大型汽轮机汽流激振问题的分析和处理.doc

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1、大型汽轮机汽流激振问题的分析和处理  轴承油膜振荡(或油膜半速涡动)和汽流激振(或蒸汽激振、蒸汽涡动)是汽轮发电机组运行中轴系最可能产生的两类不稳定自激振动。它们呈现突发性的振动特征,均为低频振动,造成的危害较大。前者产生的振动主要与转速有关,可能发生在机组各转子的支撑轴承上,后者则通常与机组所带的负荷有关,主要产生于大容量高参数机组的高压和高中压转子上。对于轴承油膜不稳定产生的振动问题,在国内外已作了充分的理论和试验研究,并总结出一些处理该类故障的切实可行措施,如改变轴承型式、轴承比压、轴承间隙、润滑油的粘度等。而对于汽流激振引起的低频振动,由于以前机组

2、运行中发生的次数相对较少,其机理分析和故障处理较为复杂,处理效果有时也不十分理想,在国内未能引起足够的重视。  随着300MW、600MW等级的大型机组大量投运,汽流激振问题日益暴露出来。目前国内已有一些机组的高压(或高中压)转子在运行中发生汽流激振引起的不稳定低频振动。例如,作为当前我国火力发电主力的国产300MW机组,据不完全统计,已有20多台机组的高压(或高中压)转子发生过汽流激振故障,严重影响电厂的安全运行。国内个别200MW及以下容量机组的高压转子也发生过突发性汽流激振。此外,已有多台进口的超临界机组投运以来,也陆续出现过高压转子支撑轴承不稳定的

3、汽流激振问题。根据汽流激振机理和国外大机组的运行经验,已确认汽流激振问题更容易发生在高参数、大容量汽轮机的高压转子上,尤其是超临界汽轮机组上。由于蒸汽激振力近似地正比于机组的出力,因此,由汽流激振引起的不稳定振动就成为限制超临界机组出力的重要因素。例如,在前苏联和美国早期生产和投运的超临界机组中,这类低频振动问题比较突出,带负荷工况运行时,因振动大引起的跳机故障或被迫限制负荷运行,都直接影响了机组的可用率。随着国产超临界机组的加紧研制和将来的陆续投运,也必将会面临此类低频振动问题。因此,加强超临界机组汽流激振的研究显得非常重要。  本文将介绍机组汽流激振的

4、机理和特征,以及近年来国内若干大型机组高压(高中压)转子汽流激振引起的低频振动的分析和现场处理实例,归纳总结引起该类振动的主要原因及其防范的对策,为目前国产超临界机组研制中转子动力学方面的设计和将来国产与进口超临界机组运行中可能会遇到振动问题的分析和处理提供技术上的支持。机组轴系振动稳定性和汽流激振1.1  轴系振动稳定性    轴系振动稳定性属于自激振动的范畴。自激振动是振动体自身所激励的振动。该振动与机组转子质量不平衡等无直接的关系,而是由机组内部的力激发起来的。维持自激振动的能量来源于系统本身运动中获取的能量。系统一旦失稳,振幅将随时间迅速发散(线性

5、系统)或呈极限轨迹(非线性系统)。  汽轮发电机组自激振动大多由支持轴承的油膜失稳造成的。油膜涡动是油膜力激发的振动,当正常运行条件的改变(如倾角和偏心率)引起油楔“推动”转轴在轴承中运动,在旋转方向产生的不稳定力会使转子发生涡动(或正向进动)。如果系统内存在足够大的阻尼,则转轴回到其正常位置而趋于稳定;否则,转子将继续涡动,出现较大的不稳定振动。油膜不稳定涡动一般是由于过大的轴承磨损或间隙、不合适的轴承设计、润滑油参数的改变等因素引起的。根据振动频谱识别油膜涡动不稳定的振动频率为同步振动频率的40%~48%,接近转速频率的一半,也常称为油膜半速涡动。油膜

6、失稳引起的自激振动通常与转速有关。当机器出现油膜涡动不稳定,而且油膜涡动频率等于系统的某一阶固有频率时,就会发生油膜振荡。油膜振荡只有在机组运行转速大于两倍的一阶转子临界转速情况下才可能发生。这时,油膜涡动频率非常接近于转子临界转速产生共振而引起很大的振动,以致油膜失去支撑作用。通常一旦发生油膜振荡,无论转速继续升至多少,油膜涡动频率将保持为转子一阶临界转速频率。理论研究和现场实践经验表明,采取改变轴承型式、增大轴承比压、减小轴承顶隙、降低润滑油的粘度等措施,可以消除或减小油膜振荡或油膜涡动。  汽轮发电机组发生自激振动的另一主要原因是汽流激振。汽轮机的发

7、展一直在试图努力提高机组的热效率,通常采用的方法是增加级数、提高工作转速和提高工作介质初参数(压力和温度)。前2种方法使得转子的临界转速降低和工作转速与临界转速比率增大,均会导致轴系稳定性下降。最后1种方法则可能会引起轴系自激振动的1种新的激振力,即汽流激振力。它是工作介质(蒸汽)诱发的激振力,在高热力参数的汽轮机上表现较为突出。国外汽轮发电机组运行经验表明,现代大型汽轮机(尤其是超临界汽轮机)的高压(或高中压)转子容易发生蒸汽激振,致使轴系失稳。对于亚临界和超临界的大功率汽轮机来说,由于轴承油膜不稳定的影响和通流部分“蒸汽”的干扰结合在一起,增大了轴系产

8、生低频振动的危险性。1.2汽流激振机理  根据目前的研究结果,汽轮

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