汽流激振

振动失稳之二—蒸汽激振
大型汽轮机发生自激振动的另一主要原因是蒸汽激振。为 提高机组热效率，通常采用的方法是增加级数、提高工作 转速和提高工作介质初参数（压力和温度）。前两种方法 使得转子的临界转速降低，均会导致轴系稳定性下降。最 后一种方法则可能会产生引起轴系自激振动的蒸汽激振 力—工作介质(蒸汽)诱发的激振力，在高热力参数的汽轮 机上表现较为突出。运行经验表明，现代大型汽轮机（尤 其是超临界压力的汽轮机）的高压（或高中压）转子容易 发生蒸汽激振，致使轴系振动失稳。对于超临界和亚临界 压力的大功率汽轮机来说，因为轴承油膜不稳定的影响和 通流部分“蒸汽力”的干扰会结合在一起，会增大轴系产 生低频振动的可能性。
蒸气激振力之二—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。研究表明，该流 体力包括蒸汽在密封内轴向流动和周向流动产 生的两部分汽流力。蒸汽轴向流动产生的流体 切向力和径向力与轴封的几何尺寸、轴封蒸汽 流量、温度、压力、轴封齿平均间隙以及转子 角速度等因素有关，而蒸汽周向流动产生的汽 流力可以用类似于描述轴承动特性的四个弹性 和四个阻尼系数表示。
➢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 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。
该机组于1968年12月17日11:40首次并网，1969年 5月25日11:30首次达到额定负荷(715MW)。随后试 图通过超压5％带到最大负荷（790MW），当机组 有功负荷带到740MW时，高压转子突发剧烈振动， 被迫手动打闸停机。在之后的几次试验中发现高 压转子突发振动与机组负荷有密切关系，且重复 性较好。
第六部分
油膜失稳与蒸汽激振 特征分析、对策及案例
第一小节 简介
关键词
• 超临界压力 • 汽轮机 • 蒸汽激振 • 低频振动
轴系振动稳定性简介
轴系振动稳定性属于自激振动范畴。自激振动是指 由振动体自身所激励的振动，其振动与机组转子质 量不平衡等无直接的关系，而是由于机械振动系统 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）或呈极限轨迹（非 线性系统）。机组轴系设计中应尽量消除或削弱能 够引起转子不稳定自激振动的机制，如轴承油膜不 稳定、蒸汽涡动等。轴系的设计还应能提供足够的 阻尼，吸收和削弱引起自激振动的能量。轴系的阻 尼主要来源于支持轴承的油膜阻尼。
➢ 蒸汽激振产生的自激振动为转子的正向进动，发生严重 蒸汽激振产生自激振动的振动频率通常与转子第一临界 转速频率相吻合，在绝大多数情况下振动成份以接近工 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，有时会呈现其它一些谐波频 率分量。
第二小节
工ห้องสมุดไป่ตู้案例
美国超临界机组蒸汽激振案例
美国是世界上发展超临界机组最早的国 家，在发展超临界压力机组期间，蒸汽 激振问题曾出现在一些450MW、600MW、 700MW、800MW和1300MW容量等级机组上， 主要表现在机组带大负荷运行时高压转 子和调门的突发性低频振动，严重影响 机组的可用率。
The Pennsylvania Power & Light Company runner No.3 (715MW，双轴)
蒸气激振力之三—静态蒸汽力
由于高压缸进汽方式的影响，高压蒸汽产生一作用于转 子的蒸汽力，其一方面可影响轴颈在轴承中的位置，改 变了轴承的动力特性（轴承载荷变化）而造成转子失稳， 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，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180°范围内的 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。
振动失稳之一—油膜涡动/振荡
汽轮发电机组自激振动大多是由支持轴承的油膜 失稳造成的。油膜涡动是油膜力激发的振动。根 据振动频谱很容易识别油膜涡动不稳定，其出现 时的振动频率为同步振动频率的40％～48％，接 近转速频率的一半，也常称为油膜半速涡动。油 膜失稳引起的自激振动通常与转速有关。当机器 出现油膜涡动不稳定，而且油膜涡动频率等于系 统的某一阶固有频率时就会发生油膜振荡。通常 一旦发生油膜振荡，无论转速继续升至多少，涡 动频率将总保持为转子一阶临界转速频率。理论 研究和现场实践经验表明，改变轴承型式、增大 轴承比压、减小轴承顶隙、降低润滑油的粘度等 措施可以消除或减小油膜振荡或油膜涡动。
系统稳定性裕度描述
对数衰减率 系统阻尼 系统抗定常干扰界限值
汽流激振力之一—叶顶间隙激振力
➢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，就会产生一作用于叶轮中心的横向力 （合力），也称为间隙激振力。叶顶间隙不均匀产生的间隙激 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。由此也可以看出，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，即高参数大型 汽轮机的高压转子上。
蒸汽激振的振动特征
➢ 蒸汽激振出现在机组并网之后、负荷逐渐增加的过程中， 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，立即激 发蒸汽激振，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。蒸气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。