（热能工程专业论文）汽轮机高压内缸径向碰磨的分析及研究.pdf

华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 摘要 径向碰磨是汽轮机组的主要故障之一。本文从引起径向 碰磨的两个起因入手，探 讨径向碰磨。 使用有限元软件计算了高压内 缸在各个工况下的变形趋势和变形量， 提出 了本文的变形观点， 并详细阐述了变形原因: 采集振动信号， 分析了发生径向碰磨后缸 体和转子振动信号的特征， 并开发了 汽轮机组碰磨监测诊断系统。 本系统成功应用于黄 岛电厂。 关键词:高压内缸径向变形径向碰磨 abs t ract r a d i a l r u b i s o n e o f t h e ma i n f a u l t s o f t h e s t e a m t u r b i n e . t h i s d i s s e r t a t i o n d i s c u s s e d r a d i a l r u b fr o m t w o r e a s o n s w h i c h c a u s e d r a d i a l r u b , c a l c u l a t e d t h e d i s t o r t i o n a l t e n d e n c y a n d d i s t o r t i o n a l q u a n t i t y o f t h e h i g h p r e s s u r e i n n e r c y l i n d e r i n d i ff e r e n t o p e r a t i o n c o n d i t i o n s , p r e s e n t e d t h e w r i t e r s s t a n d p o i n t a b o u t t h e d i s t o r t i o n a n d e x p o u n d e d t h e r e a s o n o f t h e d i s t o r t i o n . t h r o u g h g a t h e r e d t h e v i b r a t i o n s i g n a l , t h e w r i t e r a n a l y s e d t h e c h a r a c t e r o f t h e v i b r a t i o n s i g n a l fr o m t h e c y l i n d e r a n d t h e r o t o r a ft e r r a d i a l r u b o c c u r e d a n d d e v e l o p e d t h e m o n i t o r i n g a n d d i a g n o s i s s y s t e m o f t h e t u r b in e u n i t w h i c h a p p l i e d i n h u a n g d a o p o w e r p l a n t s u c c e s s f u l l y . z h a n g n a i q i a n g ( t h e r m a l p o w e r e n g i n e e r i n g ) d i r e c t e d b y p r o f . x u h o n g k e y wo r k s : h i g h p r e s s u r e i n n e r c y l i n d e r , r a d i a l d i s t o r t i o n , r a d i a l ru b 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 摘要 径向碰磨是汽轮机组的主要故障之一。本文从引起径向 碰磨的两个起因入手，探 讨径向碰磨。 使用有限元软件计算了高压内 缸在各个工况下的变形趋势和变形量， 提出 了本文的变形观点， 并详细阐述了变形原因: 采集振动信号， 分析了发生径向碰磨后缸 体和转子振动信号的特征， 并开发了 汽轮机组碰磨监测诊断系统。 本系统成功应用于黄 岛电厂。 关键词:高压内缸径向变形径向碰磨 abs t ract r a d i a l r u b i s o n e o f t h e ma i n f a u l t s o f t h e s t e a m t u r b i n e . t h i s d i s s e r t a t i o n d i s c u s s e d r a d i a l r u b fr o m t w o r e a s o n s w h i c h c a u s e d r a d i a l r u b , c a l c u l a t e d t h e d i s t o r t i o n a l t e n d e n c y a n d d i s t o r t i o n a l q u a n t i t y o f t h e h i g h p r e s s u r e i n