1000MW汽轮发电机组轴系扭振特性的计算分析.pdf

第 3 6卷第 3期 2 0 0 8年 3月 妻繁 电力 e a s t c h i n a el e c t r i c p o w er vo 1 3 6 no 3 ma r 2 0 08 1 0 0 0 mw 汽轮发电机组轴系扭振特性的计算分析 张燕 ， 耿文骥 ， 梁旭彪 ， 王西田 ， 陈陈 ( 1 上海交通大学 电气工程系， 上海2 0 0 2 4 0 ； 2 上海汽轮发电机有限公司， 上海2 0 0 2 4 0 ) 摘要 ： 对上海一西 门子 型 1 0 0 0 mw 汽轮发电机组轴系 的西 门子技术模 化形 式进行 了分 析 ， 根 据扭振 特性 一 致原则对西门子技术模化形式的轴系数据进行了等效转换， 在此基础上对上海一西门子型 1 0 0 0 m w 机组 的扭振特性进行了计算分析0 关键词： 汽轮发电机组 ； 轴系扭振 ； 自然频率； 振型 作者简介： 张燕( 1 9 7 3 ) ， 男， 工程师， 从事汽轮发电机设计工作。 中图分类号 ： t k 2 6 2 ； t m 3 1 1 文献标识 码 ： a 文章编 号 ： 1 0 0 1 0 5 2 9 ( 2 0 0 8 ) 0 3 0 9 8 - 0 4 ana l y s i s o f t o r s i o na l o s c i l l a t i o n c har a c t e r i s t i c s o f 1 0 0 0 m w t ur bi n e g e ne r a t o r s ha f t t r a i n s z h a n g y n n ， g e ng w, q 3， l i a n g地 b i a o 。 ， w a n g x i t i a r ， c h e n c h e r t ( 1 d e p t o f e l e c t r i c a l e n g i n e e r i n g ，s h a n g h m j i a o t o n g u n i v ，s h a n g h a i 2 0 0 2 4 0 ， c h i n a ； 2 s h a n g h a i t u r b i n e g e n e r a t o r c o ， l t d ， s h a n g h a i 2 0 0 2 4 0 ，c h i n a ) ab s t r a c t ： t h e t e c h n i c a l mo d e l i n g me t h o d o f t h e 1 0 0 0 mw s h a n g h a i s i e me n s t u r b i n e g e n e r a t o r s h a f t t r a i n i s a n a l y z e d，a n d e q u i v a l e n t c o n v e r s i o n o f the s h a f t t r a i n d a t a wa s c o n d u c t e d a c c o r d i n g t o t h e p r i n c i p l e o f t o r s i o n a l o s c i l l a t i o n c h a r a c t e ris t i c c o n s i s t e n c y b a s e d o n t h a t ，t h e t o r s i o n a l o s c i l l a t i o n c h a r a c t e ris t i c s of t h e 1 0 0 0 mw t u r b i n e g e n e r a t o r s ha f t t r a i n we r e c a l c ul a t e d a n d a n a l y z e d ke y wo r ds： t ur b i n e g e n e r a t o r；t o r s i o n a l o s c i l l a t i o n o f s h a f t t r a i n；n a t ur a l f r e q u e nc y；o s c i l l a t i o n t y p e 大机组与大电网之 间的扭振相互作用 ， 对机 组和电网的安全运行有重要影响。为此 ， 在大型 汽轮发 电机组轴系设计 时， 通常都要对机组轴系 扭振特性进行评估考核 。 