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1、超临界汽轮机组蒸汽激振的分析摘要：蒸汽激振是关系汽轮发电机组经济性、安全性的重大问题。机组容量不断增大、蒸汽参数不断提高使蒸汽激振问题成为目前大机组，尤其是超临界机组，设计、运行、检修中必须考虑的重要问题之一。本文分析了蒸汽激振的原理、特征以及蒸汽激振对汽轮机组的危害，给出了当前常用的汽流激振治理方法。关键词：蒸汽激振，超临界，激振力，汽轮机。Abstract：The steam-induced self-excited vibration is a primary problem for turbo-generators.It has become one of the most impor
2、tant issues for the ultra-supercritical steam turbine and must be taken into account.This paper analyzes the principles and features exciting steam and steam turbine vibration of the harm, given the current commonly used treatment method for steam flow excitation.Key words: steam excitation, supercr
3、itical, exciting force, turbine.一、 前言采用超临界压力甚至超超临界压力是提高汽轮机热效率的重要途径之一。一般而言，超临界机组的热效率比亚临界机组的高2-3左右，而超超临界机组的热效率比常规超临界机组的高4左右。随着我国电力工业的结构调整，研制、生产和发展超临界压力机组是火力发电节约能源、改善环保、提高发电效率、降低发电成本的必然趋势。但汽轮机蒸汽参数的提高，会导致高压缸进汽密度增大、流速提高，蒸汽作用在转子上的切向力对动静间隙、密封结构及转子与汽缸对中度的灵敏度提高，增大了作用在转子上的激振力，这使超临界汽轮机发生蒸汽激振的可能性远大于亚临界汽轮机。蒸汽激振属
4、于自激振动，是由汽轮机内部蒸汽激振力激励引起的振动。蒸汽激振会使轴系稳定性降低，严重时会诱发转子失稳，产生很大的低频振动，蒸汽激振成为影响超临界汽轮机可靠性的重要因素和面临的主要问题之一1。因此，研究蒸汽激振及其防治措施对于提高超临界汽轮机的可靠性有着十分重要的意义。二、 汽轮机蒸汽激振的机理与特征1、定义自激振动是指振动自身所激励的振动，其与转子质量不平衡等无直接关系，而是由于机械振动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（线性系统）或呈极限环轨迹（非线性系统）。在汽轮机的蒸汽间隙（包括径向和轴向）中存在许多汽流扰动的振源。其
5、中因在安装、检修时通流间隙出现偏差、运行时转子移位、或是由于转子弯曲、汽缸膨胀跑偏和汽流作用产生的转子轴向推力，均可能导致转子与静子的径向和轴向间隙发生变化，而出现偏差，这种偏差会产生一个作用于转子上，并促使其涡动的切向力，即蒸汽激振力。2、 蒸汽激振机理 2.1、叶顶间隙激振力汽轮机的蒸汽间隙（转子和静子之间的径向动静间隙，亦称径向间隙），一般应均匀无偏差，由于转子弯曲，汽缸膨胀变形跑偏时，或者汽流作用产生的转子切向推力，转子动叶顶部和隔板汽封的间隙沿周向不均匀（图1），进而造成动叶顶部周向间隙的漏汽量不等，同时引起通过动叶片的蒸汽流量、速度和蒸汽推力沿圆周不等。简单地说，对应于小间隙处产生
6、大推力（），大间隙处产生小推力()。其结果产生一个垂直于转子中心与汽缸中心的连线的横向合力()，此力将促使叶轮中心O绕汽缸中心（隔板中心）旋转，诱发转子涡动。该力的大小与这一级的功率成正比，与叶片的高度成反比。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，这种涡动就会被激发产生自激振动。 图1 动叶因偏心激振力2.2、汽封激振力汽轮机为了提高蒸汽做功效率，在叶顶、隔板与轴端都设置有汽封，分别称作叶顶汽封、隔板汽封、轴封，这三种汽封产生三种激振力。这些激振力对机组转子的动特性有不良的影响，是大型透平机组发生失稳的一个重要原因，而评价转子系统稳定性的主要参数之一，便是动特性系数。由