n e r c y l i n d e r i n d i ff e r e n t o p e r a t i o n c o n d i t i o n s , p r e s e n t e d t h e w r i t e r s s t a n d p o i n t a b o u t t h e d i s t o r t i o n a n d e x p o u n d e d t h e r e a s o n o f t h e d i s t o r t i o n . t h r o u g h g a t h e r e d t h e v i b r a t i o n s i g n a l , t h e w r i t e r a n a l y s e d t h e c h a r a c t e r o f t h e v i b r a t i o n s i g n a l fr o m t h e c y l i n d e r a n d t h e r o t o r a ft e r r a d i a l r u b o c c u r e d a n d d e v e l o p e d t h e m o n i t o r i n g a n d d i a g n o s i s s y s t e m o f t h e t u r b in e u n i t w h i c h a p p l i e d i n h u a n g d a o p o w e r p l a n t s u c c e s s f u l l y . z h a n g n a i q i a n g ( t h e r m a l p o w e r e n g i n e e r i n g ) d i r e c t e d b y p r o f . x u h o n g k e y wo r k s : h i g h p r e s s u r e i n n e r c y l i n d e r , r a d i a l d i s t o r t i o n , r a d i a l ru b 华北电 力大学( 北京) 硕士学位论文 声明 本人郑重声明: 此处所提交的硕士学位论文( 汽轮机高压内缸径向碰磨的分析及研 究 ，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果。 据本人所知， 除了文中特别加以标注和致谢之处外， 论文中不包含其他人 己经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 学位论 文作者签名日期: 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、 使用学位论文的规定， 即: 学校有权保管、 并向 有关部门 送交学位论文的原件与复印 件; 学校可以 采用影印、 缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文; 学校可允许学位论文被查阅或借阅; 学校可以 学术交流为 目的 ， 复制赠送和交换学位论文; 同意学校可以 用不同方式在不同 媒体_ l 发表、 传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的 学位论文在解密后遵守此规定 ) 作者签名: 导师签名: 日期:日期: 华北电力大学( 北京) 硕士学伉论文 1 1问题的提出 第一章绪论 电力体制改革完成以后，逐步实行厂网分开和竞价上网。各大发电集团公司要求 电厂的主要设备应具有更高的安全性和可靠性，同时随着电网峰谷差的不断增加，高参 数、大容量机组需要具备良好的调峰能力。因此，如何提高机组的调峰能力并确保安伞 性成为一个主要研究课题。 为了减少机组内蒸汽泄漏所造成的效率损失，提高运行效率，汽轮机组动静部件 密封处的间隙调整的很小，但这同时也增加了运行过程中动静部件发生碰磨的可能性。 发生少数几次碰磨不一定对机组的运行状况产生直接影响，但如果碰磨现象频繁的发 生，轻则导致机组内密封梳齿磨损和变形，加大级间泄露损失，重则可能导致艮朗受碰 磨冲击载荷的叶片突然断裂，并引发整级叶片被打断的严重二次事故。图l l 为碰磨 故障所引起的轴封和叶片损坏实例图片。 图卜1 碰磨故障造成的汽轮机轴封和叶片损坏实例 近些年不断有报道汽缸发生碰磨损坏，并伴有汽缸变形现象。例如杨浦树发电厂2 号机“1 ，景德镇发电厂两台汽轮机。1 ，沙蛉子电厂l 号汽轮机。1 ，通辽电厂1 、3 号汽轮 机等等。但是对碰磨和汽缸变形原因阐述的文献却很少见。 碰磨故障主要分为轴向碰磨和径向碰磨。轴向碰磨是由胀差所引起，胀差是汽轮机 的主要监测指标，在这方面监测技术已经 e 较成熟。径向碰磨，是动静部分在径向的碰 磨，主要发生在叶片围带与汽缸之间或者轴封处。引起径向碰磨原因有两种：一是当汽 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 缸受到不均匀的温度场作用时，汽缸各部分发生不一致的变形，致使汽缸的内表面变成 椭圆形状。当变形量大于动静之间的间隙时就会发生径向碰磨。