(jié)級(jí)葉輪上產(chǎn)生力偶而使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)外，還有一個(gè)通過轉(zhuǎn)子中心的力。因調(diào)節(jié)閥開啟順序的原因，可能使此力成為抬起轉(zhuǎn)子的恒定力，從而減少了軸承比壓

11、，易使轉(zhuǎn)子失穩(wěn)。圖2為一臺(tái)前蘇聯(lián)K-200-130型汽輪機(jī)受調(diào)節(jié)閥開啟順序影響的情況7，、分別為調(diào)節(jié)閥門開啟順序。不同開啟順序，高壓轉(zhuǎn)子所受到的蒸汽作用力方向不同，變換調(diào)節(jié)閥門的開啟順序有時(shí)可以增加軸系的穩(wěn)定性，抑制汽流激振強(qiáng)度或發(fā)生。有時(shí)可以不改變調(diào)門開啟順序而改變調(diào)門重疊度，例如在、開啟時(shí)調(diào)整、調(diào)門的開度（一般逐步關(guān)?。材苓_(dá)到抑制汽流激振的目的。不過這種方法不是對(duì)每臺(tái)機(jī)組都有效，對(duì)于某些機(jī)組效果并不明顯。 圖2 調(diào)節(jié)閥不同開啟順序?qū)Ω邏恨D(zhuǎn)子的作用力 (a)改變順序前；(b)改變順序后 2、調(diào)整軸承標(biāo)高對(duì)發(fā)生低頻振動(dòng)機(jī)組的分析統(tǒng)計(jì)表明，約有一半是由于軸承標(biāo)高不合適而引起的，軸承標(biāo)高不合理

12、，降低了機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性。標(biāo)高的調(diào)整對(duì)消除低頻振動(dòng)是有益的。 3、清理滑銷系統(tǒng)當(dāng)汽缸體受導(dǎo)汽管等外部的熱應(yīng)力的作用，或汽缸滑銷系統(tǒng)膨脹不順時(shí)，汽缸會(huì)發(fā)生傾斜進(jìn)而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子偏斜，誘發(fā)汽流激振。這時(shí)可以消除熱應(yīng)力，清理滑銷系統(tǒng)。 4、調(diào)整通流間隙汽流激振力有許多種類，其中通流部分間隙不均或不合理占主要因素，因此合理檢查的調(diào)整通流部分間隙，是解決汽流激振的最主要的手段。一般來說，減小徑向偏心、適當(dāng)放大徑向間隙 (在保證機(jī)組經(jīng)濟(jì)性前提下)，減小軸向間隙也有助于降低汽封級(jí)前壓力，可以降低蒸汽激振力。 5、改進(jìn)密封型式如果激振力來自密封，我們把密封改為抗汽流激振性能好的型式。例如把梳齒密封改為倒喇叭型，就是

13、進(jìn)口間隙減小出口間隙增大；或者把梳齒密封改為圓孔窩密封或蜂窩密封，對(duì)葉頂徑向汽封改為圖3、軸向汽封改為圖4對(duì)降低汽流激振力是有利的8。圖3 葉頂徑向汽封改進(jìn)圖 圖4 軸向汽封改進(jìn) 6、增加油膜的徑向剛度6.1、使轉(zhuǎn)子以較大的偏心率運(yùn)行。添加不平衡量增加動(dòng)態(tài)偏心率。這一條措施從理論上是成立的，在實(shí)際中難以實(shí)施。很難想像，對(duì)于存在汽流激振的機(jī)組有意地添加不平衡質(zhì)量塊，這樣做可以將低頻分量壓低，但工頻振幅分量必然要變大。6.2、對(duì)于360滑動(dòng)軸承，可通過增加流體靜態(tài)壓力來提高穩(wěn)定性。在全周潤滑的軸承中，高的流體靜態(tài)壓力能直接提高油膜徑向剛度并改善轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性。實(shí)踐中，可以采用提高軸承進(jìn)油壓力的方法，

14、國內(nèi)有320MW機(jī)組利用頂軸油泵控制失穩(wěn)的實(shí)例。 7、改變潤滑油溫改變油溫有時(shí)會(huì)解決機(jī)器的不穩(wěn)定問題。據(jù)非經(jīng)證實(shí)的統(tǒng)計(jì)表明，60%的失穩(wěn)可以通過降低油溫得到治理，20%的失穩(wěn)可以利用提高油溫得到解決，剩余的20%的失穩(wěn)與油溫?zé)o關(guān)。 8、減?。ㄟ@里渦動(dòng)頻率/轉(zhuǎn)動(dòng)頻率）這是目前治理汽流激振最常用和比較有效的手段。8.1、通過改變軸承的幾何形狀來擾亂周向旋流并減小其強(qiáng)度，從而提高轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性。1)槽楔和非圓形狀可在周向旋流中產(chǎn)生渦流或紊流油楔，減??；2)可傾瓦軸承由不連續(xù)的各段構(gòu)成，產(chǎn)生渦動(dòng)的交叉剛度為零，因此幾乎不可能產(chǎn)生周向連續(xù)旋流，是很小的。利用可傾瓦軸承可以有效地抑制汽流激振，如圖58是不同

