汽轮发电机组汽流激振

1、汽轮发电机组汽流激振汽轮发电机组汽流激振 分析及研究进展分析及研究进展 主讲人：主讲人： 郭郭 瑞瑞 火电机组振动国家工程研究中心火电机组振动国家工程研究中心 东东 南南 大大 学学 个人简介及联系方式个人简介及联系方式 v大学就读于东北电力学院大学就读于东北电力学院 v毕业后从事汽机本体检修工作毕业后从事汽机本体检修工作 v在东南大学攻读硕士及博士学位在东南大学攻读硕士及博士学位 v毕业后留校工作毕业后留校工作 v电话：电话：M） v8312（O） v办公室：振动中心办公室：振动中心312室室 v电子邮件：电子邮件： 目目 的的 立足于生

2、产实际，了解汽流激振问立足于生产实际，了解汽流激振问 题的相关概念、基础理论和研究进展，题的相关概念、基础理论和研究进展， 掌握汽流激振基本分析方法。掌握汽流激振基本分析方法。 一、前 言 1. 1 汽（气）流激振基本概念 汽（气）流激振是旋转机械（汽轮机、燃气轮汽（气）流激振是旋转机械（汽轮机、燃气轮 机、压缩机等）转子在汽（气）流（工质）力的作机、压缩机等）转子在汽（气）流（工质）力的作 用下产生强烈振动的现象。用下产生强烈振动的现象。 汽流激振随机组容量的增大而出现，而大功率汽轮发电机汽流激振随机组容量的增大而出现，而大功率汽轮发电机 组是我国电力工业发展方向，一旦出现事故，其社会影响和

3、经组是我国电力工业发展方向，一旦出现事故，其社会影响和经 济损失巨大。为避免出现类似于油膜振荡的恶性事故，必须要济损失巨大。为避免出现类似于油膜振荡的恶性事故，必须要 研究汽流激振的发生机理、故障特征、预防措施。研究汽流激振的发生机理、故障特征、预防措施。 1.2 汽流激振研究的紧迫性和必要性 二、密封间隙激振力 2.1 密封间隙激振研究历史发展 F Fr Ft 密封间隙内的流体对密封间隙内的流体对 转子的作用力可分解为切转子的作用力可分解为切 向力向力Ft和径向力和径向力Fr。 其中其中切向力切向力Ft是导致是导致 转子运动失稳的关键因素。转子运动失稳的关键因素。 2.2 密封间隙内流体对转

4、子的作用力密封间隙内流体对转子的作用力 2.3 密封间隙流场流动特性研究密封间隙流场流动特性研究 密封间隙流场特性是密封间隙激振力研究的基密封间隙流场特性是密封间隙激振力研究的基 础，计算流体力学技术（础，计算流体力学技术（CFD）提供了强有力的）提供了强有力的 工具，可描述流场的细节。工具，可描述流场的细节。 常用的软件有常用的软件有PHOENICS、CFX、STAR-CD、 FIDAP、FLUNET等，其中等，其中FLUENT是目前功能是目前功能 最全、应用性最广、国内使用最广泛的最全、应用性最广、国内使用最广泛的CFD软件软件 之一。之一。 模型取自国产模型取自国产300MW汽轮机，为双

5、缸、两排汽、高中压合汽轮机，为双缸、两排汽、高中压合 缸结构，是我国目前的主力发电机组。在转子穿出内外缸部分均缸结构，是我国目前的主力发电机组。在转子穿出内外缸部分均 设有轴封。设有轴封。高压前轴封高压前轴封又分为两段，又分为两段，第一段第一段齿数为齿数为64，出口去，出口去3 高加，压力为 高加，压力为5.55Mpa，温度为，温度为376.6。第二段齿数为。第二段齿数为24， 出口去中压首级隔板后。出口去中压首级隔板后。 2.4 汽流激振力关键因素影响分析偏心、预旋等 什么是预旋？ 当设置预旋后，产生了当设置预旋后，产生了 较强的周向流动，整个间较强的周向流动，整个间 隙内的流体周向速度都达