汽缸径向变形方面在目 前国内外期刊著作中很少见到完整清晰的论述，是本文重点探讨的部分。原因之二，汽 轮机转子在受到各种动静不平衡力的作用时，转子截面的中心就会偏离静止中心，当这 种偏离大于动静部件之间间隙时就会发生径向碰磨。本文将从转子碰磨振动特征信号方 而监测碰磨现象。 由于实际上没有任何控制汽缸热应力的手段，致使汽缸变形成为必然结果”，而且 工程上只是能够在大修的时候发现汽缸有变形却没有办法了解原因。因此本文的选题致 力于解决现场发生的实际问题，且在汽缸变形方面很少见到论述清晰的文献报道，具有 实际应用价值，同时有定创新。 1 2 径向碰磨的研究现状 1 2 1 高压内缸变形研究现状 对汽缸变形原因阐述的文章不多，大多都是对现场发生汽缸变形的报道。针对汽 缸变形的原因，国内基本有两种阐述。 第一种论述认为，由于汽缸水平结合面有法兰的存在，使得汽缸水平方向的刚度 比垂直方向的刚度大得多，故法兰的水平变形是影响汽缸横截面变形的主要原因1 。当 法兰内壁温度高于外壁温度时，汽缸法兰两端向外弯曲，中间向内弯曲。因汽缸垂直方 向的刚度小，在这种变形力的作用下，两端汽缸的水平部分被拉大，呈一扁椭圆形，法 兰成外张口。雨汽缸中间部分则成为一立椭圆形，法兰呈内张口。 第二种论述认为，汽缸变形主要是因为汽缸壁与法兰的厚度差别较大，较薄的汽 缸壁容易发生局部变形所引起”1 。当汽缸内表面在急骤加热时，汽缸内壁温度高于外壁， 内壁先膨胀，即要求增大内圆直径，但它却受到外壁尚未受热部分的限制，鉴于厚法兰 部分变形比较困难，因此汽缸内壁金属仅能在汽缸壁较薄的地方( 即上下部分) 才能得 到伸长，致使汽缸在加热时竖直方向直径相对的缩短了，水平直径增加了，呈现出扁椭 圆形，并使法兰产生了外张口。由于法兰内侧受到压缩，当它所承受的应力超过了材料 的屈服极限时，就会使法兰结合面产生永久性变形。当汽缸内表面急骤冷却时或法兰加 热温度过高时，汽缸内壁温度低于外壁温度，导致汽缸呈现立椭圆，出现了内张口，在 华北电力大学( 北京) 项士学 位论 文 缸受到不均匀的 温度场作用时， 汽缸各部分发生不一致的变形， 致使汽缸的内表面变成 椭圆形状。 当变形量大于动静之间的间隙时就会发生径向碰磨。 汽缸径向变形方面在目 前国内外期刊著作中很少见到完整清晰的论述， 是本文重点探讨的部分。原因之二， 汽 轮机转子在受到各种动静不平衡力的作用时， 转子截面的中心就会偏离静止中心， 当这 种偏离大于动静部件之间间隙时就会发生径向碰磨。 本文将从转子碰磨振动特征信号方 面监测碰磨现象。 由于实际上没有任何控制汽缸热应力的手段， 致使汽缸变形成为必然结果(5l ， 而且 工程上只是能够在大修的时候发现汽缸有变形却没有办法了解原因。 因此本文的选题致 力于解决现场发生的实际问题， 且在汽缸变形方面很少见到论述清晰的文献报道， 具有 实际应用价值，同时有一定创新。 荟1 . 2 1 . 2 . 1 径向碰磨的研究现状 高压内缸变形研究现状 对汽缸变形原因阐述的文章不多，大多都是对现场发生汽缸变形的报道。针对汽 缸变形的原因，国内基本有两种阐述。 第一种论述认为，由于汽缸水平结合面有法兰的存在，使得汽缸水平方向的刚度 比 垂 直方向 的刚度大得多， 故法兰的 水平变形是影响 汽缸横截面变形的主要原因犷 r 当 法兰内壁温度高于外壁温度时， 汽缸法兰两端向外弯曲， 中间向内弯曲。因汽缸垂直方 向的刚度小， 在这种变形力的作用下， 两端汽缸的 水平部分被拉大， 呈一扁椭圆形， 法 兰成外张口。而汽缸中间部分则成为一立椭圆形，法兰呈内张口。 第二种论述认为，汽缸变形主要是因为汽缸壁与法兰的厚度差别较大，较薄的汽 缸壁容易发生局部变形所引 起(6l 。 当 汽缸内 表面在急 骤加热时， 汽缸内 壁温度高于外壁， 内 壁先膨胀， 即要求增大内圆直径， 但它却受到外壁尚未受热部分的限制， 鉴于厚法兰 部分变形比 较困 难， 因此汽缸内 壁金属仅能在汽缸壁较薄的地方 ( 即上下部分) 才能得 到伸长， 致使汽缸在加热时竖直方向 直径相对的缩短了， 水平直径增加了， 呈现出 扁椭 圆形， 并使法兰产生了外张口。由于法兰内侧受到压缩，当它所承受的应力超过了材料 的屈服极限时， 就会使法兰结合面产生永久性变形。 当汽缸内表面急骤冷却时或法兰加 热温度过高时，汽缸内壁温度低于外壁温度，导致汽缸呈现立椭圆，出现了内张日，在 华北电力大学( 北京) 项士学 位论 文 缸受到不均匀的 温度场作用时， 汽缸各部分发生不一致的变形， 致使汽缸的内表面变成 椭圆形状。 当变形量大于动静之间的间隙时就会发生径向碰磨。 汽缸径向变形方面在目 前国内外期刊著作中很少见到完整清晰的论述， 是本文重点探讨的部分。原因之二， 汽 轮机转子在受到各种动静不平衡力的作用时， 转子截面的中心就会偏离静止中心， 当这 种偏离大于动静部件之间间隙时就会发生径向碰磨。 本文将从转子碰磨振动特征信号方 面监测碰磨现象。 由于实际上没有任何控制汽缸热应力的手段， 致使汽缸变形成为必然结果(5l ， 而且 工程上只是能够在大修的时候发现汽缸有变形却没有办法了解原因。 因此本文的选题致 力于解决现场发生的实际问题， 且在汽缸变形方面很少见到论述清晰的文献报道， 具有 实际应用价值，同时有一定创新。 荟1 . 2 1 . 2 . 