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

石海潮

华电轮台热电有限公司 新疆维吾尔自治区巴音郭楞蒙古自治州 841600

摘要：汽轮机蒸汽参数的提高，高压缸进汽密度增大，流速提高，导致蒸汽作用在高压转子上的切向力对动静间隙、密封结构以及转子与汽缸对中度的敏感度提高，同时增大了作用在高压转子上的激振力，进而使得轴系振动稳定性降低，严重时会诱发高压转子失稳，产生强大的低频振动，即汽流激振。由于蒸汽参数高、蒸汽密度大，超超临界汽轮机发生汽流激振的几率远远大于亚临界汽轮机，汽流激振已经成为影响超汽轮机可靠性的关键因素。

关键词：汽轮机；汽流激振；处理；

前言：汽流激振是影响大型汽轮机组安全运行的主要故障之一。根据突变理论、非线性振动理论以及流体动力学，从机理分析的角度出发，对汽轮机调节级在部分进汽下导致的汽流激振突变性能进行了定量分析。

一、汽流激振的机理

轮机汽流激振力通常来自三个方面，叶顶间隙激振力、汽封汽流激振力和作用在转子上的静态蒸汽力。汽轮机叶轮在偏心位置时，由于叶顶间隙沿圆周方向不同，蒸汽在不同位置处的间隙泄露量不均匀，使得作用在各个位置叶轮的圆周切向力不同，而产生一作用于叶轮中心的横向力(合力)，该力称为叶顶间隙激振力，也称为间隙激振力，该横向力垂直于叶轮中心偏移方向，趋向于使转子产生自激振动。在一个振动周期内，当系统阻尼消耗的能量损失小于横向力所做的功，这种振动就会被激发起来。此时总的汽流激振力要大于上述的阃隙激振力，特别是对于反动度较小的透平级，如冲动式汽轮机，二者的差异更大。该附加力的大小与围带汽封的径向间隙成反比，与叶轮前后压差、围带宽度、围带半径成正比，而叶轮轴向间隙的减小在一定程度上可降低汽流激振的影响。汽流激振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于负荷，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，立即发生汽流激振，而当负荷降低至某一数值时，振动即能恢复，有较好的重复性。汽流激振引起的振动有时与调门的开启顺序和调门开度有关，通过调换或关闭有关阀门能够避免低频振动的发生或减小低频振动的幅值。

二、大型汽轮机汽流激振问题的分析

1.从振动机理振动幅值与机组负荷有关，并有良好的再现性。突发振动发生在高压转子前轴承，引起转子涡动的力与蒸汽流量密切相关突发振动增量主要是分量，接近高压转子临界转速的一半。发生振动时波形为币弦波。前期启动过程没突发振动，主要有以下轴承振动一直就不稳定，只是前期激振力和轴承支撑刚度不能使轴承失稳。机组启动前投入盘车时，高压缸前后轴封和中压缸后轴封有明显的摩擦声，说明高压轴封径向发生了变化，汽封腔室内周向压力增大产生较大转子涡动力。机组启动前，轴承支撑刚度降低，在激振力作用下，轴承提前失稳。

2.汽封蒸汽激振力转子动态偏心，高压转子的轴封和隔板汽封内蒸汽压力周向分布不均匀，产生与转子偏心方向垂直的合力，趋向于使高压转子产生涡动，其主要由下列几种效应引起轴承气体效应，包括轴承气体摩擦效应和气体惯性效应；螺旋形流动效应；三维流动效应。不对称的蒸汽力和力矩对于喷嘴调节的汽轮机，调节级进汽的非对称性引起不对称的蒸汽力作銎用在转子上，在某个工况下其合力会是一个向上抬起基转子的力，从而使轴承比压减小，导致轴系稳定性降鬻低，汽缸跑偏，转子径向位移等引起蒸汽在转子上力矩究径向分布不平衡，也会引起涡动。

3.当叶顶间隙激振力、汽封激振力和转子不对称的蒸汽力垂直于高压转子偏心方向的切向分量之和超过第符轴承油膜阻尼力时，高压转子在其一阶弯曲固有频率处将经受大振幅的蒸汽涡动，大振幅的蒸汽涡动也称二蒸汽振荡。叶顶间隙激振力 汽轮机转子偏心造成圆周朋一方向叶顶间隙分布不均匀，由于叶顶间隙不均匀，同一； 级中各叶片上的气动力就不相等。叶片上的周向气动力除合成一个扭矩外，还合成～个作用于转子轴心的横向力，这一横向力随转子偏心距的增加而增大，形成转子的一个自激激振力，蒸汽激振力的大小取决于转子的偏心距和蒸汽密度。