7、于迷宫密封的存在，必然引起汽流激振，恰当确定各密封有关参数，可使激振力最小，系统最稳定。因而迷宫密封各参数对转子动特征影响的研究具有重要意义。一般认为，汽封流体激振力是由于转子在密封腔中偏置时，密封周向存在不均匀压力分布所引起的。由于密封腔中的气流有旋转，使周向压力分布的变化与转子和密封腔之间的间隙变化不完全对应，最高压力点滞后密封腔最小间隙一定角度。这样，流体作用在转子上的力可分解成一个与偏置方向相垂直的切向力，该切向力将激励转子产生涡动。当激励力达到或超过一定值时，就会使转子产生强烈的振动。目前知道的会造成迷宫密封腔中压力沿周向分布不均匀的原因主要有：(1)Lomakin效应2；(2)Al
8、ford效应2；(3)螺旋形流动效应3；(4)三维流动效应3；(5)二次流效应等3。2.3、作用在转子上的静态蒸汽力由于高压缸进气方式的影响，高压蒸汽产生一作用于转子的蒸汽力，一方面该蒸汽力会影响轴颈在轴承中的位置，改变轴的动力特性（因轴承载荷变化），而造成转子运动失稳；另一方面该蒸汽力使转子在汽缸中的径向位置发生变化，引起通流部分间隙的变化。在采用喷嘴调节的汽轮机中该蒸汽力是由于部分进汽引起的，通常考虑到汽缸温差方面的因素，喷嘴调节模式运行时首先开启控制下半180o范围内地喷嘴的调节汽阀，一般是下缸先进汽。调节级喷嘴进汽的非对称性，引起不对称的蒸汽力作用在转子上，在某个工况其合力可能是一个向
9、上抬起转子的力，从而减少了轴承比压，导致轴瓦稳定性降低。此力度大小和方向与机组运行中各调门的开启顺序、开度和各调门喷嘴的数量有关。3、气流激振的特征4-6l 气流激振属于自激振动，这种振动不能用动平衡的方法来消除。l 气流激振易发生在透平机械的大功率区及叶轮直径较小和短叶片的高压转子上，尤其在高参数大型透平机械的高压转子上。l 气流激振具有良好的再现性。气流激振有一个门槛值，当负荷超过该值时，振动会急剧加剧；如果此时降低负荷，可以明显的减弱振动。l 气流激振的振动频率等于或略高于高压转子一阶临界转速，在大多数情况下，振动成分以接近工作转速一半的频率分量为主。三、 蒸汽激振的危害l 突发性大振动
10、引起机组跳机。l 限制了机组的负荷。l 低频振动对轴系机械的破坏性更大。l 处理麻烦，费时费力，且有时收不到较理想的效果。四、 汽流激振治理方法探讨汽轮机汽流激振的治理比较复杂，一般要根据机组的振动情况认真分析，推断出可能诱发汽流激振的原因和部位，加上理论计算分析验证，才能基本确定，必要时还需做一系列试验。下面就是大家经过长期试验、实践及前面分析研究得到的治理汽流激振的一些方法。 1、变换调节阀门开启顺序 用喷嘴调节的汽轮机，因部分进汽原因，蒸汽整齐除了在转子调节级叶轮上产生力偶而使转子旋转外，还有一个通过转子中心的力。因调节阀开启顺序的原因，可能使此力成为抬起转子的恒定力，从而减少了轴承比压
11、，易使转子失稳。图2为一台前苏联K-200-130型汽轮机受调节阀开启顺序影响的情况7，、分别为调节阀门开启顺序。不同开启顺序，高压转子所受到的蒸汽作用力方向不同，变换调节阀门的开启顺序有时可以增加轴系的稳定性，抑制汽流激振强度或发生。有时可以不改变调门开启顺序而改变调门重叠度，例如在、开启时调整、调门的开度（一般逐步关小），也能达到抑制汽流激振的目的。不过这种方法不是对每台机组都有效，对于某些机组效果并不明显。 图2 调节阀不同开启顺序对高压转子的作用力 (a)改变顺序前；(b)改变顺序后 2、调整轴承标高对发生低频振动机组的分析统计表明，约有一半是由于轴承标高不合适而引起的，轴承标高不合理
12、，降低了机组运行的稳定性。标高的调整对消除低频振动是有益的。 3、清理滑销系统当汽缸体受导汽管等外部的热应力的作用，或汽缸滑销系统膨胀不顺时，汽缸会发生倾斜进而导致转子偏斜，诱发汽流激振。这时可以消除热应力，清理滑销系统。 4、调整通流间隙汽流激振力有许多种类，其中通流部分间隙不均或不合理占主要因素，因此合理检查的调整通流部分间隙，是解决汽流激振的最主要的手段。一般来说，减小径向偏心、适当放大径向间隙 (在保证机组经济性前提下)，减小轴向间隙也有助于降低汽封级前压力，可以降低蒸汽激振力。 5、改进密封型式如果激振力来自密封，我们把密封改为抗汽流激振性能好的型式。例如把梳齿密封改为倒喇叭型，就是
13、进口间隙减小出口间隙增大；或者把梳齿密封改为圆孔窝密封或蜂窝密封，对叶顶径向汽封改为图3、轴向汽封改为图4对降低汽流激振力是有利的8。图3 叶顶径向汽封改进图 图4 轴向汽封改进 6、增加油膜的径向刚度6.1、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。很难想像，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。6.2、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子的稳定性。实践中，可以采用提高轴承进油压力的方法，