6、隙内的流体周向速度都达 到与到与wp相当的量值。相当的量值。 (a) =0rpm wp=0m/s (b) =3000rpm wp=0m/s (c) =3000rpm wp=75m/s (d) =3000rpm wp=-75m/s 预旋、转速使压力高预旋、转速使压力高 点产生偏移，但两者点产生偏移，但两者 的效果的不同；的效果的不同； u旋转使压力顺向偏旋转使压力顺向偏 移；移； u预旋造成逆向偏移；预旋造成逆向偏移； u其中正预旋产生的其中正预旋产生的 压力分布能造成正向压力分布能造成正向 切向力。切向力。 偏心对压力的影响：偏心对压力的影响： u各腔中压力变化幅值随偏心各腔中压力变化幅值随偏

7、心 率的增大而增大；率的增大而增大； uP在第一腔中最大，以后各在第一腔中最大，以后各 腔逐渐减小。如当腔逐渐减小。如当ex=0.4mm 时，第一腔时，第一腔P1=0.21Mpa， 第二腔第二腔P2=0.143Mpa，第三，第三 腔腔P3=0.1Mpa。 (a) 第一腔(b) 第二腔 (c) 第三腔 (a) 径向力Fx (b) 切向力Fy u随偏心的增大，随偏心的增大，Fx、Fy都增大，但对都增大，但对Fx影响较大，对影响较大，对Fy影响较小；影响较小； u流体周向流动会对转子所受切向力产生影响，其中预旋的影响效果较为明显；流体周向流动会对转子所受切向力产生影响，其中预旋的影响效果较为明显；

8、u转子旋转产生与旋转速度切向方向相反的切向力，而预旋产生与旋转速度切向转子旋转产生与旋转速度切向方向相反的切向力，而预旋产生与旋转速度切向 方向相同的的切向力。特别是方向相同的的切向力。特别是正预旋正预旋产生的产生的切向力与转子旋转速度相同切向力与转子旋转速度相同，会诱，会诱 使转子做正向涡动，对转子运动稳定性产生不利影响，使转子做正向涡动，对转子运动稳定性产生不利影响，从原则上说明在密封间从原则上说明在密封间 隙内设置挡板等防预旋装置能抑制汽流力作用下的转子涡动隙内设置挡板等防预旋装置能抑制汽流力作用下的转子涡动。 密封间隙内形成切向力的主要条件有以下两个：密封间隙内形成切向力的主要条件有以

9、下两个： 转子偏心形成的楔形间隙，转子偏心形成的楔形间隙，间隙内流体的周向流动间隙内流体的周向流动 预旋是形成切向力的关键因素。预旋是形成切向力的关键因素。 改进的措施：改进的措施： 设计参数（汽轮机密封结构、动静间隙等）、在迷设计参数（汽轮机密封结构、动静间隙等）、在迷 宫密封中沿轴向安装止涡装置，或更换密封形势如蜂窝宫密封中沿轴向安装止涡装置，或更换密封形势如蜂窝 密封、阻尼密封等密封、阻尼密封等 2.6 小 结 2.6 相关案例相关案例 现象：底特律爱迪生公司现象：底特律爱迪生公司800MW机组，有功负荷带到机组，有功负荷带到 700MW时，高压转子出现突发剧烈低频振动（时，高压转子出现

10、突发剧烈低频振动（34Hz高压高压 转子一阶临界转速频率），随高压缸进汽量的增大急剧转子一阶临界转速频率），随高压缸进汽量的增大急剧 发散，在达到满负荷功率之前高压转轴振动就超过保护发散，在达到满负荷功率之前高压转轴振动就超过保护 值，引起机组保护动作跳机。值，引起机组保护动作跳机。 研究结果：该公司研究分析认为引起轴系失稳的蒸汽激研究结果：该公司研究分析认为引起轴系失稳的蒸汽激 振力产生于高压缸蒸汽泄露处，是流体动力与机械结构振力产生于高压缸蒸汽泄露处，是流体动力与机械结构 相互作用而产生的，并与设计参数（汽轮机密封结构、相互作用而产生的，并与设计参数（汽轮机密封结构、 动静间隙等）及蒸汽参

