1、超臨界汽輪機組蒸汽激振的分析摘要：蒸汽激振是關系汽輪發電機組經濟性、安全性的重大問題。機組容量不斷增大、蒸汽參數不斷提高使蒸汽激振問題成為目前大機組，尤其是超臨界機組，設計、運行、檢修中必須考慮的重要問題之一。本文分析了蒸汽激振的原理、特征以及蒸汽激振對汽輪機組的危害，給出了當前常用的汽流激振治理方法。關鍵詞：蒸汽激振，超臨界，激振力，汽輪機。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.1、 前言采用超臨界壓力甚至超超臨界壓力是提高汽輪機熱效率的重要途徑之一。一般而言，超臨界機組的熱效率比亞臨界機組的高2-3左右，而超超臨界機組的熱效率比常規超臨界機組的高4左右。隨著我國電力工業的結構調整，研制、生產和發展超臨界壓力機組是火力發電節約能源、改善環保、提高發電效率、降低發電成本的必然趨勢。但汽輪機蒸汽參數的提高，會導致高壓缸進汽密度增大、流速提高，蒸汽作用在轉子上的切向力對動靜間隙、密封結構及轉子與汽缸對中度的靈敏度提高，增大了作用在轉子上的激振力，這使超臨界汽輪機發生蒸汽激振的可能性遠大于亞臨界汽輪機。蒸汽激振屬

4、于自激振動，是由汽輪機內部蒸汽激振力激勵引起的振動。蒸汽激振會使軸系穩定性降低，嚴重時會誘發轉子失穩，產生很大的低頻振動，蒸汽激振成為影響超臨界汽輪機可靠性的重要因素和面臨的主要問題之一1。因此，研究蒸汽激振及其防治措施對于提高超臨界汽輪機的可靠性有著十分重要的意義。2、 汽輪機蒸汽激振的機理與特征1、定義自激振動是指振動自身所激勵的振動，其與轉子質量不平衡等無直接關系，而是由于機械振動內部的力激發起來的。維持自激振動的能量來源于系統本身運動中獲取的能量。系統一旦失穩，振幅將隨時間迅速發散（線性系統）或呈極限環軌跡（非線性系統）。在汽輪機的蒸汽間隙（包括徑向和軸向）中存在許多汽流擾動的振源。其

5、中因在安裝、檢修時通流間隙出現偏差、運行時轉子移位、或是由于轉子彎曲、汽缸膨脹跑偏和汽流作用產生的轉子軸向推力，均可能導致轉子與靜子的徑向和軸向間隙發生變化，而出現偏差，這種偏差會產生一個作用于轉子上，并促使其渦動的切向力，即蒸汽激振力。2、 蒸汽激振機理 2.1、葉頂間隙激振力汽輪機的蒸汽間隙（轉子和靜子之間的徑向動靜間隙，亦稱徑向間隙），一般應均勻無偏差，由于轉子彎曲，汽缸膨脹變形跑偏時，或者汽流作用產生的轉子切向推力，轉子動葉頂部和隔板汽封的間隙沿周向不均勻（圖1），進而造成動葉頂部周向間隙的漏汽量不等，同時引起通過動葉片的蒸汽流量、速度和蒸汽推力沿圓周不等。簡單地說，對應于小間隙處產生

6、大推力（），大間隙處產生小推力()。其結果產生一個垂直于轉子中心與汽缸中心的連線的橫向合力()，此力將促使葉輪中心O繞汽缸中心（隔板中心）旋轉，誘發轉子渦動。該力的大小與這一級的功率成正比，與葉片的高度成反比。在一個振動周期內，當系統阻尼消耗的能量損失小于橫向力所做的功，這種渦動就會被激發產生自激振動。 圖1 動葉因偏心激振力2.2、汽封激振力汽輪機為了提高蒸汽做功效率，在葉頂、隔板與軸端都設置有汽封，分別稱作葉頂汽封、隔板汽封、軸封，這三種汽封產生三種激振力。這些激振力對機組轉子的動特性有不良的影響，是大型透平機組發生失穩的一個重要原因，而評價轉子系統穩定性的主要參數之一，便是動特性系數。由