1 径向碰磨的研究现状 高压内缸变形研究现状 对汽缸变形原因阐述的文章不多，大多都是对现场发生汽缸变形的报道。针对汽 缸变形的原因，国内基本有两种阐述。 第一种论述认为，由于汽缸水平结合面有法兰的存在，使得汽缸水平方向的刚度 比 垂 直方向 的刚度大得多， 故法兰的 水平变形是影响 汽缸横截面变形的主要原因犷 r 当 法兰内壁温度高于外壁温度时， 汽缸法兰两端向外弯曲， 中间向内弯曲。因汽缸垂直方 向的刚度小， 在这种变形力的作用下， 两端汽缸的 水平部分被拉大， 呈一扁椭圆形， 法 兰成外张口。而汽缸中间部分则成为一立椭圆形，法兰呈内张口。 第二种论述认为，汽缸变形主要是因为汽缸壁与法兰的厚度差别较大，较薄的汽 缸壁容易发生局部变形所引 起(6l 。 当 汽缸内 表面在急 骤加热时， 汽缸内 壁温度高于外壁， 内 壁先膨胀， 即要求增大内圆直径， 但它却受到外壁尚未受热部分的限制， 鉴于厚法兰 部分变形比 较困 难， 因此汽缸内 壁金属仅能在汽缸壁较薄的地方 ( 即上下部分) 才能得 到伸长， 致使汽缸在加热时竖直方向 直径相对的缩短了， 水平直径增加了， 呈现出 扁椭 圆形， 并使法兰产生了外张口。由于法兰内侧受到压缩，当它所承受的应力超过了材料 的屈服极限时， 就会使法兰结合面产生永久性变形。 当汽缸内表面急骤冷却时或法兰加 热温度过高时，汽缸内壁温度低于外壁温度，导致汽缸呈现立椭圆，出现了内张日，在 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 螺栓和法兰结合面外侧承受压应力，因而就有可能使汽缸产生永久变形。 1 . 2 . 2 振动信号监测碰磨研究现状 t a y l o r 和n e w k i r k 早 在 二 三 十年 代 便开 始 研 究 转子 碰磨 现 象入 。 而 近 几 十 年随 着 火电机组的大型化， 碰磨故障造成的危害以及机组运行安全性问题日 益受到重视， 碰磨 的转子动力学理论研究也相应非常活跃，其中k e l l e n b e r g e r 等人对汽轮机轴封处由于 转子受热变形产生的动静间碰磨而导致的螺旋状不稳定运动进行了理论探讨们 ; d i m a r o g o n a s 从理 论上 解释 和描述了 碰磨产生的 转 子不 稳定振 动现象 0 ; g o l d m a n 等采 用精确的非线性模型和求解方法对碰磨状态下的转子振动特性进行分析计算， ， “ 幻 。 s t e g e m a n n 等人曾 对一台i g o m w 汽轮机组碰磨现象进行实测分析17 1 与理论研究相比，汽轮机组碰磨现象的实测分析研究开展的较少，主要原因是机 组碰磨现象瞬时发生并具有时间不确定性， 因而激发的 机组振动也只产生瞬时而不是持 续性的变化， 现有振动监测系统采用的等时间间隔测量方法往往捕捉不到碰磨发生时的 振动变化信号， 因而碰磨对机组运行的影响往往不被运行人员注意和重视。同时由于缺 少实际机组碰磨时的 振动信号， 难以 对碰磨振动信号 特征以 及碰磨发生的规律进行分析 研究。只是在机组检修时，打开汽缸体检查才可以确定是否发生碰磨及其严重程度。 1 . 3 本文主要工作 1 . 3 . 1 确定研究对象 为了能够更好的研究径向 碰磨机理，必须要找到汽轮机组最经常发生径向 碰磨的 位置，以 这个位置作为研究对象。图1 -2 为某一汽轮机长期碰磨统计分布图i3 。 从图 中的左侧部分可以 清楚的看出 碰磨所发生的位置， 低压缸基本上没有碰磨发生， 中 压缸 有较少的碰磨发生。 碰磨主要发生在高压缸， 最集中的位置是高压缸的调节级后和第一 级之前的位置， 这与很多文献 报道是一致的。 虽 然碰磨信号包括轴向 碰磨和径向 碰磨， 但是高压缸的 膨胀死点位于进 汽管中心线与汽缸纵向中 心线的交点上创 ， 这个死点与 调 节级后的位置是非常近的， 在这个位置基本上是不会发生轴向 碰磨的， 因此可以 认为 这 个位置上所发生的碰磨均为径向碰磨。 论文的研究对象确定为高压内缸的调节级后第一 级之前的位置。 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 螺栓和法兰结合面外侧承受压应力，因而就有可能使汽缸产生永久变形。 1 . 2 . 2 振动信号监测碰磨研究现状 t a y l o r 和n e w k i r k 早 在 二 三 十年 代 便开 始 研 究 转子 碰磨 现 象入 。 而 近 几 十 年随 着 火电机组的大型化， 碰磨故障造成的危害以及机组运行安全性问题日 益受到重视， 碰磨 的转子动力学理论研究也相应非常活跃，其中k e l l e n b e r g e r 等人对汽轮机轴封处由于 转子受热变形产生的动静间碰磨而导致的螺旋状不稳定运动进行了理论探讨们 ; d i m a r o g o n a s 从理 论上 解释 和描述了 碰磨产生的 转 子不 稳定振 动现象 0 ; g o l d m a n 等采 用精确的非线性模型和求解方法对碰磨状态下的转子振动特性进行分析计算， ， “ 幻 。 