汽轮机蒸汽激振培训教材

汽轮机蒸汽激振培训教材

随着汽轮机蒸汽参数的提高，高压缸进汽密度大、流速高，增大了作用在高压转子的激振力。这将使得轴系稳定性降

低，严重时会诱发高压转子失稳，产生很大的低频振动。由

于蒸汽激振力近似地正比于机组的出力，因此，蒸汽激振引

起的不稳定振动就成为限制超临界压力机组出力的重要因

素。

蒸汽激振机理

汽轮机蒸汽激振力通常来自三个方面：

A、第一是叶顶间隙激振力。

当汽轮机叶轮在偏心位置时，由于叶顶间隙沿圆周方向不同，蒸汽在不同间隙位置处的泄露量不均匀，使得作用在各个

位置叶轮的圆周切向力不

同，就会产生作用于叶轮中心的横向力，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小于横向

力所作的功，这种振动就会被激发起来。叶顶间隙激振力大

小与叶轮的级功率成正比，与动叶的平均节径、高度和工作

转速成反比。因而，间隙激振容易发生在汽机大功率区段及

叶轮直径较小和短叶片的转子上。

对于带有围带汽封的动叶，通过围带汽封蒸汽的不均匀流动会形成不对称的压力分布，会产生附加的蒸汽激振力，此

时总的蒸汽激振力要大于上述的间隙激振力；特别是对于反

动度较小的汽轮机，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

蒸气激振的影响。所以，适当放大汽封片的径向间隙、缩小

叶轮轴向间隙可以减小该流体激振力。

B、第二是密封流体力

由于转子的动态偏心，引起轴封和隔板汽封腔室中蒸汽压

力分布的不均匀，其结果产生一垂直于转子偏移方向的合

力。与前者一样，该切向力使转子运动趋于不稳定。

C、第三是作用在转子上的静态蒸汽力

由于高压缸进汽方式的影响，高压蒸汽产生作用于转子的

蒸汽压力，它一方面可影响轴颈在轴承中的位置，改变轴承

的动力特性而造成转子运动失稳，另一方面使转子在汽缸中

的径向位置发生变化，引起通流部分间隙的变化。在喷嘴调节汽轮机中该蒸汽力是由于部分进汽引起的，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，此力的大小和方向与机组运

行中各调门的开启顺序，开度和各调门喷嘴数量有关。

蒸汽激振的振动特征

一般情况下，蒸汽激振出现在机组并网之后、负荷逐渐增

加的过程中，其主要特点是振动对负荷很敏感，且一般发生

在较高负荷区段。突发性振动通常有一个门槛负荷，超过此

负荷，立即激发蒸汽激振，而当负荷降低至某一数值时，振动即能恢复。

蒸汽激振产生的自激振动为转子的正向进动，与轴承油膜涡动不稳定不同，蒸汽激振产生的低频振动的频率与工作转

速无关，发生严重蒸汽激振时的振动频率通常与转子第一临

界转速所对应的频率相吻合，但在绝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。此外，由于实际蒸汽

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。

蒸汽激振对轴系振动稳定性的影响

由于超临界压力汽轮机在运行中容易诱发蒸汽激振，所以在其轴系设计中必须对振动稳定性进行评判。对数衰减率是

评价轴系振动稳定性的一个重要指标，其定义为轴系受到某

种干扰力的作用后振动幅值随时间的变化。若振动幅值随时

间延长而增大，则振动是发散的，轴系振动不稳定，若振动

幅值随时间延长而减小，则振动是收敛的，轴系振动稳定。

传统上人们仅从润滑轴承对转子系统动特性的影响方面来

考虑轴系振动的稳定性，而对于超临界压力机组轴系振动稳

定性分析计算必须考虑汽流激振力的影响。

超临界压力汽轮机蒸汽激振的防范

减小超临界压力汽轮机蒸汽激振原则上一般应从加大转

子刚度、增大系统阻尼和减小汽流激振力三方面着手。

(1)增加转子刚度通常是缩短轴承间距离，提高转子的临

界转速。

(2)增大阻尼的办法包括：A、采用阻尼和刚度不对称性更

好的轴承，如利用可倾瓦轴承；B、改变轴承几何形状，如减小轴承长径比；C、增大轴承预载，如上抬标高，来增大

轴承比压；D、改变轴承间隙，如减小轴承顶隙；E、提高润滑油温。

(3)减小蒸汽激振力的办法包括：A、适当增大叶顶汽封的径向间隙、减小其轴向间隙；B、调整转子在汽缸中的位置使圆周方向的动静间隙尽量均匀；C、改变汽封结构和汽封

布置。在叶顶汽封和端部汽封间隙等处安装止涡装置或逆转

向注入流体，利用该装置或流体的反涡旋干扰间隙内工作介

质的周向流动，以减小其产生的汽流力；D、改变进汽调门的开启顺序或开启重叠度。

机组的运行模式有时对蒸汽激振的发生和振动幅值大小

有较大的影响。在运行中应认真观察调门开启或关闭顺序对

高压转子突发性低频振动影响，尽量避免在某一不利工况点

停留。在运行操作中，应防止高压后汽封大量漏气造成高压

后轴承座标高抬高太多引起高中压前轴承失稳。

润滑油温对轴系稳定性以及转子动态响应有一定的影响，

当汽轮机在高负荷工况下出现汽流激振时，可通过适当调整润滑油温，观察润滑油温与机组振动响应之间的关系，将润滑油温稳定在低频振动幅值较小的参数上，减小低频振动对轴系以及支撑轴瓦的损害。