11、数（蒸汽流量、温度、流速）有动静间隙等）及蒸汽参数（蒸汽流量、温度、流速）有 关。关。 措施：措施： 更换了汽封更换了汽封 现象现象:田纳西州水利管理局田纳西州水利管理局 电站电站6 号机组（号机组（1300MW，双轴），双轴）， 当负荷带到当负荷带到900MW 时，由高压缸和时，由高压缸和6 低压缸组成的轴系的高压转子低压缸组成的轴系的高压转子 突然产生突然产生 低频振动，继续加负荷高压转子低频振动会急剧增加，足以低频振动，继续加负荷高压转子低频振动会急剧增加，足以 引起自动保护跳机。引起自动保护跳机。 分析结果：制造厂、美国电力中央研究所和克利夫来机械振动研究分析结果：制造厂、美国电力中央

12、研究所和克利夫来机械振动研究 所会诊结果为蒸汽激振。所会诊结果为蒸汽激振。 措施及解决方法：根据设计图纸以及测量数据，建立机组轴系支承措施及解决方法：根据设计图纸以及测量数据，建立机组轴系支承 系统的动力学模型。计算各轴承的刚度系数和阻尼系数；轴系的临界转系统的动力学模型。计算各轴承的刚度系数和阻尼系数；轴系的临界转 速、转子振动响应和稳定性；通过计入汽流作用在转子上的周向力，修速、转子振动响应和稳定性；通过计入汽流作用在转子上的周向力，修 正转子系统的刚度和阻尼。分析的主要内容为怎样改变汽轮机部件的几正转子系统的刚度和阻尼。分析的主要内容为怎样改变汽轮机部件的几 何形状可以消除汽流激振。何形

13、状可以消除汽流激振。 三、叶顶间隙激振力三、叶顶间隙激振力 3.1 研究历史和发展 3.2 Alford公式 这个公式奠定了汽流激振研究的基础，但由于在流体 机械中叶型、动静间隙、运行工况等因素都会影响级的效 率，并且压缩机、透平机的工作原理不同，使系数的取 值为研究难点，没有统一的模式。是关于级的运行工况的 复杂函数。 x DH Fy 为汽流力对转子的力矩 为每单位转子偏心对级 热力效率的影响 D为平均半径，H为平均 高度 四、部分进汽对汽流激振力影响研究四、部分进汽对汽流激振力影响研究 部分进汽是部分进汽是喷嘴调节喷嘴调节汽轮机特有的工作方式，在部分负荷下，汽轮机特有的工作方式，在部分负荷

14、下， 某些喷嘴组处于关闭或部分开启的状态，在调节级附近会形成某些喷嘴组处于关闭或部分开启的状态，在调节级附近会形成不均匀不均匀 流场流场，同时这部分在整机中流量最大、压力最高，汽流扰动对转子受，同时这部分在整机中流量最大、压力最高，汽流扰动对转子受 力产生较大影响。近年来，喷嘴配汽汽轮机在某些工况下前瓦振动过力产生较大影响。近年来，喷嘴配汽汽轮机在某些工况下前瓦振动过 大和瓦温较高问题时有发生，严重影响到机组的安全运行，引起研究大和瓦温较高问题时有发生，严重影响到机组的安全运行，引起研究 者的高度重视。者的高度重视。 4.1 电站汽轮机的配汽方式 节流配汽节流配汽喷嘴配汽喷嘴配汽 4.2 调节

15、级受力的合成 根本原因：由于部分进汽在调节级附近形成根本原因：由于部分进汽在调节级附近形成不均匀流场不均匀流场 )coscos( 2211 iiiii n i u wwgf 4.3 计算方法及流程 (a) 调节汽门布置 工况工况各各 调调 门门 开开 度度流量流量电功率电功率 1I、II部分开启，部分开启，III、IV关闭关闭500t/h173MW 2I、II部分开启，部分开启，III、IV关闭关闭600t/h208 MW 3I、II全部开启，全部开启，III、IV关闭关闭750t/h258 MW 4I、II全开，全开，III部分开启部分开启850t/h285 MW 5I、II全开，全开，II