s t e g e m a n n 等人曾 对一台i g o m w 汽轮机组碰磨现象进行实测分析17 1 与理论研究相比，汽轮机组碰磨现象的实测分析研究开展的较少，主要原因是机 组碰磨现象瞬时发生并具有时间不确定性， 因而激发的 机组振动也只产生瞬时而不是持 续性的变化， 现有振动监测系统采用的等时间间隔测量方法往往捕捉不到碰磨发生时的 振动变化信号， 因而碰磨对机组运行的影响往往不被运行人员注意和重视。同时由于缺 少实际机组碰磨时的 振动信号， 难以 对碰磨振动信号 特征以 及碰磨发生的规律进行分析 研究。只是在机组检修时，打开汽缸体检查才可以确定是否发生碰磨及其严重程度。 1 . 3 本文主要工作 1 . 3 . 1 确定研究对象 为了能够更好的研究径向 碰磨机理，必须要找到汽轮机组最经常发生径向 碰磨的 位置，以 这个位置作为研究对象。图1 -2 为某一汽轮机长期碰磨统计分布图i3 。 从图 中的左侧部分可以 清楚的看出 碰磨所发生的位置， 低压缸基本上没有碰磨发生， 中 压缸 有较少的碰磨发生。 碰磨主要发生在高压缸， 最集中的位置是高压缸的调节级后和第一 级之前的位置， 这与很多文献 报道是一致的。 虽 然碰磨信号包括轴向 碰磨和径向 碰磨， 但是高压缸的 膨胀死点位于进 汽管中心线与汽缸纵向中 心线的交点上创 ， 这个死点与 调 节级后的位置是非常近的， 在这个位置基本上是不会发生轴向 碰磨的， 因此可以 认为 这 个位置上所发生的碰磨均为径向碰磨。 论文的研究对象确定为高压内缸的调节级后第一 级之前的位置。 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 螺栓和法兰结合面外侧承受压应力，因而就有可能使汽缸产生永久变形。 1 . 2 . 2 振动信号监测碰磨研究现状 t a y l o r 和n e w k i r k 早 在 二 三 十年 代 便开 始 研 究 转子 碰磨 现 象入 。 而 近 几 十 年随 着 火电机组的大型化， 碰磨故障造成的危害以及机组运行安全性问题日 益受到重视， 碰磨 的转子动力学理论研究也相应非常活跃，其中k e l l e n b e r g e r 等人对汽轮机轴封处由于 转子受热变形产生的动静间碰磨而导致的螺旋状不稳定运动进行了理论探讨们 ; d i m a r o g o n a s 从理 论上 解释 和描述了 碰磨产生的 转 子不 稳定振 动现象 0 ; g o l d m a n 等采 用精确的非线性模型和求解方法对碰磨状态下的转子振动特性进行分析计算， ， “ 幻 。 s t e g e m a n n 等人曾 对一台i g o m w 汽轮机组碰磨现象进行实测分析17 1 与理论研究相比，汽轮机组碰磨现象的实测分析研究开展的较少，主要原因是机 组碰磨现象瞬时发生并具有时间不确定性， 因而激发的 机组振动也只产生瞬时而不是持 续性的变化， 现有振动监测系统采用的等时间间隔测量方法往往捕捉不到碰磨发生时的 振动变化信号， 因而碰磨对机组运行的影响往往不被运行人员注意和重视。同时由于缺 少实际机组碰磨时的 振动信号， 难以 对碰磨振动信号 特征以 及碰磨发生的规律进行分析 研究。只是在机组检修时，打开汽缸体检查才可以确定是否发生碰磨及其严重程度。 1 . 3 本文主要工作 1 . 3 . 1 确定研究对象 为了能够更好的研究径向 碰磨机理，必须要找到汽轮机组最经常发生径向 碰磨的 位置，以 这个位置作为研究对象。图1 -2 为某一汽轮机长期碰磨统计分布图i3 。 从图 中的左侧部分可以 清楚的看出 碰磨所发生的位置， 低压缸基本上没有碰磨发生， 中 压缸 有较少的碰磨发生。 碰磨主要发生在高压缸， 最集中的位置是高压缸的调节级后和第一 级之前的位置， 这与很多文献 报道是一致的。 虽 然碰磨信号包括轴向 碰磨和径向 碰磨， 但是高压缸的 膨胀死点位于进 汽管中心线与汽缸纵向中 心线的交点上创 ， 这个死点与 调 节级后的位置是非常近的， 在这个位置基本上是不会发生轴向 碰磨的， 因此可以 认为 这 个位置上所发生的碰磨均为径向碰磨。 论文的研究对象确定为高压内缸的调节级后第一 级之前的位置。 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 日c爹 . i . 高压n - 升速 . 介高 压缸欢速 . 中压缸 一 升速 【 中户 沂 a , - 降速 葺 . . 习 【 弓 i i 奋， ， 干 . : ， 一0 . 离压缸汽划 . c .压王 叶片 . 中压缸j 气 封 口 中且 1: 山 上 叶片 口 轰 二 i . . . 兔 万: : 。 - 3 0 图3 0 6 d mw 6 0 3 0 3 0 0 0 2 0刃门 d3 0 0 图1 - 2 长期碰磨统计图 图1 -2 右图中还可以看出， 汽轮机组在额定负荷下所发生的碰磨次数很少， 碰磨 多发生在负荷变动的时候。 从开始带负荷到满负荷， 再从满负荷减到解列， 这两个阶段 是碰磨集中的部分。所以本文的研究重点更侧重于汽轮机在启停机过程中汽缸的变形。 1 . 3 . 2 本文研究的具体工作 为了研究汽轮机径向碰磨的机理，本文从产生径向碰磨的两个方面入手，分两大 部分分别探讨汽轮机碰磨原因和监测方法。 径向碰磨产生的两个方面是汽缸变形和转子 偏心，针对这两个方面，本文工作基木上可以分为以下几个部分: 一、分析汽轮机高压内 缸结构，合理建立高压内 缸模型。 编程实现高压缸各级热 力计算以及换热系数计算。 