三、处理

1.根据汽流激振的机理和处理可以知道，消除和减小超临界压力汽轮机汽流激振故障，原则上一般应从增大系统阻尼、减小汽流激振力和加大转子刚度三方面着手。采用阻尼和刚度不埘称性更好的轴承，如可倾瓦轴承；改变轴承几何形状，如减小轴承长径比；增大轴承预载，如上抬标高，来增大轴承比压；改变轴承间隙，如减小轴承顶隙：提高润滑油温。改变油温有时会解决机组的不稳定问题。以减小其产生的汽流力改变进汽调门的丌启顺序或丌启重叠度。利用反涡旋技术干扰流体的周向运动：逆转向注入流体以减小，从而提高失稳界限转速。增大轴颈在轴承中的偏心率。可通过施加径向载荷或良性不对中，来增加轴颈的平均偏心率；一利用附加不平衡量来增加动态偏心率。但要注意，个别情况下会使～个稳定机组的振动变为不稳定，另外，附加不平衡量必然要增大机组的工频振幅。通过改变轴承的几何形状来扰乱周向流动并减小其强度，从而提高转子的稳定性。非圆形状可在周向旋流中产生涡流或紊流油楔，减小；瓦轴承由不连续的各段构成，几乎不可能产生周内连续旋流是很小的。利用可倾瓦轴承可以有效地抑制汽流激振；压力轴承除干扰周向旋流外，还会产生一个径向载荷，增大偏心率，起到稳定转子的作用。

2.改变轴承的几何形状并不是总能奏效的。如果失稳是出于转子端部密封环或其它密封造成的，则不能通过采用可倾瓦轴承来消除。在对轴承修改原设计以前，必须准确确定造成失稳的原因。使转子以较大的偏心率运行。添加不平衡量增加动态偏心率。这一条措施从理论上是成立的，在实际中难以实施。很难想象，对于存在汽流激振的机组有意地添加不平衡质量块，这样做可以将低频分量压低，但工频振幅分量必然要变大。对于360。滑动轴承，可通过增加流体静态压力来提高稳定性。在全周润滑的轴承中，高的流体静态压力能直接提高油膜径向刚度并改善转予的稳定性。实践中，可以采用提高轴承进油压力的方法。

3.增加转子的刚度如果一台新机组在设计或丌发阶段出现了失稳问题，通常需要减小转子长度或增加直径以提高转子刚度，增加转子的临界转速。良好的机组轴系设计是大型超临界压力汽轮机避免发生汽流激振的根本保证。借鉴国外在汽流激振领域的最新研究成果，对于大型压力机组在轴系稳定性计算中除常规设计及转子、轴承、支撑和基础等因素外，必须考虑叶项问隙激振和汽封蒸汽力的影响。此外，应提高高压转子一阶临界转速，高压转子采用稳定性较好的可倾瓦轴承以增大系统阻尼，轴系的设计中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没有标准，但应参考国外有关大公司的设计经验，保证考虑汽流激振影响后工作转速下高压转子的阻尼对数衰减率。在发生蒸汽振荡时，改变轴承设计是没有用的，只有改进汽封通流部分的设计或调整安装才能解决问题。一些经验和研究结果表明，汽轮机田带上的动念不稳定蒸汽力对汽流激振影响很大，此蒸汽力的大小在很大程度上取决于叶顶汽封中的径向和轴向间隙之比，较好的措施是适当增大径向间隙、减小轴向闻隙。因此在设计中也应采取一些先进的汽封结构或汽封布置束消除或减小汽流激振力的作用。

结束语：现场通常采用改变汽封进汽的预旋方向、提高轴承稳定性裕度和调整高压调阀开启顺序等措施来消除或减缓高压转子的汽流激振。相比较而言采用防旋汽封来改变蒸汽预旋方向的措施，对消除汽流激振故障最为有效。

参考文献：

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2.张学军．大型汽轮机汽流激振问题的分析和处理[J]．热力发电，2019(2)：47—55．

3.袁强．大型汽轮机中汽流激振对轴系稳定性的影响[J]．东方汽轮机，2018(2)．