16、I、IV部分开启部分开启935t/h300 MW 6I、II、III全开，全开，IV关闭关闭935t/h300 MW (b) 计算模型 4.4 部分进汽下汽流力分析 调节阀的开度和开启调节阀的开度和开启 顺序对转子受力的方向和顺序对转子受力的方向和 幅值都产生了很大影响，幅值都产生了很大影响， 特别是特别是5、6工况，汽流作工况，汽流作 用力有很大不同。用力有很大不同。 4.4.1 进汽方式对静态力的影响 4.4.2 配汽结构及喷嘴组面积分布对蒸汽力的影响 I、II喷嘴组面积较大，对应调节汽门直径大、所以进汽量喷嘴组面积较大，对应调节汽门直径大、所以进汽量 大，对整级的合力会产生较大影响。大，

17、对整级的合力会产生较大影响。 u在工况在工况1、2、3、5下，下，Fx、Fy的幅值的幅值 在在Fx、Fy中所占比例都达到中所占比例都达到60%以上；以上； u在工况在工况4、6下，下，Fx、Fy分别与分别与Fx、Fy 方向相反。工况方向相反。工况4时时|Fx|Fx|、 |Fy|Fy|，所以合力方向与，所以合力方向与Fx、Fy相相 同；而在工况同；而在工况6下，调节阀下，调节阀IV的开启和的开启和 调节阀调节阀III开度的减小使开度的减小使|Fx|Fx|、 |Fy|Fy|，所以合力与，所以合力与Fx、Fy同向；同向； u在六种工况下在六种工况下Fy的方向向下，在一定程的方向向下，在一定程 度上增

18、大了下压力，减小了对轴承工作度上增大了下压力，减小了对轴承工作 不利的因素；不利的因素； uA区动叶片主要影响水平方向，区动叶片主要影响水平方向，B区叶区叶 片主要影响垂直方向。片主要影响垂直方向。 u不同进汽方式改变了调节级中汽流和叶片轮周力分布，不同进汽方式改变了调节级中汽流和叶片轮周力分布， 对汽流激振力产生较大影响，调整调节阀开启顺序和对汽流激振力产生较大影响，调整调节阀开启顺序和 方式能减小汽流力，有利于机组安全运行；方式能减小汽流力，有利于机组安全运行； u不同喷嘴组面积的分布也会对汽流力造成较大影响，不同喷嘴组面积的分布也会对汽流力造成较大影响， 在计算和分析中应考虑。在计算和分

19、析中应考虑。 4.4.3 小结 工况I工况II工况III工况IV工况V I关闭，其 它全开 II关闭，其 它全开 III关闭，其 它全开 IV关闭，其 它全开 全周进 汽 4.5 部分进汽对密封间隙激振力影响 4.5.1 部分进汽条件下密封内流体的总体流动情况 (a) 工况I (b) 工况II (c) 工况III (d) 工况IV u 部分进汽造成部分进汽造成 明显的低压区明显的低压区 域，沿周向方域，沿周向方 向压力有较大向压力有较大 变化变化 u 不进汽的位置不进汽的位置 造成的影响基造成的影响基 本对等本对等 4.5.2 同心时部分进汽对压力分布的影响 (a) 4齿情况 (c) 64齿情

20、况 u 不均匀进汽的影响主要集中在密不均匀进汽的影响主要集中在密 封前部，在整个密封间隙内虽然封前部，在整个密封间隙内虽然 都存在低压区，但顺流动方向压都存在低压区，但顺流动方向压 力差值逐渐减小，腔中的压力越力差值逐渐减小，腔中的压力越 往下游压力越趋向于均匀。往下游压力越趋向于均匀。 (b) 16齿情况 u 两力都具有较大的向上分量，两力都具有较大的向上分量， 合成后互相加强；合成后互相加强； u 在部分进汽情况下，叶顶间隙在部分进汽情况下，叶顶间隙 汽流静态力为转子自重的汽流静态力为转子自重的6%， 密封间隙流体对转子的作用力密封间隙流体对转子的作用力 达到达到8%； u 其合力向上，幅

21、值可达到转子其合力向上，幅值可达到转子 自重的自重的10%； u 在考虑部分进汽对转子叶轮的在考虑部分进汽对转子叶轮的 作用力时应考综合考虑叶顶和作用力时应考综合考虑叶顶和 密封间隙两者的综合影响。密封间隙两者的综合影响。 4.6 叶顶和密封间隙激振力综合研究 该厂某机组为国产该厂某机组为国产100MW机组，采用喷嘴调节，四个调节汽门机组，采用喷嘴调节，四个调节汽门 1#调门进汽蒸汽力方向右上，调门进汽蒸汽力方向右上，2#调调 门进汽蒸汽力方向为右下，门进汽蒸汽力方向为右下，3#调门调门 进汽蒸汽力方向左上，进汽蒸汽力方向左上，4#调门进汽调门进汽 蒸汽力方向左下。蒸汽力方向左下。 当当4#调