二、使用a n s y s有限元软件，建立高压内 缸有限元模型。根据汽轮机的各个工况 进行数值计算，得出高压内 缸变形趋势和规律， 并分析变形原因。 三、采集汽轮机振动信号，提取碰磨特征值，实现用振动信号监测汽轮机碰磨现 象。 四、开发汽轮机碰磨监测诊断系统，并成功应用于黄岛发电厂。 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 日c爹 . i . 高压n - 升速 . 介高 压缸欢速 . 中压缸 一 升速 【 中户 沂 a , - 降速 葺 . . 习 【 弓 i i 奋， ， 干 . : ， 一0 . 离压缸汽划 . c .压王 叶片 . 中压缸j 气 封 口 中且 1: 山 上 叶片 口 轰 二 i . . . 兔 万: : 。 - 3 0 图3 0 6 d mw 6 0 3 0 3 0 0 0 2 0刃门 d3 0 0 图1 - 2 长期碰磨统计图 图1 -2 右图中还可以看出， 汽轮机组在额定负荷下所发生的碰磨次数很少， 碰磨 多发生在负荷变动的时候。 从开始带负荷到满负荷， 再从满负荷减到解列， 这两个阶段 是碰磨集中的部分。所以本文的研究重点更侧重于汽轮机在启停机过程中汽缸的变形。 1 . 3 . 2 本文研究的具体工作 为了研究汽轮机径向碰磨的机理，本文从产生径向碰磨的两个方面入手，分两大 部分分别探讨汽轮机碰磨原因和监测方法。 径向碰磨产生的两个方面是汽缸变形和转子 偏心，针对这两个方面，本文工作基木上可以分为以下几个部分: 一、分析汽轮机高压内 缸结构，合理建立高压内 缸模型。 编程实现高压缸各级热 力计算以及换热系数计算。 二、使用a n s y s有限元软件，建立高压内 缸有限元模型。根据汽轮机的各个工况 进行数值计算，得出高压内 缸变形趋势和规律， 并分析变形原因。 三、采集汽轮机振动信号，提取碰磨特征值，实现用振动信号监测汽轮机碰磨现 象。 四、开发汽轮机碰磨监测诊断系统，并成功应用于黄岛发电厂。 华北电力大学( 北京) 硕十学位论文 第二章 高压内缸变形机理研究 木章主要分析汽轮机高压缸结构及其工作条件， 在高压缸结构的基础上， 计算高压 缸内部通流部分的热力情况，继而分析计算高压内缸以及内外缸夹层的对流换热系数， 编制程序实现实时计算。分析了高压内缸的变形趋势，并提出了本文的观点。 2 . 1 汽轮机高压内缸结构 汽缸是汽轮机的主要部分，主要部件有汽缸体、法兰、螺栓、进气部分和滑销系 统等。 它将汽轮机的通流部分和大气隔离开来， 形成了蒸汽完成热能转换成机械能的封 闭气室。 汽缸内 装有喷嘴室、 静叶、 隔板套、 汽封等部件。 在汽缸外连接有进气、 排气、 回热抽汽管道以 及支撑座架等。 为了便于制造、安装和检修， 汽缸一般沿水中分面分为 上下两个半缸。 上下缸之间用法兰螺栓装配紧固。 汽缸所要承受的载荷比 较复杂，除了要承受缸体内外的蒸汽压力，还要承受汽 1 , 转子、隔板及隔板套等部件的重力和转子振动引起的交变动载荷，以及蒸汽流动产生的 轴向推力和反推力。 还有汽缸、法兰、螺栓等部件沿轴向、径向温度分布不均匀所引起 的热应力， 特别是在快速启动、 停机和变工况时。当 温度变化大时， 将在汽缸和法兰中 产生很大热应力和热变形。 汽缸承受的热应力及汽缸的热变形在允许的范围以内，不会造成永久变形和动、 静部分的碰磨。 但是高压缸，由 于处于较复杂的热应力作用下， 汽缸承受的热应力是造 成汽缸损坏、 产生变形或裂纹的最危险应力。不但数值较大，而且往往难以预先从理论 上做准确计算。由于蒸汽的 温度较高， 汽缸在运行中 会和其它各部件之间存在温差， 会 产生显著的热膨胀，因此，必须保证汽缸和汽缸内各部件在各个方向都能自由膨胀，同 时又始终保持静止部分同 转动部分处于同心状态并保持合理的间隙。 为了 保证汽缸在较 大应力作用下运行的安全性， 高压缸在结构、 强度、 材料和热处理等方面都满足一定的 要求。高压缸结构图2 -l o 华北电力大学( 北京) 硕十学位论文 第二章 高压内缸变形机理研究 木章主要分析汽轮机高压缸结构及其工作条件， 在高压缸结构的基础上， 计算高压 缸内部通流部分的热力情况，继而分析计算高压内缸以及内外缸夹层的对流换热系数， 编制程序实现实时计算。分析了高压内缸的变形趋势，并提出了本文的观点。 2 . 1 汽轮机高压内缸结构 汽缸是汽轮机的主要部分，主要部件有汽缸体、法兰、螺栓、进气部分和滑销系 统等。 它将汽轮机的通流部分和大气隔离开来， 形成了蒸汽完成热能转换成机械能的封 闭气室。 汽缸内 装有喷嘴室、 静叶、 隔板套、 汽封等部件。 在汽缸外连接有进气、 排气、 回热抽汽管道以 及支撑座架等。 为了便于制造、安装和检修， 汽缸一般沿水中分面分为 上下两个半缸。 上下缸之间用法兰螺栓装配紧固。 汽缸所要承受的载荷比 较复杂，除了要承受缸体内外的蒸汽压力，还要承受汽 1 , 转子、隔板及隔板套等部件的重力和转子振动引起的交变动载荷，以及蒸汽流动产生的 轴向推力和反推力。 还有汽缸、法兰、螺栓等部件沿轴向、径向温度分布不均匀所引起 的热应力， 特别是在快速启动、 停机和变工况时。当 温度变化大时， 将在汽缸和法兰中 产生很大热应力和热变形。 汽缸承受的热应力及汽缸的热变形在允许的范围以内，不会造成永久变形和动、 静部分的碰磨。 