汽轮机旋转部件脱落引起的振动机理研究

第56卷第2期2014年4月汽轮机技术TURBINETECHN0L0GYV0L_56NO2APR2014汽轮机旋转部件脱落引起的振动机理研究田永伟，尹鹏1南京工程学院能源与动力工程学院，南京21L167；2白城发电公司，白城137000摘要建立旋转机械转动部件脱落振动响应有限元分析模型，利用该模型对某实际汽轮机转子转动部件脱落振动特征进行仿真，给出转动部件脱落位置对转子振动的影响，并对某600MW机组低压转子转动部件脱落振动特征进行分析。关键词振动；汽轮机；转动部件脱落分类号TK2681文献标识码A文章编号10015884201402014502RESEARCHONDYNAMICVIBRATIONCHARACTERISTICSCAUSEDBYROTATINGPARTSBROKENFAULTTIANYONGWEI，YINPENG1SCHOOLOFENERGYANDPOWERENGINEERING，NANJINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY，NANJING21L167，CHINA；2BAICHENGPOWERPLANT，BAICHENG137000，CHINAABSTRACTAFINITEELEMENTMODELISSETUPTOANALYZETHEVIBRATIONRESPONSEOFTHETURBOUNITWITHROTATINGPARTSBROKENVIBRATIONCHARACTERISTICSAREANALYZEDWITHALOWPRESSURETURBINEROTORMODE1THEEFFECTSOFTHEROTATINGPARTSBROKENLOCATIONONTHEROTORVIBRATIONCHARACTERISTICSARESTUDIEDAROTATINGPARTSBROKENINDUCEDVIBRATIONOCCURRINGINA600MWTURBINEISGIVEN，ANDTHEABNORMALVIBRATIONPHENOMENONISANALYZEDKEYWORDSVIBRATION；TURBINE；ROTATINGPARTSBROKEN0前言振动直接关系到汽轮发电机组的安全稳定运行，转动部件脱落是引起机组振动变化的因素之一。机组运行过程中，转动部件飞脱多发生在汽轮机低压转子上。文献1定量分析了叶片断裂故障的振动诊断机理。李卫军等分析了某600MW机组低压转子次末级叶片叶冠脱落的振动特征J。应光耀等利用谐分量法及力平移原理，推导出叶片脱落的轴向位置和质量计算公式。本文以某汽轮机低压转子为研究对象，通过有限元方法建立转动部件脱落振动模型，对转动部件脱落振动特性进行了仿真，并结合现场测试数据进行了分析。1转动邵件脱浯振动特征分析11有限元分析模型对于滑动轴承支撑转子系统，其运动有限元方程可表示为。蚴“K。】善C矩阵、回转矩阵与刚度矩阵；Q。、Q为不平衡力向量；KKKJ为滑动轴承油膜的等效刚度；C、CCC为等效阻尼；U、为系统的位移向量，可表示为1L，OYL，2，0口，LY1，一L，一，Y，一式中，、Y、0。分别表示节点振动位移与偏转角。求解方程1可得转子两端轴承处振动响应、雪。，将、分解为对称振动谐分量由和反对称振动谐分量0抛，0，O棚一M，0O一DO一，一。转子上任一节点I振动响应滞后于不平衡力的相位角可表示为TOTAN式中，CC，为旋转角速度，RADS；T为仿真时间。12旋转部件脱落振动响应仿真分析以某1O00MW汽轮机低压转子模型为例，该低压转子重839T，长846M。应用有限元法将该转子模化为51段，52个节点。计算得该转子一阶临界转速为1380RMIN，二阶临界转速为4200RMIN。仿真时，假设转子上第4节点存在04KGM的初始不平衡力，仿真计算15个周期后，假设在初始不平衡力逆转向90。位置旋转部件脱落，脱落产生的等效不收稿日期20130910基金项目江苏省自然科学基金青年基金资助项目SBK201342084；南京工程学院引进人才科研启动基金资助项目KYJ201105。作者简介田永伟1982一，男，山东冠县人，讲师，博士，主要从事火电机组振动故障治理方面的教学与科研工作。146汽轮机技术第56卷平衡力为04KGILL。图1为转动部件脱落前后的振动波形。可以看出，旋转部件脱落前振动波形为标准正弦波，脱落瞬间出现瞬态冲击响应，随后振动又趋于稳定。在本例中，脱落部件产生的等效不平衡力与初始不平衡力重量相同，两者夹角为90。因此，转动部件脱落后的振动幅值为脱落前的1414倍。图2为振动响应滞后于初始不平衡力的角度，在本例中，转动部件脱落后振动响应与初始不平衡力之间的夹角改变了45。昌350300250200L50图1转动部件脱落前后振动波形图YYY一暑6浍图3转子中间部位转动部件脱落引起的振动变化量暑墨浍图4转子端部转动部件脱落引起的振动变化量明显变化。