高参数高转速工业汽轮机转子稳定性评估

高参数高转速工业汽轮机转子稳定性评估
蓝吉兵;丁旭东;陈金铨;毛汉忠;孔建强
【摘要】正确评判汽流激振引起的转子失稳是设计出转子动力学特性优良的高参
数高转速汽轮机的关键.针对以上问题开展研究,首先采用不同方法分析获得调节级
密封的交叉刚度,通过对不同方法获得结果的对比,得到杭汽专用程序计算获得的密
封汽流激振力对转子稳定性评估偏安全的结论.然后,考虑汽轮机各密封部件处的交
叉刚度,对一特定高参数高转速汽轮机转子稳定性进行评估,分析结果表明,该高参数、高转速合成气汽轮机转子稳定性安全系数为2.58,具有优良的转子稳定性.
【期刊名称】《热力透平》
【年(卷),期】2015(044)001
【总页数】4页(P7-9,17)
【关键词】高参数;工业汽轮机;转子动力学;汽流激振;稳定性
【作者】蓝吉兵;丁旭东;陈金铨;毛汉忠;孔建强
【作者单位】杭州汽轮机股份有限公司工业透平研究院,杭州310022;杭州汽轮动
力集团中央研究院博士后科研工作站,杭州310022;西安交通大学力学博士后流动站,西安710049;杭州汽轮机股份有限公司工业透平研究院,杭州310022;杭州汽轮
机股份有限公司工业透平研究院,杭州310022;杭州汽轮机股份有限公司工业透平
研究院,杭州310022;杭州汽轮机股份有限公司工业透平研究院,杭州310022
【正文语种】中文
【中图分类】TK263.6
在大型氮肥装置的生产工艺流程中会产生大量副产蒸汽，这些副产蒸汽主要靠合成气压缩机驱动用汽轮机机组（以下简称“合成气汽轮机”）来平衡，因此，合成气汽轮机是降低整个装置能耗的关键设备。

近年来由于氮肥装置的大型化，合成气汽轮机的功率一般在2万kW 左右，为了提高压缩机的效率，转速一般在10 000r
／min 以上。

对超高压参数的合成气汽轮机来说，高转速、高进汽参数、大抽汽
量（约占进汽量的80%～90%）给汽轮机转子动力学特性的设计带来困难，杭州
汽轮机股份有限公司（以下简称“杭汽”）以及西门子公司的同类产品曾经发生过汽流激振事故，造成了巨大经济损失和不良影响。

汽流激振引起的失稳不仅和转速有关，还和负荷有关。

为提高汽轮机效率，各级动叶密封、导叶密封、前后轴端密封以及中间密封的径向间隙都很小，运行时在间隙处由于转子偏心引起的周向不均匀间隙产生汽流间隙激振力，其大小和蒸汽的流量、密度、密封的间隙以及转速密切相关。

合成气汽轮机高压缸的负荷很大，转速过万，容易产生汽流激振失稳问题。

正确评判汽流激振引起的转子失稳是设计出转子动力学特性优良的合成气汽轮机转子需要解决的关键问题。

随着节能减排要求的提高，对机组效率的要求随之提高，减小汽轮机密封泄漏量是提高机组效率行之有效的办法之一，对各种密封的泄漏特性以及密封内部三维流动特性的研究已有大量文献发表［1－2］。

也有不少文献开展了考虑密封的级环境
下汽轮机通流特性的相关工作［3－5］。

采用密封减小汽轮机内部泄漏以提高机
组效率的同时，因机组参数和运行状态的不同，密封处会产生不同大小的汽流激振力，影响转子的稳定性。

根据文献［6］的统计，国内已有20多台30万kW 等
级汽轮机组的高压或高中压转子出现汽流激振事故。

工业汽轮机中也有汽流激振事故发生［7－8］。

汽轮机一旦发生汽流激振，将产生重大的经济损失。

关于密封
汽流激振及其转子动力学特性的相关研究也相继开展［9－10］。

然而，密封汽流
激振是非常复杂的非线性流固耦合问题，理论研究还不尽完善，进一步的研究有待开展。

基于汽轮机密封汽流激振的研究现状，本文从实际工程问题出发，首先采用不同方法分析获得密封的转子动力学特性，并同杭汽专用程序结果进行对比、验证，然后对特定的高参数高转速合成气汽轮机转子进行稳定性分析，并对其稳定性进行了评判。