机组轴 系扭 振特性取决 于轴系 的结构 和材 料 ， 归结起来 ， 影响轴系扭振特性 的参数有 3个 ， 即转动惯量 、 扭转刚度和长度。对于结构非常复 杂的实际轴系 ， 工程上往往将其分成有限段 ， 并把 各个分段等效成简单轴段 ， 即轴系模化 ； 等效前后 保证轴段的转动惯量 、 扭转刚度和长度不变 ， 则模 化轴系与实际轴系的扭振特性是一致的。汽轮发 电机组轴系通常是结构对称 的回转体 ， 据此 国内 设计制造和科研单位将它简化等效成等直径的均 质 圆柱体和附加转动惯 量， 圆柱体具有与实际轴 段相同的长度和刚度， 圆柱体的转动惯量和附加 转动惯量之和等于实际轴段 的转动惯量 引。 国产首台 目前单机容量最大的 1 0 0 0 mw 汽 轮发电机组 ， 是上海 电气集 团在引进 西门子公 司 技术 的基础上设计制造的。西门子技术对机组轴 系的模化形式与 国内习惯有所不 同， 本文将对此 进行分析 ， 并根据扭振特性一致原则把西 门子技 术模化形式 的轴系数据等效转换为国内习惯的模 化形式 ， 在此基础上对上海一西门子型 1 0 0 0 mw 机组的扭振特性进行计算分析。 1 上海一西门子型 1 0 0 0 mw 机组轴 系 模化 形式分析 西门子扭振频率计算程序所采用的模化轴段 单元如图 1 ( a ) 所示 ， 跟 国内习惯相 比， 另外考虑 了一种实心锥柱的等效轴段单元( 在图 1 ( b ) 中给 出) 。 表 1给出了西门子扭振频率计算程序所用的 轴系模化参数的数据格式， 每 1 个等效轴段单元 的模化参数有 1行 9列 ， 考 虑的情况 比较复杂一 些 ， 具体说 明如下。 第 1列 ： 质块序号。在序号前加 符号“一” 表 示空心轴段 ， 否则为实心轴段。 第 2列 ： 轴段长度 ， m m。 。 第 3 5列 ： 重量参数 ， 根据这 3列参数计算 对应轴段的重量。 维普资讯 张燕， 等1 0 0 0 mw 汽轮发电机组轴系扭振特性的计算分析 9 9 ( 总3 7 1 ) 第 3列 ： 对实心轴段 ， 左直径 4 , 0 ， mm； 对 空 心轴段 ， 外径 4 , 0 。 ， m m。 第 4列 ： 对实心轴段 ， 右直径 d ， m m； 对空 心轴段 ， 内径 4 , 0 ， m m。 第 5列 ： 附重 ， n， 即质量 k g9 8 1 m s 。该 参数与扭振频率计算无关 。 第 6 7列 ： 惯性矩参数。或者给 出直径 、 由 程序 自动计算惯性矩值 ， 或者直接给定惯性矩值 ， 此时在惯性矩值前加符号 “一” 。 第 6列 ： 对实心轴段 ， 左直径 4 , 0 ， m m； 对空 心轴段 ， 外径 d 。 ， mm； 或者用符号“一” 直接给定 惯性矩值 ， mm 。 第 7列 ： 对实心轴段 ， 右直径 4 , 0 ， mm； 对空 心轴段 ， 内径 4 , 0 ， mm； 或者用符号“一” 直接给定 惯性矩值 ， mm 。 第 8列 ： 惯量参数。如果为 0 ， 则由程序 自动 计算惯量值 ； 或者对实心轴段 ， 给出用来计算惯量 的直径 ( mm) ； 或者直接给定惯量值 ( k g mm ) ， 此时在惯量值前加符号“一” 。 第 9列 ： 屈服点参数。或者直接给定屈服强 度值 。 n mm ； 或者给定屈服点对应的温度 ( o c) ， 此时在温度值前加符号“一” 。 ( a ) 等效 圆柱轴段单元 c o ) 等效锥柱轴段单 兀 ( 实心 ) 图 1 西 门子技术模化 的轴段单元示意 图 可见 ， 西门子程序对轴段单元惯量和刚度的 模化是相互独立 的， 惯量和刚度可 以用等效轴段 的尺寸表示、 由程序自动计算， 也可以直接输入具 体数值 ( 例如对于特别复杂的结构可 以通过有限 元计算得到惯量和刚度值 ) ， 比较灵活 ， 但是显得 较为复杂。另外 ， 西 门子对横振特性和扭振特性 计算是共用一套轴系数据的。 2 1 0 0 0 mw 机组轴系模化数据的等效转 换方法 国内制造单位习惯上把轴系模化为等直径圆 柱体加附加转动惯量的形式， 在此基础上使用西 屋扭振计算程序进行扭振特性的计算分析。为了 适应 国内习惯并利用 已有的经验 ， 考虑对西 门子 扭振频率计算程序格式的轴系模化参数进行等效 转换 ， 转换原则为： ( 1 )把锥柱轴段单元等效为同一长度的圆柱 轴段单元 ， 认为在单位 力矩作用下二者产生的扭 角差相等 ， 则转换前后等效刚度不变 ， 由此确定等 效圆柱轴段单元的惯性矩及直径 。 ( 2 )把原锥柱轴段单元等效刚度对应的直径 作为等效直径 ， 分别计算原锥柱轴段单元与等效 圆柱轴段单元的惯量 ， 二者之差作为等效 圆柱轴 段单元的附加惯量 ， 则转换前后惯量不变 。 