但是高压缸，由 于处于较复杂的热应力作用下， 汽缸承受的热应力是造 成汽缸损坏、 产生变形或裂纹的最危险应力。不但数值较大，而且往往难以预先从理论 上做准确计算。由于蒸汽的 温度较高， 汽缸在运行中 会和其它各部件之间存在温差， 会 产生显著的热膨胀，因此，必须保证汽缸和汽缸内各部件在各个方向都能自由膨胀，同 时又始终保持静止部分同 转动部分处于同心状态并保持合理的间隙。 为了 保证汽缸在较 大应力作用下运行的安全性， 高压缸在结构、 强度、 材料和热处理等方面都满足一定的 要求。高压缸结构图2 -l o 华北电 力大学( 北京) 硕士学 位论文 图2 - 1高压缸结构 2 . 1 . 1 汽轮机高压缸的双层结构 高参数大容量汽轮机的高压缸多为双层汽缸结构，双层汽缸是由圆筒形的外缸和 内缸两部分组成，内缸和外缸一般都有自己的水平中分面， 用法兰螺栓将上、 一 厂 缸连接 在一 起、内缸通过猫爪和滑销同外缸连接并支持在外缸上，以保证在任何热状态下内缸 和外缸始终同心。 在内缸和外缸两层汽缸壁中间通入中等压力的蒸汽， 对内 缸进行冷却， 采用这种形状简单对称、质量分布均匀的双层缸结构，不仅可以 减少单个铸件重量， 而 且加工制造较方便， 还可以使汽缸壁和法兰减薄， 汽缸具有足够的高温强度和较小的热 应力，并且使机组启动时的工作条件和汽缸结合面的严密性都得到改善。 因为内 缸的外 部有中等压力的蒸汽， 使得内缸的内、 外的 压力差大为减小， 汽缸的热应力是与内、 外 壁温差成正比的， 而温差又与汽缸厚度的平 方成正比。因此， 采用双层汽缸后， 随着汽 缸壁的减薄， 可有效的减小汽缸壁上的热应 力。 双层缸的缺点是结构比较复杂， 要合理 解决双层缸的支撑和相对膨胀、 进气管的膨 胀和密封等问题。汽轮机的双缸结构如图2 一 20 图2 - 2汽轮机双缸结构 华北电 力大学( 北京) 硕士学 位论文 图2 - 1高压缸结构 2 . 1 . 1 汽轮机高压缸的双层结构 高参数大容量汽轮机的高压缸多为双层汽缸结构，双层汽缸是由圆筒形的外缸和 内缸两部分组成，内缸和外缸一般都有自己的水平中分面， 用法兰螺栓将上、 一 厂 缸连接 在一 起、内缸通过猫爪和滑销同外缸连接并支持在外缸上，以保证在任何热状态下内缸 和外缸始终同心。 在内缸和外缸两层汽缸壁中间通入中等压力的蒸汽， 对内 缸进行冷却， 采用这种形状简单对称、质量分布均匀的双层缸结构，不仅可以 减少单个铸件重量， 而 且加工制造较方便， 还可以使汽缸壁和法兰减薄， 汽缸具有足够的高温强度和较小的热 应力，并且使机组启动时的工作条件和汽缸结合面的严密性都得到改善。 因为内 缸的外 部有中等压力的蒸汽， 使得内缸的内、 外的 压力差大为减小， 汽缸的热应力是与内、 外 壁温差成正比的， 而温差又与汽缸厚度的平 方成正比。因此， 采用双层汽缸后， 随着汽 缸壁的减薄， 可有效的减小汽缸壁上的热应 力。 双层缸的缺点是结构比较复杂， 要合理 解决双层缸的支撑和相对膨胀、 进气管的膨 胀和密封等问题。汽轮机的双缸结构如图2 一 20 图2 - 2汽轮机双缸结构 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 2 . 1 . 2 汽轮机高压内缸的支撑和滑销系统 n 3 0 0型汽轮机高压外缸一般是通过四个上 猫爪支撑在前后轴承座上，轴承座再支撑在台板 上。 高压内缸是依靠内上缸的猫爪和工作垫片支撑 在外下缸的法兰中分面上， 这样的支撑方式在内缸 受热膨胀后， 仍就保持内缸洼窝中心与外缸中分面 保持一致。 不致于因为猫爪厚度的线膨胀偏离汽缸 的中心，以免汽缸内动静部分发生磨损。 这就是土 猫爪支撑相对于下猫爪支撑的优点， 但是在安装的 ; ; z 弓衫衫子弓 图2 - 3汽轮机猫爪结构 时候比较麻烦。如图2 -3 ，图中左部分是高压外缸，右部分是高压内缸。 汽轮机高压缸温度高， 受热后膨胀量和受冷后收缩量均比 较大， 如果不让它自由 膨 胀，必然会使汽缸发生变形，甚至毁坏设备，但又不能让它任意膨胀而不加以引导，否 则将使汽缸歪斜， 汽缸中心与转子中心发生偏斜，引起动静部分发生碰磨，以至造成重 大事故。这就需要有一系列的滑销来加以保证。 高压缸的内缸和外缸，由于运行温度不一致， 就要发生相对膨胀， 需要滑销来定位 并引导膨胀方向， 内外缸是通过凹槽 骑跨在外缸分缸面凸肩上， 内缸前后 端还有纵销。 所以， 分缸面中心线与 纵向中心线， 以及主蒸汽管道处横销 的交点， 就成为高中压内缸相对于外 缸的死点， 如图2 -4 。 内缸受热时以 死点为基准向两端膨胀。 图2 - 4高中压缸滑销系统 2 . 1 . 3 高压缸的主蒸汽进气系统 高压缸一般具有4 个进气喷嘴室， 沿内缸的圆周布置， 上一 缸各两个， 新蒸汽经自 动主汽门和调速汽门控制分别进入4 个进气室。 高压缸采用双层汽缸时， 进气就需要这样一种特殊结构: 它能保证进气管在穿过内、 外缸时良 好的密封;因为内、 外缸存在温差，在进气管处应该使内、外缸有相对膨胀的 可能; 鉴于外缸的金属材料耐热性不如内缸，因此进气管在穿过外缸处应有一定的冷却 7 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 2 . 1 . 