22、门相对于其他调门开度减调门相对于其他调门开度减 小时，对转子左下方的力减小，小时，对转子左下方的力减小， 使转子产生了向上偏移，振动情使转子产生了向上偏移，振动情 况恶化况恶化。 4.7 典型案例 4.7.1 某100MW汽流激振力分析 从工况从工况1到到5，1#调门后压力有明显增大，调门后压力有明显增大，2、3#调门后压力稍有增调门后压力稍有增 加，加，4#调门后压力基本没有变化。该过程相当于调门后压力基本没有变化。该过程相当于4#调门相对于其他调门相对于其他 调门开度减小。在此过程中，调门开度减小。在此过程中，1#瓦垂直和水平两个方向的振动幅值瓦垂直和水平两个方向的振动幅值 逐渐增大，其中

23、垂直方向增幅明显。而当逐渐增大，其中垂直方向增幅明显。而当4#调门开度增大时，调门开度增大时，1#瓦瓦 振动幅值较小。从现场多次试验来看，该现象重复性较好。振动幅值较小。从现场多次试验来看，该现象重复性较好。 序号 垂直 （m） 水平 （m） 调门后压力（MPa） 1#2#3#4# 198957.87.47.46.6 21211007.77.27.36.4 3135998.07.37.46.5 41501108.57.87.66.4 51611118.78.07.86.6 序 号 各调节汽门开度（%） 2#瓦振动 （m） 负荷（MW） 1号2号3号4号 1100100006070定速 2100

24、1001001001251060 3100901005060100 410010010002530150以上 在这次升负荷过程中，3、4#调节汽门的开度对2#轴振影响较大：当1、2# 调门全开时，单独开启3#调门，振动情况好转，特别是在150MW以上时， 蒸汽流量较大，影响更为明显，2#瓦轴振比刚定速时明显降低；而当开启 4#调门后，振动情况恶化，特别是当4#调门达到全开度时，振动幅值增大 约两倍。 从以上现象中可看出：不同的调节阀开度对蒸汽对转子作用力产生了明显 影响，使轴振发生较大波动，特别是在高负荷、大流量情况下，本例的影 响效果虽然是使瓦振减小，但仍不可忽视这种影响，应采取一定措施，防

25、 止其产生不良后果，或利用其规律减小振动。 4.7.2 某200MW机组汽流激振力分析 4.7.3 某300MW机组汽流激振治理措施分析 起振时4#调门开度较小，而主汽流量较 大，基本在920t/h左右，甚至更大。结合各 调门进汽产生汽流力的方向可知，在4#调 门蒸汽量减小的情况下，向右下方的力减 小，而其他调门的流量增大，特别是3#调 门的流量增大，更增大了向左上方的汽流 力。在此综合作用下，转子在轴承内发生 向左上方的漂移 该机组正常运行时，转子应在轴承右下方，当振动发生时 转子向左上方偏移，如能施加向右下方的作用，应能抑制转子 的偏移。而该机组1、2#轴瓦进油孔恰在左侧，该厂在主油泵工

26、作的同时启动交流润滑油泵，对润滑油增压，此时各瓦轴振几 乎能回复到起振前的水平，在现场应用后，得到较好效果，说 明增压后的润滑油对轴承的影响抵消了汽流力的影响。 序号 阀门开度 （%） 1#瓦温度 （） 2#瓦温度 （） 负荷 （MW） 1号2号1号2号1号2号 127.027.073.178.661.857.2557 226.010.281.667.957.861.1552 322.5086.963.555.466.8557 420.54092.260.252.879.5555 523.321.894.357.350.983.5558 625.710.094.057.450.780.6554 728.120.189.259.551.174.9555 828.528.572.977.861.257.6555 在高负荷下进行单阀切换顺序阀过程中，3、4#号调门全开，1# 调门保持一定开度，逐渐关闭2#调门，再逐渐开启。 4.7.4