1 转子密封汽流激振力方法验证
密封产生的汽流激振力可以表示为：
式中：Fx、Fy 分别为x和y方向的汽流激振力；Kxx、Kxy、Kyx、Kyy 分别为x
方向直接刚度，xy交叉刚度，yx 交叉刚度和y 方向直接刚度；Cxx、Cxy、Cyx、Cyy 为分别为x 方向直接阻尼，xy 交叉阻尼，yx交叉阻尼和y方向直接阻尼；x、y、分别为密封转子x 和y 方向的位移和速度。

本文采用3种方法对高参数高转速汽轮机调节级密封的汽流激振力进行预估，然
后对密封汽流激振力的计算方法进行对比、验证。

1.1 Alford方法
Alford推荐的公式：
式中：β、T、D、H 分别为交叉刚度系数、扭矩、节径和叶高。

由公式可以看出，该方法形式简单，既可用于轴流涡轮和压缩机，也可用于离心压缩机的密封汽流激振力预估［11］。

1.2 CFD 方法
随着CFD 技术的发展，采用CFD 方法进行密封汽流激振的研究也已开展［12－13］。

本文即采用文献［12－13］中所使用的方法对调节级进行建模，然后进行
汽流激振分析。

计算分为两步，首先对级环境下调节级进行CFD 分析，获得调节
级密封入口的边界条件（包括压力、温度以及预旋大小）；然后以获得的气动参数为边界进行调节级密封的三维流场计算。

图1、图2 分别为级环境下调节级CFD
计算域和调节级动叶局部网格示意图，图3为调节级密封内部的三维流线图，可
见调节级密封内部流动呈现出复杂的三维流动。

图4为调节级密封整圈计算域。

通过CFD 计算，得到了调节级密封受到的汽流激振力，如表1所示。

图1 级环境下调节级CFD 模型
图2 调节级动叶局部网格示意
图3 调节级动叶密封内部三维流线
图4 调节级密封计算域
表1 调节级密封汽流激振力
1.3 杭汽专用程序方法
采用杭汽专用程序计算密封汽流激振力的方法可以表示为：
式中：dwel、t、srl 分别为密封直径、节距和径向间隙；aq、aqw 是与密封压差、工作介质密度、密封齿数、圆周线速度、预旋等众多参数相关的系数。

杭汽专用程序方法几乎考虑了影响密封汽流激振力的所有参数。

1.4 交叉刚度比较
表2给出了CFD 方法、Alford方法以及专用程序计算获得的交叉刚度的大小。

可以发现，专用程序获得的交叉刚度数值较大，约为CFD 计算结果的两倍，而CFD 方法和Alford方法计算获得的交叉刚度数值比较接近。

相对而言，专用程序预估
的转子稳定性将偏安全。

表2 不同方法获得的交叉刚度数值对比
2 转子稳定性评估
通过对比，验证了密封处汽流激振力计算方法的可靠性，最终采用杭汽专用程序计算密封处的汽流激振力。

获得汽轮机转子各密封（包括调节级密封、转鼓级密封、中间汽封、前后轴端密封、平衡活塞密封）的交叉刚度以后，对合成气汽轮机转子的稳定性进行评估，计算方法采用传递矩阵法。

图5为转子稳定性分析的力学模型，为了获得较好的稳定性，前后径向轴承选用
可倾瓦轴承。

分析结果表明，该高参数高转速合成气汽轮机转子具有较好的稳定性。

为了解该转子的稳定性裕度，进一步分析了不同交叉刚度下转子的稳定性特性，详细结果如表3所示。

图6给出了转子稳定性裕度图。

在考虑各种不确定因素以后，设计准则认为当对数衰减率δ大于δcr 时，转子系统是稳定的，在这种前提下，
转子系统有2.58倍的稳定性安全系数。

而按照稳定性的定义，不考虑各种不确定
性因素，该转子的稳定性安全系数为5.16，该转子具有足够的稳定性裕度。

图5 转子力学模型
表3 不同交叉刚度时稳定性分析结果
图6 转子稳定性裕度图
3 结论
针对高参数高转速工业汽轮机转子容易发生汽流激振的设计难题，基于汽轮机密封汽流激振研究现状，采用3种方法分析获得调节级密封的交叉刚度，通过结果的
对比，表明采用杭汽专用程序计算获得的密封汽流激振力交叉刚度数值最大，采用该方法进行转子稳定性分析，结果将偏安全。

而后，考虑汽轮机各密封部件处的交叉刚度，对一特定高参数高转速汽轮机转子进行了稳定性分析，结果表明，该汽轮机转子具有较好的稳定性。

在考虑各种不确定因素以后，设计准则认为当对数衰减率δ 大于δcr 时，转子系统是稳定的，该转子系统有2.58倍的稳定性安全系数。

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