高参数高转速工业汽轮机转子稳定性评估

透平复杂阻尼结构叶片强度与振动特性优化研究热力透平文章编号16725549201501000703意蚕数离转速工业汔轮栅转子稳定性评估蓝吉兵。，丁旭东，陈金铨，毛汉忠，孔建强1杭州汽轮机股份有限公司工业透平研究院，杭州310022；2杭州汽轮动力集团中央研究院博士后科研工作站，杭州I310022；3西安交通大学力学博士后流动站，西安710049摘要正确评判汽流激振引起的转子失稳是设计出转子动力学特性优良的高参数高转速汽轮机的关键。针对以上问题开展研究，首先采用不同方法分析获得调节级密封的交叉刚度，通过对不同方法获得结果的对比，得到杭汽专用程序计算获得的密封汽流激振力对转子稳定性评估偏安全的结论。然后，考虑汽轮机各密封部件处的交叉刚度，对一特定高参数高转速汽轮机转子稳定性进行评估，分析结果表明，该高参数、高转速合成气汽轮机转子稳定性安全系数为258，具有优良的转子稳定性。关键词高参数；工业汽轮机；转子动力学；汽流激振；稳定性中图分类号TK2636文献标识码ADOI1013707CNKI311922TH201501002ASSESSMENTOFROTORDYNAMICSTABILITYONINDUSTRIALSTEAMTURBINESWITHHIGHSPEEDANDHIGHPARAMETERLANJIBING，DJNGX一DONG，CHENJINQUAN，0HANZHONG，KONGJIANQIANG1INDUSTRIALTURBINEACADEMYOFHANGZHOUSTEAMTURBINECO，LTD，HANGZHOU310022，CHINA；2POSTDOCTORALRESEARCHCENTEROFHANGZHOUSTEAMTURBINEGROUP，HANGZHOU310022，CHINA；3MECHANICSPOSTDOCTORALOFXIANJIAOTONGUNIVERSITY，XIAN710049，CHINAABSTRACTTHEASSESSMENTOFROTORDYNAMICINSTABILITYINDUCEDBYSTEAMEXCITATIONISTHEKEYPROBLEMOFDESIGNINGSTEAMTURBINEWITHEXCELLENTROTORDYNAMICSTHEPURPOSEOFTHISSUBJECTISTOSTUDYTHEISSUEWITHTWOMAJORSTEPSTHEFIRST，DIFFERENTMETHODSWEREUSEDTOOBTAINCROSSCOUPLEDSTIFFNESSTHERESULTSSHOWTHEHTCSPECIALPROGRAMFOREVALUATINGTHESTEAMEXCITATIONFORCEISONTHESAFESIDECOMPAREDTOOTHERMETHODSTHESECOND，THESTABILITYOFANULTRAHIGHPRESSURESTEAMTURBINEFORDRIVINGSYNTHESISGASCOMPRESSORISACCESSEDCONSIDERINGTHESTEAMEXCITATIONFORCEATEVERYSEA1ITISDEMONSTRATEDTHATTHESTEAMTURBINESHOWSEXCELLENTROTORDYNAMICSTABILITYWITHITSSAFEFACTOROF258KEYWORDSHIGHPARAMETER；INDUSTRIALSTEAMTURBINE；ROTORDYNAMICS；STEAMEXCITATION；STABILITY在大型氮肥装置的生产工艺流程中会产生大量副产蒸汽，这些副产蒸汽主要靠合成气压缩机驱动用汽轮机机组以下简称“合成气汽轮机”来平衡，因此，合成气汽轮机是降低整个装置能耗的关键设备。近年来由于氮肥装置的大型化，合成气汽轮机的功率一般在2万KW左右，为了提高压缩机的效率，转速一般在10000RMIN以上。对超高压参数的合成气汽轮机来说，高转速、高进汽参数、大抽汽量约占进汽量的8090给汽轮机转子动力学特性的设计带来困难，杭州汽轮机股份有限公司以下简称“杭汽”以及西门子公司的同类产品曾经发生过汽流激振事故，造成了巨大经济损失和不良影响。汽流激振引起的失稳不仅和转速有关，还和负荷有关。为提高汽轮机效率，各级动叶密封、导叶密封、前后轴端密封以及中间密封的径向间隙都很小，运行时在间隙处由于转子偏心引起的周向不均匀间隙产生汽流间隙激振力，其大小和蒸汽的流量、密度、密封的间隙以及转速密切相关。合成气汽轮机高压缸的负荷很大，转速过万，容易收稿日期20141024修订日期20150119作者简介蓝吉兵1982一，男，毕业于西安交通大学，博士，现在杭州汽轮机股份有限公司工业透平研究院从事透平机械相关产品气动、强度振动、转子动力学的技术研究和新产品开发工作。