大型汽轮机汽流激振问题的分析和处理

大型汽轮机汽流激振问题的分析和处理

沈志刚

河南省济源市华能沁北发电有限责任公司 河南省济源市 459012

摘 要：介绍汽轮机汽流激振的机理和振动特征，以及近年来国内若干大型汽轮机高压转子汽流激振引起的低频振动的分析和现场处理情况，归纳总结引起该类振动的主要因素，提出了我国在发展高参数、大容量机组，特别是超临界机组中对汽流激振应采取的对策。

关键词：汽流激振；低频振动；振动稳定性；超临界汽轮机

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。面对于汽流激振引起的低频振动，由于以前机组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。

1 汽流激振的振动特征

汽流激振一般在大功率汽轮机的高压(或高中压)转子上突然发生振动。它出现在机组并网之后、负荷逐渐增加的过程中。其主要特点是，振动敏感干负荷，且一般发生在较高负荷。突发性振动通常有一个门槛负荷，超过此负荷，立即激发汽流激振，而当负荷降低至某一数值时，振动即能恢复正常，有较好的重复性。汽流激振引起的低频振动有时与调节阀的开启顺序和调节阀开度有关，通过调换或关闭有关调节阀能够避免低频振动的发生或减小低频振动的幅值。汽流激振产生的自激振动为转子的正向进动，不同于轴承油膜涡动不稳定。汽流激振产生的低频振动的频率与工作转速无关。汽流激振严重时，自激振动的频率通常与转子第1临界转速频率相吻合。但在绝大多数情况下，自激振动成分以接近工作转速一半的频率分量为主。此外，由于实际汽流力和轴承油膜力的非线性特性，有时该振动也会呈现其它一些谐波频率分量。

2 高中压转子汽流激振的措施

根据汽流激振一般应从加大转子刚度、增大系统阻尼和减小汽流激振力3方面着手。具体到实际操作，应从设计、安装、检修和运行方面人手。

2.1设计方面。机组良好的轴系设计是大型汽轮机避免发生汽流激振的根本保证。在汽流激振研究领域的最新研究成果，对于大容量、高参数机组，尤其是超临界机组在轴系稳定性计算中除常规设计涉及到转子、轴承、支撑和基础等因素外，必须考虑叶顶间隙激振和汽封蒸汽力的影响。此外，应提高高压转子1阶临界转速、高压转子采用稳定性较好的可倾瓦轴承以增大系统阻尼，轴系稳定性裕量应较一般常规机组要适当地增大。尽管目前对于阻尼对数衰减率 尚无标准，可参考国外有关大公司的设计经验，考虑汽流激振影响后，应保证工作转速下高压转子的阻尼对数衰减率>0.12。在发生汽流激振时，有时改变轴承设计来消除突发振动是没有用的，只有改进通流部分的汽封设计或调整安装间隙才能解决问题。因此，在设计中采取一些先进的汽封结构或增加汽封齿数来消除或减小汽流激振力的作用。下面是一些国外公司在大型汽轮机设计中采用的一些方法。前苏联的超临界(300~800)MW汽轮机投运初期，低频振动问题比较突出。后来对汽封结构进行了改进设计，并相应调整汽封间隙。汽轮机高中压缸各级动叶片顶部采用整体围带迷宫式汽封装置。这种迷宫式汽封密封效果好，可使径向间隙取得较大(3.0H3.5)mm而不会增加漏汽。采用这种叶顶汽封结构后，低频振动问题得到较好解决。美国西屋公司在大型汽轮机的密封设计中，在动叶和静叶上采用迷宫式汽封，每个汽封齿的间隙沿蒸汽轴向流动方向顺序增大 0. 127 mm；高压平衡盘汽封从高压端到低压端，每组汽封齿的间隙顺序增大0. 127mm。这种使汽封间隙沿蒸汽流向呈发散型的汽封，能消除汽流激振力对轴系稳定性产生的不利影响。此外，在设计运行模式和调节阀开启顺序时应予以重视。在进汽方式设计上，采用有利的调节阀开启顺序和开度，在不严重影响机组热效率和导致较大汽缸温差的基础上，尽量减小或不产生较大的上抬高压转子的力。对于存在汽流激振、且采用改进轴承和汽封结构设计等措施消振无效的运行机组，也可在高压转子叶顶汽封和轴端汽封间隙处安装止涡装置，减小蒸汽在汽封中的切向流动速度，并调整高压转子与汽缸之间的动静间隙，消除负荷工况下的汽流激振力。

2.2安装方面。在机组安装时应严格控制轴系扬度、轴瓦紧力和轴承载荷，保证负荷工况下各轴承稳定性良好，并仔细调整高压转子动叶围带汽封、隔板汽封以及轴端汽封处的汽封间隙，防止园周向间隙偏差过大，以消除负荷工况下的汽流激振力，避免汽流激振的发生。

2.3检修方面。有些机组在调试、试运行和商业运行后一段运行时间内，高中压转子并未发生突发性低频振动，但经过一次停机检修后再运行时，可能就会出现与负荷有关的突发性振动。这往往是检修质量不佳造成的。一方面，在检修中高中压转子汽封间隙可能调整不均匀，留下汽流激振的隐患，在运行中可能产生汽流激振，造成突发性振动。另一方面，在各轴承找中时，轴承座标高偏差太大，引起机组在高负荷运行时，1号或2号轴承载荷较小，使轴瓦产生自激振动，诱发高中压转子不稳定振动。因此，应确保机组的检修质量。由于机组各轴承座标高在运行过程中受热膨胀等方面的影响，不可避免地会发生变化。当某一轴承抬高时，该轴承的负荷就增加，相邻轴承的负荷就降低。

2.4运行方面。机组的运行模式有时对汽流激振的发生和振动幅值变化有较大的影响。如有些汽轮机在处理汽流激振问题时，采用改变高压调节阀开启顺序和开度的方法，基本避免了突发性振动的发生。因此，电厂在运行中应认真观察调节阀开启或关闭顺序对高中压转子突发性低频振动影响，尽量避免停留在某一不利工况运行。

结束语

汽流激振问题是大容量、高参数，特别是超临界汽轮机运行中面临的一个重要问题。预防和正确分析、及时解决汽流激振对我国大型机组的安全运行和我国目前发展超临界压力机组具有十分重要的现实意义。

参考文献：

[1]陈佐一.流体激振[M].北京：清华大学出版社，1998.

[2]谢天宇，杜海龙.火电厂汽轮机运行调试检修与维护技术手册[M].北京：银声像出版社，2004.