1000MW超超临界汽轮机汽流激振原因分析及治理_李大才

李大才

(广东大唐国际潮州发电有限责任公司，广东 潮州 515723)

1 000 MW超超临界汽轮机汽流激振

原因分析及治理

1 概述

某发电公司3，4号机组汽轮机为哈尔滨汽轮机厂有限责任公司(以下简称“哈汽”)与日本东芝联合株式会社设计制造的超超临界汽轮机，采用喷嘴调节方式，共有4组高压缸进汽喷嘴，分别由4个高调门控制；机组高压转子、中压转子和2根低压转子均采用无中心孔的整锻转子，各个转子均采用刚性连接；每个转子配有独立的双轴承支撑，共有8个支持轴承，其中1～4号轴承为水平、上下中分面，双向可倾瓦轴承，5～8号轴承为上下两半，水平中分面椭圆瓦轴承。大型机组在运行时，可能会出现因转子质量不平衡、轴系不对中、轴系过长、轴承座结构共振等故障引起的轴系强迫振动问题。因蒸汽参数高，大型机组还可能会出现汽流激振引起的自激振动。该发电公司3号机组在达到额定负荷时，2号轴振突增就属于此种振动。

2 汽流激振发生的机理、特征和预防措施

大型机组的发电容量不断提高，级数和工作初参数不断增大，使得汽轮机转子的临界转速降低，工作转速与临界转速的比率增大；同时汽轮机蒸汽参数的提高，高压缸进汽密度及流速的增大，使得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灵敏度提高，增大了作用在高压转子上的激振力，这些将导致轴系振动

稳定性下降，严重时甚至诱发高压转子失稳，产生较大的低频振动。大型机组容易发生蒸汽涡动力引起的低频振动，它主要来源于汽封轮缘围带区产生的蒸汽涡动力，此涡动力垂直于转子轴心的偏移方向，推动转子发生半速涡动。2.1 汽流激振发生的机理

(1) 轴封蒸汽激振力。由于转子动态偏心，高压转子的轴封和隔板轴封腔室中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。该合力包括蒸汽在轴封内轴向流动和周向流动产生的汽流力，使得高压转子涡动，造成转子运动不稳定。

(2) 叶顶间隙激振力。汽轮机转子偏心造成圆周方向叶顶间隙分布不均匀，由于叶顶间隙分布不均匀，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，还合成一个作用于转子轴心的横向力。此横向力随转子偏心距的增加而增大，形成转子的自激激振力。蒸汽激振力的大小取决于转子的偏心距和蒸汽密度。

(3) 作用在转子上不对称的蒸汽力和力矩。对于喷嘴调节的汽轮机，高压缸进汽方式不一致，调节级进汽的非对称性产生不对称的蒸汽力，在某个工况下作用在转子上的合力可能向上抬起转子，使得轴承比压减小，导致轴系稳定性降低。一方面，此力影响轴颈在轴承中的位置，造成轴承载荷变化，进而使得转子失稳；另一方面，汽缸跑偏、转子径向位移等引起蒸汽在转子上力矩径向分布不平衡，也可能引起转子涡动。

〔摘 要〕 介绍了1 000 MW 超超临界汽轮机汽流激振发生的机理、特征及预防措施，分析了机组汽流激振的过程及产生气流激振的原因，提出了相应的治理措施，经实践表明具有较好的经济效益，对同类型机组具有一定的借鉴作用。

〔关键词〕 超超临界；汽流激振；转子扬度；轴承负载

2.2 汽流激振的特征

(1) 一般发生在大容量高压转子上高压缸调节级处的汽流激振最为严重，汽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。

(2) 机组负荷增加到某一数值时，才会发生蒸汽自激振荡。如果不采取任何措施，则只有当负荷再降到这一数值后，振动才会消失。汽流激振在负荷增减过程中易重复发生，有时还与调速汽门的开启顺序和开度有关。

(3) 汽流激振主要来源于轴封轮缘围带区产生的蒸汽涡动力。该涡动力垂直于转子轴心的偏移方向，推动转子发生半速涡动，汽流激振的振动频率等于或略高于高压转子一阶临界转速，即振动频率

f=n

c /60(n

c

为转子第一临界转速)。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。由于实际蒸汽激振力和轴承油膜阻尼力的非线性特征，有时会呈现谐波分量。

(4) 汽流间隙激振力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；间隙激振容易发生在汽轮机大功率区段及叶轮直径较小和短叶片的转子上，即高参数、大型汽轮机的高压转子上。

2.3 汽流激振的预防措施

(1) 改变高压缸调速汽门的开启顺序，避免转子在单侧蒸汽力作用下发生明显的径向偏移和在转子上产生的不平衡力矩。

(2) 改进汽轮机内部密封装置的形式，缩小入口间距，控制动叶顶部泄漏量，减小蒸汽对转子的激振力。

(3) 调整汽缸和转子中心，避免运行中转子和汽缸中心发生明显偏移；机组启动前应长时间盘车，减小转子挠度。

(4) 增大转子与隔板之间的轴向间隙。随着喷嘴、静叶与动叶之间轴向间隙的增大，汽流涡动的激振力显著减小，同时汽轮机的内效率也会降低。

(5) 增加轴瓦阻尼，减少轴承载荷。如缩小轴瓦间隙，增加轴瓦长度，使用黏度大的润滑油等。

(6) 采用稳定性较好的轴瓦，增设挤压油膜阻尼器等。

(7) 采用动叶叶顶汽封新结构，解决机组轴系低频振动问题。

(8) 提高转子临界转速。3 汽流激振过程分析与治理

3.1 汽流激振过程

哈汽设计的配汽方式为三阀点，即调门开启顺序为CV1+CV2+CV3→CV4(CV1、CV2、CV3同时开启)。高调门的喷嘴数、布置方式如图1所示。由于两阀点CV2+CV3→CV1→CV4(CV2、CV3同时开启)的节能配汽方式在4号机组得到成功应用，于是在3号机进行了配汽试验。在做流量特性试验强制关闭CV1时，2号轴振开始突增突降并具有反复性；当CV1开大后，2号轴振逐渐下降。经分析：高压转子发生了汽流激振，因此暂时取消两阀点节流配汽方式。

图1 高调门布置方式及旋转方向(面向机头)

此外，在负荷上升至1 000 MW的过程中，由于负荷上升较慢，CV4逐渐开大至98 %，2号轴振突然增大并上升至报警值125 μm。 

3.2 汽流激振原因

根据振动频谱图可知：低频分量均较多，调门开启顺序变化导致高压转子调节级处2号轴承振动突增突降且具有反复性，导致CV2/CV3全开、CV1逐渐关小(第1次)和负荷上升、CV4逐渐开大(第2次)振动增大。从变化趋势及特征可以确定，引起这2次振动的原因是汽流激振。

3.2.1 运行原因

在夏季低真空条件下，在升负荷或在带高负荷工况下，机组参与一次调频，当升负荷、主汽压力低或CV4开度过大时，都会引起汽流激振。

(1) 滑压曲线自2011年

11月份修改优化后，主汽压力设定控制相对较低，造成夏季高负荷工况转子

旋转

方向