从锥柱轴段单元到等效圆柱轴段单元的转换 示意图如图 2所示 ， 根据原则( 1 ) ， 在单位力矩作 用下 ， 长度 l 的锥柱轴段单元与 同一长度的等效 圆柱轴段单元产生的扭角差 0 相等 ， 即： ， r 0 = j一 =j d ( ) ( 1 ) u。 j 0 e ， i z 其 中： ， 】 ， d o ( )= ( 2 ) uj ， ( )=a- “q d ( ) ( 3 ) d( )=d “ + 由上可得 ： dr 一 ( 4 ) ,l o e , i 3 2 等d c 景d (5 ) 一 班 + ， + 碥 表 1 西 门子扭振频率计算程 序所用的轴系模化参数格式及示例 ( 6 ) 第 1 列 第 2 列 第 3 列 1 第4 列 第5 列 第 6 列 l 第7列 第 8 列 第9 列 质块序号 轴段长度 重量参数 惯性矩参数 惯量参数 屈服点参数 直径 m m 直径 mm 实 心轴段 长度 m m 附重 n 自动计算 热态温度 l 1 7 0 3 7 0 l 3 0 0 o 3 7 0 l 3 0 0 o 一 4 0 直径 mm 给定惯量 给定强度 空心轴段 长度 m m 附重 n 给定惯 性 m m4 + d 0 d p d i k g m m ， n l l l n 一 一 7 8 0 8 0 4 0 0 1 8 8 e 6 l一 1 8 8 e 6 2 3 6 8 e 3 2 1 e 5 维普资讯 1 0 0 ( 总 3 7 2 ) 凳氧 电力 d 。 即为等效圆柱轴段单元的直径( 参见图2 ) 。 模态的振型曲线， 可见二者是比较接近的。 图 2 锥柱轴段单兀等效为圆柱轴段单 兀 3 1 0 0 0 mw 机组轴 系扭振频率和 振型的 计算分析 上海一西 门子型 1 0 0 0 mw 无刷励磁发 电机 组轴系模化为 3 3 7个轴段单元 ， 原始数据 以西 门 子扭振频率计算程序的格式 给出， 利用上述方法 编程实现到西屋扭振计 算程序格式 的等效转换 。 在此基础上 ， 利用西屋扭振计算程序 p h 0 9 7 5， 对 1 0 0 0 m w 无刷励磁发 电机组的扭 振 自然频率和 振型进行 了计算分析。轴系扭振的前 9阶模态频 率计算结果如表 2所示 ， 表 中同时给出了西门子 提供 的数值 ， 二者之间非常接近， 可见本文提 出的 轴系模化参数等效转换方法及其程序是可靠的。 由表 2可见 ， 上海一 西门子型 1 0 0 0 m w 无 刷励磁发电机组的轴系扭振频率在工频附近避开 约 7 h z ， 在两倍工频附近避开约 3 0 h z ， 满足轴系 扭振 自然频率的设计准则 。 表 2 1 0 0 0 mw 无刷励磁发 电机 组 轴系扭振频率计算值 h z 模 态 次 序 1 2 3 4 5 6 7 8 9 p h 0 9 7 5 程 序计 算 值 1 4 2 4 2 1 4 0 3 0 3 2 5 7 6 0 6 5 5 0 1 3 3 6 4 1 4 3 6 9 2 0 5 2 2 2 1 1 0 5 堕 堡 堡 堕 墼 堕 ! ! ： ! ! ： ： ! ： 竺竺 ：! ! ： ! ! ! 竺 ： 壁 ： ! ： 另外 对 1 0 0 0 mw 静止励 磁发 电机组 轴系 ( 即发电机后 面集 电环部分轴段模化参数 不 同， 轴系模化为 3 1 4个轴段单元 ) 的扭振 特性也进行 了计算分析 ， 轴系扭振频率的计算结果 ( 前 7阶 模态 ) 如表 3所示 ， 可见也是满足轴系扭振 自然 频率 的设计 准则 的。同时对 比表 2和表 3可见 ， 无刷励磁改为静止励磁以后 ， 机组轴 系扭振 的前 4阶模态频率还是 比较接近 的， 第 5阶模态及更 高阶模态的频率则相差较大。 表 3 1 0 0 0 mw 静止励磁发 电机 组 轴 系扭振频 率的计算值 h z 模态次序 1 2 3 4 5 6 7 ! 堡 壁 茎 堕 ：! ： ： ! ： ! ： ： ： ! 另外 ， 在图3图 1 0中分别给出了 1 0 0 0 mw 无刷励磁及静止励磁发电机组轴系扭振的前 4阶 【 1 4 2 3 8h 一1【 】 i 】 o0 一 ，= = = 二 一一 一 i maxi m um rotor deflecti on 1 00 00 一 咖 正珀丑 珊陶卸聊脑幽捌喇畸辆_哪-一 一 一 图 3 无 刷励磁 机组轴 系 图4 静止励磁机组轴系 扭振模态 1 振 型曲线 扭振模态 1振型曲线 图5 无刷励磁村 1 轴系 图 6 静止励磁机组轴系 扭振模态 2振型曲线 扭振模