2 汽轮机高压内缸的支撑和滑销系统 n 3 0 0型汽轮机高压外缸一般是通过四个上 猫爪支撑在前后轴承座上，轴承座再支撑在台板 上。 高压内缸是依靠内上缸的猫爪和工作垫片支撑 在外下缸的法兰中分面上， 这样的支撑方式在内缸 受热膨胀后， 仍就保持内缸洼窝中心与外缸中分面 保持一致。 不致于因为猫爪厚度的线膨胀偏离汽缸 的中心，以免汽缸内动静部分发生磨损。 这就是土 猫爪支撑相对于下猫爪支撑的优点， 但是在安装的 ; ; z 弓衫衫子弓 图2 - 3汽轮机猫爪结构 时候比较麻烦。如图2 -3 ，图中左部分是高压外缸，右部分是高压内缸。 汽轮机高压缸温度高， 受热后膨胀量和受冷后收缩量均比 较大， 如果不让它自由 膨 胀，必然会使汽缸发生变形，甚至毁坏设备，但又不能让它任意膨胀而不加以引导，否 则将使汽缸歪斜， 汽缸中心与转子中心发生偏斜，引起动静部分发生碰磨，以至造成重 大事故。这就需要有一系列的滑销来加以保证。 高压缸的内缸和外缸，由于运行温度不一致， 就要发生相对膨胀， 需要滑销来定位 并引导膨胀方向， 内外缸是通过凹槽 骑跨在外缸分缸面凸肩上， 内缸前后 端还有纵销。 所以， 分缸面中心线与 纵向中心线， 以及主蒸汽管道处横销 的交点， 就成为高中压内缸相对于外 缸的死点， 如图2 -4 。 内缸受热时以 死点为基准向两端膨胀。 图2 - 4高中压缸滑销系统 2 . 1 . 3 高压缸的主蒸汽进气系统 高压缸一般具有4 个进气喷嘴室， 沿内缸的圆周布置， 上一 缸各两个， 新蒸汽经自 动主汽门和调速汽门控制分别进入4 个进气室。 高压缸采用双层汽缸时， 进气就需要这样一种特殊结构: 它能保证进气管在穿过内、 外缸时良 好的密封;因为内、 外缸存在温差，在进气管处应该使内、外缸有相对膨胀的 可能; 鉴于外缸的金属材料耐热性不如内缸，因此进气管在穿过外缸处应有一定的冷却 7 华北电 力大学( 北京) 硕七 学位论文 装置。 常用的双层汽缸的进气管是带密封装置的活动连接管， 如图2 -5 。 采用双层结构 后， 进入喷嘴室的蒸汽要经过外缸和内缸而达到气室。 因此进气管不能同时固定在内缸和外缸上， 而必须一 端做刚性连接， 而另一端做活动连接、 进气管内套管 与内缸喷嘴室进汽口为活动连接， 采用活塞环密封套 在喷嘴进气口 上， 两者之间因为有活塞环式汽封， 允 许做相对膨胀， 又能将高压蒸汽密封， 避免其大量泄 漏。 外套管则通过法兰螺栓与外缸紧固。 在内、 外套 管之间还装有带螺旋圈的遮热筒， 以冷却进气管及外 缸。 螺旋圈下端与内、 外缸夹层的冷却蒸汽相同， 而 在螺旋圈上端则有夹层冷却蒸汽的排气管。 内外缸在机组运行中有相对 一 膨胀 图2 - 5汽轮机主蒸汽管道 2 . 1 . 4 高压内 缸法兰螺栓系统 高压汽缸的法兰螺栓在高温和较大应力的作用下，会产 生应力松弛现象。所谓应力松弛是指维持总变形 ( 塑性变形 及弹性变形)不变的条件下，零件在高温及应力作用下，部 分弹性变形转化为塑性变形，导致应力降低的现象。为了保 证高压汽轮机水平结合面在两次大修间隔中始终严密，必须 在安装时上下结合面法兰间具有足够的紧力。为此，对于高 压内缸的水平结合面螺栓，安装时先作冷紧，使水平接合面 无间隙。再往螺栓中心孔中放置各种型式的螺栓加热器对螺 栓进行加热， 待螺栓受热伸长至一定数值后，用扳手将螺帽 拧紧一个角度或一段弧长k ， 法兰中将产生了需要的压紧力。 图2 - 6法兰螺栓系统 螺栓的热紧值应由再螺栓 中 所产生的拉应力的规定值来确定。 同时应保证在两次大修间隔内， 螺栓产生一定的应 力松弛现象时，汽缸接合面之间仍有足够的密封应力。 罩形螺母再热紧时的旋转弧长k e 由下式确定: a - h - ) r - d , , k二- 一 - - : 二 二 - 一 一 y b匕 ( 2 - 1 ) 式中 1 。 为 螺 栓 水 平 结 合 面以 上 的 高 度; d s r 为 罩 形 螺 母 的 外 缘 直 径; s 为 螺 距 ; e 为 材 料 华北电 力大学( 北京) 硕七 学位论文 装置。 常用的双层汽缸的进气管是带密封装置的活动连接管， 如图2 -5 。 采用双层结构 后， 进入喷嘴室的蒸汽要经过外缸和内缸而达到气室。 因此进气管不能同时固定在内缸和外缸上， 而必须一 端做刚性连接， 而另一端做活动连接、 进气管内套管 与内缸喷嘴室进汽口为活动连接， 采用活塞环密封套 在喷嘴进气口 上， 两者之间因为有活塞环式汽封， 允 许做相对膨胀， 又能将高压蒸汽密封， 避免其大量泄 漏。 外套管则通过法兰螺栓与外缸紧固。 在内、 外套 管之间还装有带螺旋圈的遮热筒， 以冷却进气管及外 缸。 螺旋圈下端与内、 外缸夹层的冷却蒸汽相同， 而 在螺旋圈上端则有夹层冷却蒸汽的排气管。 内外缸在机组运行中有相对 一 膨胀 图2 - 5汽轮机主蒸汽管道 2 . 1 . 4 高压内 缸法兰螺栓系统 高压汽缸的法兰螺栓在高温和较大应力的作用下，会产 生应力松弛现象。所谓应力松弛是指维持总变形 ( 塑性变形 及弹性变形)不变的条件下，零件在高温及应力作用下，部 分弹性变形转化为塑性变形，导致应力降低的现象。为了保 证高压汽轮机水平结合面在两次大修间隔中始终严密，必须 在安装时上下结合面法兰间具有足够的紧力。为此，对于高 压内缸的水平结合面螺栓，安装时先作冷紧，使水平接