15、軸承在前蘇聯(lián)在其500MW機(jī)組上進(jìn)行汽流激振試驗(yàn)結(jié)果，曲線1為采用橢圓軸承，極限負(fù)荷約200MW，曲線2為采用瓦塊軸承，保留徑向密封，極限功率大幅度提高，在額定負(fù)荷500MW時(shí)，振幅為20。曲線3為采用瓦塊軸承并取消徑向密封，極限功率又有所提高，且額定負(fù)荷時(shí)，低頻振幅僅10左右。從以上試驗(yàn)結(jié)果中可以看出，雖然改善軸承性能、增加振動(dòng)阻尼不能從根本上消除汽流激振力，但對(duì)于機(jī)組運(yùn)行是有益的。因?yàn)榱己玫妮S承性能可以削弱汽流激振力的影響，提高極限功率，減小振幅。 圖5 前蘇聯(lián)500MW機(jī)組試驗(yàn)曲線3) 壓力壩軸承除干擾周向旋流外，還會(huì)產(chǎn)生一個(gè)徑向載荷，增大偏心率，起到穩(wěn)定轉(zhuǎn)子的作用。8.2、增大軸頸在軸

16、承中的偏心率。1)可通過施加徑向載荷或“良性”不對(duì)中來增加軸頸的平均偏心率；2)利用附加不平衡量來增加動(dòng)態(tài)偏心率。但要注意，個(gè)別情況下會(huì)使一個(gè)穩(wěn)定機(jī)組的振動(dòng)變?yōu)椴环€(wěn)定，另外，附加不平衡量必然要增大機(jī)組的工頻振幅。8.3、利用反渦旋技術(shù)干擾流體的周向運(yùn)動(dòng)：逆轉(zhuǎn)向注人流體以減小，從而提高失穩(wěn)界限轉(zhuǎn)速。這種技術(shù)可派生出大量有效的主動(dòng)控制手段，對(duì)機(jī)器不會(huì)帶來危害(而用增加轉(zhuǎn)子偏心率的方法來提高穩(wěn)定性，可能會(huì)對(duì)密封帶來危害)，因而被積極推薦使用，這是消除密封失穩(wěn)新的主要手段，因此這里要作較詳細(xì)的論述?！胺礈u流技術(shù)”又叫“流體反旋流法”，80年代逐步得到重視，主要用來抑制軸端密封流體激振。反旋流措施是向迷

17、宮密封腔中導(dǎo)入一股與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反的流體，用以抵消腔內(nèi)流體的周向運(yùn)動(dòng)，見圖6。A.Muszynska910研究了一種反旋流密封，得出了最佳的結(jié)構(gòu)，減振效果優(yōu)于圓孔窩密封。抑制密封流體激振，根本在于避免流體激勵(lì)頻率與轉(zhuǎn)子固有頻率的耦合，即降低二者的比值。阻尼密封、反旋流措施等都降低了流體的激勵(lì)頻率；提高轉(zhuǎn)子的固有頻率也是降低的手段之一。例如某離心壓縮機(jī)一方面采用反旋流措施，另一方面縮短支承跨距、增大軸頸，使轉(zhuǎn)子的第一階固有頻率，由原來的70Hz提高到100Hz，降低了頻率比，徹底解決了造成停產(chǎn)的密封流體激振問題11。 圖6 反旋流裝置9、增加轉(zhuǎn)子剛度如果一臺(tái)新機(jī)組在設(shè)計(jì)或開發(fā)階段出現(xiàn)混沌失穩(wěn)問

18、題，通常就應(yīng)該減小轉(zhuǎn)子長度或增加軸徑直徑以提高轉(zhuǎn)子剛度，增加轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速。5、 總結(jié)1、超（超）臨界汽輪機(jī)參數(shù)高、蒸汽密度大。汽流激振是影響其可靠性的主要因素之一 。汽流激振是國內(nèi)外許多單位多年來一直在研究的課題，試驗(yàn)研究和計(jì)算分析是超超臨界汽輪機(jī)汽流激振研究的重要內(nèi)容。2、超（超）臨界汽輪機(jī)汽流激振涉及因素較多，產(chǎn)生原因復(fù)雜，良好的設(shè)計(jì)是超超臨界汽輪機(jī)防止汽流激振的根本保證。設(shè)計(jì)或使用不當(dāng)，運(yùn)行中發(fā)生汽流激振，制造企業(yè)和使用單位有可能付出很大的代價(jià)。開發(fā)并使用汽流激振分析軟件，在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行考慮汽流激振力影響的軸系穩(wěn)定性的計(jì)算分析，并采用防止汽流激振的結(jié)構(gòu)措施，是超（超）臨界汽輪機(jī)研制、生產(chǎn)和使用過程中防止汽流激振的重要技術(shù)手段。3、本文只對(duì)引起汽輪機(jī)蒸汽激振的單個(gè)因素進(jìn)行了分析。綜合考慮葉頂間隙氣流激振力、汽封引起的蒸汽激振力和作用在轉(zhuǎn)子上的靜蒸汽力三方面之間的相互影響，而引起的蒸汽激振對(duì)機(jī)組的影響將會(huì)是以后研究的主要方向。參考文獻(xiàn)：1 史進(jìn)淵，楊宇，孫慶，等。超超臨界汽輪機(jī)技術(shù)研究的新進(jìn)展J。動(dòng)力工程，2003，23(2)：2252-2257。2 史進(jìn)淵等。超超臨界汽輪機(jī)汽流激振的研究J。動(dòng)力工程，2003，2（05）：2620-2623。3 陳佐一，段源遠(yuǎn)，井有浩