UIII_第44卷第1期2015年3月热力透平THERMALTURBINEVO144NO1MAR2015图4调节级密封计算域表1调节级密封汽流激振力13杭汽专用程序方法采用杭汽专用程序计算密封汽流激振力的方法可以表示为KK一塑堕3乙RL式中DWEL、T、SR1分别为密封直径、节距和径向间隙；AQ、AQW是与密封压差、工作介质密度、密封齿数、圆周线速度、预旋等众多参数相关的系数。杭汽专用程序方法几乎考虑了影响密封汽流激振力的所有参数。14交叉刚度比较表2给出了CFD方法、ALFORD方法以及专用程序计算获得的交叉刚度的大小。可以发现，专用程序获得的交叉刚度数值较大，约为CFD计算结果的两倍，而CFD方法和ALFORD方法计算获得的交叉刚度数值比较接近。相对而言，专用程序预估的转子稳定性将偏安全。表2不同方法获得的交叉刚度数值对比2转子稳定性评估通过对比，验证了密封处汽流激振力计算方法的可靠性，最终采用杭汽专用程序计算密封处的汽流激振力。获得汽轮机转子各密封包括调节级密封、转鼓级密封、中间汽封、前后轴端密封、平衡活塞密封的交叉刚度以后，对合成气汽轮机转子的稳定性进行评估，计算方法采用传递矩阵法。图5为转子稳定性分析的力学模型，为了获得较好的稳定性，前后径向轴承选用可倾瓦轴承。分析结果表明，该高参数高转速合成气汽轮机转子具有较好的稳定性。为了解该转子的稳定性裕度，进一步分析了不同交叉刚度下转子的稳定性特性，详细结果如表3所示。图6给出了转子稳定性裕度图。在考虑各种不确定因素以后，设计准则认为当对数衰减率大于，时，转子系统是轴向长度，M图5转子力学模型表3不同交叉刚度时稳定眭分析结果K|KR图6转子稳定性裕度图下转第17页|LLL重汽轮机低压缸进汽腔室气动分析及方案研究热力透平03，机组热耗大致降低0196。表1两种方案各参数对比表5结论数值计算的结果显示，将汽轮机低压缸的进汽方式改为切向进汽，可以提升腔室出口的气流角的均匀性，降低腔室进口到动叶前的总压损失，提高低压缸效率。要进一步对新方案进行优化，可以从以下几个方面人手一是尽量降低腔室内的周向速度，二上接第9页稳定的，在这种前提下，转子系统有258倍的稳定性安全系数。而按照稳定性的定义，不考虑各种不确定性因素，该转子的稳定性安全系数为516，该转子具有足够的稳定性裕度。3结论针对高参数高转速工业汽轮机转子容易发生汽流激振的设计难题，基于汽轮机密封汽流激振研究现状，采用3种方法分析获得调节级密封的交叉刚度，通过结果的对比，表明采用杭汽专用程序计算获得的密封汽流激振力交叉刚度数值最大，采用该方法进行转子稳定性分析，结果将偏安全。而后，考虑汽轮机各密封部件处的交叉刚度，对一特定高参数高转速汽轮机转子进行了稳定性分析，结果表明，该汽轮机转子具有较好的稳定性。在考虑各种不确定因素以后，设计准则认为当对数衰减率大于时，转子系统是稳定的，该转子系统有258倍的稳定性安全系数。参考文献1江生科数值计算方法在汽封研究中的应用探讨JJ东方电气评论，2007，21324282李军，吕强，丰镇平高低齿迷宫式汽封泄漏流动特性研究J机械工程学报，2006，425165168是对周向截面积进行修正，三是对新的静叶进行优化设计。此外，在原方案的基础上，可以在周向上安装不同的静叶片，这样也能降低流动损失。需要注意的是，这些不同静叶片的喉节比需要保持一致，这样才可以在匹配不同的气流角的同时避免产生额外的激振频率，保证下游动叶片的安全。参考文献1阳虹，王沛，张宏武汽轮机排汽缸流场的数值模拟研究EJ热力透平，2007，363150一L522王红涛，竺晓程，阳虹，等基于ISIGHT平台汽轮机低压排汽缸气动优化设计J动力工程，2009，297520526E3王丽华200MW汽轮机低压缸气动优化设计J汽轮机技术，2007，495349353蔡虎，朱斌，蒋洪德，等汽封泄漏流动对透平叶片级通道主流影响的数值研究J工程热物理学报，2001，223290293，4杨锐，杨建道，彭泽瑛汽轮机中压缸迷宫式汽封完整级气动性能的分析_J动力工程，2009，2987437465谢永慧，屈焕成，张荻，等考虑汽封条件下汽轮机调节级多工况的数值研究J热科学与技术，2013，12184896张学延，王延博，张卫军大型汽轮机汽流激振的研究IJ热力发电，2004247557郭干青合成气一循环气压缩机低压缸事故及气改造更新J大氮肥，198564054138徐志明，孔建强，丁旭东，等驱动合成气压缩机用汽轮机汽流激振与对策J热力透平，2008，37130349潘永密，郑水英迷宫密封汽流激振及其动力系数的研究J振动工程学报，1990，32485810何立东，高金吉，金琰，等三维转子密封系统气流激振的研究J机械工程学报，39310110411AIFORDJPROTECTINGTURBOMACHINERYFROMSELFEXCITEDROTORWHIRLJJOURNALOFENGINEERINGFORPOWER，1965，87433333412GUOZENGLIN，TOSHIOHIRANO，RGORDONKIRKAPPLICATIONOFCFDANALYSISFORROTATINGMACHINERYPARTIHYDRODYNAMIC，HYDROSTATICBEARINGSANDSQUEEZEFILMDAMPERJJOURNA