14、国内有320MW机组利用顶轴油泵控制失稳的实例。 7、改变润滑油温改变油温有时会解决机器的不稳定问题。据非经证实的统计表明，60%的失稳可以通过降低油温得到治理，20%的失稳可以利用提高油温得到解决，剩余的20%的失稳与油温无关。 8、减小（这里涡动频率/转动频率）这是目前治理汽流激振最常用和比较有效的手段。8.1、通过改变轴承的几何形状来扰乱周向旋流并减小其强度，从而提高转子的稳定性。1)槽楔和非圆形状可在周向旋流中产生涡流或紊流油楔，减小；2)可倾瓦轴承由不连续的各段构成，产生涡动的交叉刚度为零，因此几乎不可能产生周向连续旋流，是很小的。利用可倾瓦轴承可以有效地抑制汽流激振，如图58是不同
15、轴承在前苏联在其500MW机组上进行汽流激振试验结果，曲线1为采用椭圆轴承，极限负荷约200MW，曲线2为采用瓦块轴承，保留径向密封，极限功率大幅度提高，在额定负荷500MW时，振幅为20。曲线3为采用瓦块轴承并取消径向密封，极限功率又有所提高，且额定负荷时，低频振幅仅10左右。从以上试验结果中可以看出，虽然改善轴承性能、增加振动阻尼不能从根本上消除汽流激振力，但对于机组运行是有益的。因为良好的轴承性能可以削弱汽流激振力的影响，提高极限功率，减小振幅。 图5 前苏联500MW机组试验曲线3) 压力坝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。8.2、增大轴颈在轴
16、承中的偏心率。1)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；2)利用附加不平衡量来增加动态偏心率。但要注意，个别情况下会使一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。8.3、利用反涡旋技术干扰流体的周向运动：逆转向注人流体以减小，从而提高失稳界限转速。这种技术可派生出大量有效的主动控制手段，对机器不会带来危害(而用增加转子偏心率的方法来提高稳定性，可能会对密封带来危害)，因而被积极推荐使用，这是消除密封失稳新的主要手段，因此这里要作较详细的论述。“反涡流技术”又叫“流体反旋流法”，80年代逐步得到重视，主要用来抑制轴端密封流体激振。反旋流措施是向迷
17、宫密封腔中导入一股与转子旋转方向相反的流体，用以抵消腔内流体的周向运动，见图6。A.Muszynska9的研究表明，反旋流法可以有效地降低密封流体激振力。另外，反旋流的实验表明，系统阻尼比可由原来的0.02提高到0.07，转子不平衡响应振幅可降低到未受控时的1/3或更小。C.H.Kim10研究了一种反旋流密封，得出了最佳的结构，减振效果优于圆孔窝密封。抑制密封流体激振，根本在于避免流体激励频率与转子固有频率的耦合，即降低二者的比值。阻尼密封、反旋流措施等都降低了流体的激励频率；提高转子的固有频率也是降低的手段之一。例如某离心压缩机一方面采用反旋流措施，另一方面缩短支承跨距、增大轴颈，使转子的第
18、一阶固有频率，由原来的70Hz提高到100Hz，降低了频率比，彻底解决了造成停产的密封流体激振问题11。 图6 反旋流装置9、增加转子刚度如果一台新机组在设计或开发阶段出现混沌失稳问题，通常就应该减小转子长度或增加轴径直径以提高转子刚度，增加转子临界转速。五、 总结1、超（超）临界汽轮机参数高、蒸汽密度大。汽流激振是影响其可靠性的主要因素之一 。汽流激振是国内外许多单位多年来一直在研究的课题，试验研究和计算分析是超超临界汽轮机汽流激振研究的重要内容。2、超（超）临界汽轮机汽流激振涉及因素较多，产生原因复杂，良好的设计是超超临界汽轮机防止汽流激振的根本保证。设计或使用不当，运行中发生汽流激振，制
19、造企业和使用单位有可能付出很大的代价。开发并使用汽流激振分析软件，在设计阶段进行考虑汽流激振力影响的轴系稳定性的计算分析，并采用防止汽流激振的结构措施，是超（超）临界汽轮机研制、生产和使用过程中防止汽流激振的重要技术手段。3、本文只对引起汽轮机蒸汽激振的单个因素进行了分析。综合考虑叶顶间隙气流激振力、汽封引起的蒸汽激振力和作用在转子上的静蒸汽力三方面之间的相互影响，而引起的蒸汽激振对机组的影响将会是以后研究的主要方向。参考文献：1 史进渊，杨宇，孙庆，等。超超临界汽轮机技术研究的新进展J。动力工程，2003，23(2)：2252-2257。2 史进渊等。超超临界汽轮机汽流激振的研究J。动力工程
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