对于实际机组，转动部件脱落对机组振动的影响取决于脱落部件的轴向位置、周向位置和脱落质量。当原始振动较小时，汽轮机末几级叶片脱落，就会使机组振动明显增大；当机组原始振动较大时，如果脱落的叶片与转子原始不平衡同相或者反相，振动也会出现明显变化；如果脱落部件与原始不平衡轴向位置相近，质量相当，且夹角为120。左右，则振动幅值不会出现明显变化，需要结合各测点振动幅值和相位综合判断。2某600MW汽轮机组振动突变分析某600MW超临界凝汽式汽轮发电机组轴系简图如图5所示，振动传感器与键相传感器布置如图6所示。R、1R1R1厂、图5机组轴系简图键相传感器Y渤旋转，夕图6振动传感器与键相传感器布置位置图该机组带300MW负荷稳定运行期间，多个测点发生振动突变，4号7号轴承振动突变过程如图7所示。表1给出了振动突变前后5号、6号轴承轴振幅值与相位变化。从图7和表1中可以看出，4号7号轴承振动均出现突变。低压转子II两端5号、6号轴承振动突变较为明显，其中方向同相振动分量和反相振动分量分别变化31XM和13IXM，Y方向同相振动分量和反相振动分量分别变化21LM和191XM。振动突变前后各测点振动幅值和相位均稳定。该振动属于普通强迫振动，根据振动变化的突然性和一7欠I生，可以排除动静碰摩和汽缸进水导致转轴和水接触故障。根据表1可以看出，5号、6号轴承振动变化量以反相振动分量为主，同相振动分量变化较小，这与图4所示转子端下转第149页第2期王渡1000MW机组低压加热器疏水系统的经济性研究149方案三相对于方案二采用了疏水泵向前打和外置式疏水冷却器的方式，又进一步减少了高压端的抽汽量，增加了低压段的抽汽量，使得机组的热经济性进一步提高。在VWO工况下发电量增加了3297KW，机组热耗率减少了225KJKWH，发电标准煤耗减少008GKWH，全厂效率增加了0014。因为在机组运行时，疏水泵电动机消耗的电功率约为140KW，所以在扣除疏水泵的电耗后，在VWO工况下方案三比方案二多发电1897KW。在年供电量相同的情况下，一台机组年节省标准煤约286T标准煤。另外，根据火力发电厂设计技术规程DIS0002000规定进行凝结水泵选型时，方案三可以不考虑5号、6号低压加热器疏水流量。这样，就方案二而言，虽然取消外置式疏水冷却器后减少了凝结水系统阻力，凝结水泵的选型时可以降低设计扬程，并减少凝结水泵的电耗，但减少的凝结水泵电耗不能抵消低压加热器疏水逐级自流入凝汽器后因凝结水流量增加而增加的凝结水泵电耗。当方案三的凝结水泵设计扬程按294MPA、外置式疏水冷却器及其管道阻力按0049MPA考虑时，计算得知1000MW超超临界汽轮机VWO工况的凝结水泵电耗比疏水逐级自流系统约少240KW注凝结水泵设计扬程越大此值也越大。因此，为降低5号、6号低压加热器疏水流入凝汽器的几率，6号低压加热器疏水泵宜选用两台互为备用、可靠性高、1啪容量的热水泵。总之，1000MW超超临界汽轮机在VWO工况下，方案三比方案一多发电29316KW，在年供电量相同的情况下，一台机组年节省标准煤约4421T。而方案三比方案二可多向电网供电约4297KW。在年供电量相同的情况下，一台机组年节省标准煤约648T。因此，方案三的低加疏水系统是最佳的。2结论本文以1000MW超超临界机组低压加热器疏水系统为研究对象，提出了3种不同的设计方案，并利用热量法计算了不同方案在VWO工况下的机组运行参数和热经济性指标。经过计算论证比较，可以发现该机组的低加疏水连接方式采用方案二和方案三时都比方案一要好。结合机组实际运行特点，方案三比方案一和方案二可多向电网供电约29316KW和4297KW。在年供电量相同的情况下，一台机组年节省标准煤约为4421T和648T。因此，引进型1000MW机组低压加热器疏水系统中，6号低加采用疏水泵向前打，7号、8号低加使用外置式疏水冷却器的疏水连接方式是安全可靠的、合理的。参考文献1刘强，盂颖超疏水冷却器的热经济性分析J深圳大学学报，2009，2644254312田松峰，李岩，刘哲，等低压加热器疏水方式热经济性分析J汽轮机术，2010，5264644663于淑梅，董志国200MW机组低压加热器疏水系统改造热经济性分析J汽轮机技术，2008，5064714734于淑梅，傅松，郭江龙，等国产300MW机组低压加热器疏水系统连接方式的改进J中国电力，2002，35473755张春发，陈海平带疏水泵加热器出口主凝结水焓的计算方法J动力工程，2002，22116271629上接第146页表1振动突变前后5号、6号瓦轴振数据IM_。部转动部件脱落引起的故障类似。结合理论与现场分析，判断该机组振动突变是由低压转子端部出现部件脱落引起的。3结论建立了旋转机械转动部件脱落振动模型，仿真分析了转动部件脱落位置对轴承振动响应的影响。结果表明，转子中部转动部件脱落，主要激发一阶不平衡分量，对临界转速下振动影响较大。转子端部部件脱落，同时激发一阶不平衡分呈、坦罂、R5Y一、_5XR二蒜一7YJ一F时间图7振动突变前后各测点基频振动幅值量和二阶不平衡分量，