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 的的立足于生产实际，了解汽流激振问立足于

2、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，其社会影响和经组是我国电力工业发展方向，一旦出现事故，其社

3、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FFrFt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

4、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

5、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) =300

6、0rpm 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，

7、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Fyu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；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

8、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

9、：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

10、，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（1

11、300MW，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

12、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

13、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。xDHFy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

14、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(2211iiiiiniuwwgf4.3 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

15、启，部分开启，III、IV关闭关闭500t/h173MW2I、II部分开启，部分开启，III、IV关闭关闭600t/h208 MW3I、II全部开启，全部开启，III、IV关闭关闭750t/h258 MW4I、II全开，全开，III部分开启部分开启850t/h285 MW5I、II全开，全开，III、IV部分开启部分开启935t/h300 MW6I、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

16、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，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

17、；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

18、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。在计算和分析中应考虑。4.4.3 小结工况I工况II工况III工况IV工况VI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

19、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

20、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

21、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

22、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#198957.87.47.46.621211007.77.27.36.43135998.07.37.46.541501108.57.87.66.451611118.78.07.86.6序号各调节

23、汽门开度（%） 2#瓦振动（m）负荷（MW）1号2号3号4号1100100006070定速210010010010012510603100901005060100410010010002530150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

24、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

25、。而该机组1、2#轴瓦进油孔恰在左侧，该厂在主油泵工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127.027.073.178.661.857.2557226.010.281.667.957.861.1552322.5086.963.555.466.8557420.54092.260.252.879.5555523.321.894.357.350.983.5558625.710.094.057.450.780.6554728.120.189.259.551.174.9555828.528.572.977.861.257.6555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.