7、于迷宮密封的存在，必然引起汽流激振，恰當確定各密封有關參數，可使激振力最小，系統最穩定。因而迷宮密封各參數對轉子動特征影響的研究具有重要意義。一般認為，汽封流體激振力是由于轉子在密封腔中偏置時，密封周向存在不均勻壓力分布所引起的。由于密封腔中的氣流有旋轉，使周向壓力分布的變化與轉子和密封腔之間的間隙變化不完全對應，最高壓力點滯后密封腔最小間隙一定角度。這樣，流體作用在轉子上的力可分解成一個與偏置方向相垂直的切向力，該切向力將激勵轉子產生渦動。當激勵力達到或超過一定值時，就會使轉子產生強烈的振動。目前知道的會造成迷宮密封腔中壓力沿周向分布不均勻的原因主要有：(1)Lomakin效應2；(2)Al

8、ford效應2；(3)螺旋形流動效應3；(4)三維流動效應3；(5)二次流效應等3。2.3、作用在轉子上的靜態蒸汽力由于高壓缸進氣方式的影響，高壓蒸汽產生一作用于轉子的蒸汽力，一方面該蒸汽力會影響軸頸在軸承中的位置，改變軸的動力特性（因軸承載荷變化），而造成轉子運動失穩；另一方面該蒸汽力使轉子在汽缸中的徑向位置發生變化，引起通流部分間隙的變化。在采用噴嘴調節的汽輪機中該蒸汽力是由于部分進汽引起的，通常考慮到汽缸溫差方面的因素，噴嘴調節模式運行時首先開啟控制下半180o范圍內地噴嘴的調節汽閥，一般是下缸先進汽。調節級噴嘴進汽的非對稱性，引起不對稱的蒸汽力作用在轉子上，在某個工況其合力可能是一個向

9、上抬起轉子的力，從而減少了軸承比壓，導致軸瓦穩定性降低。此力度大小和方向與機組運行中各調門的開啟順序、開度和各調門噴嘴的數量有關。3、氣流激振的特征4-6l 氣流激振屬于自激振動，這種振動不能用動平衡的方法來消除。l 氣流激振易發生在透平機械的大功率區及葉輪直徑較小和短葉片的高壓轉子上，尤其在高參數大型透平機械的高壓轉子上。l 氣流激振具有良好的再現性。氣流激振有一個門檻值，當負荷超過該值時，振動會急劇加劇；如果此時降低負荷，可以明顯的減弱振動。l 氣流激振的振動頻率等于或略高于高壓轉子一階臨界轉速，在大多數情況下，振動成分以接近工作轉速一半的頻率分量為主。3、 蒸汽激振的危害l 突發性大振動

10、引起機組跳機。l 限制了機組的負荷。l 低頻振動對軸系機械的破壞性更大。l 處理麻煩，費時費力，且有時收不到較理想的效果。4、 汽流激振治理方法探討汽輪機汽流激振的治理比較復雜，一般要根據機組的振動情況認真分析，推斷出可能誘發汽流激振的原因和部位，加上理論計算分析驗證，才能基本確定，必要時還需做一系列試驗。下面就是大家經過長期試驗、實踐及前面分析研究得到的治理汽流激振的一些方法。 1、變換調節閥門開啟順序 用噴嘴調節的汽輪機，因部分進汽原因，蒸汽整齊除了在轉子調節級葉輪上產生力偶而使轉子旋轉外，還有一個通過轉子中心的力。因調節閥開啟順序的原因，可能使此力成為抬起轉子的恒定力，從而減少了軸承比壓

11、，易使轉子失穩。圖2為一臺前蘇聯K-200-130型汽輪機受調節閥開啟順序影響的情況7，、分別為調節閥門開啟順序。不同開啟順序，高壓轉子所受到的蒸汽作用力方向不同，變換調節閥門的開啟順序有時可以增加軸系的穩定性，抑制汽流激振強度或發生。有時可以不改變調門開啟順序而改變調門重疊度，例如在、開啟時調整、調門的開度（一般逐步關小），也能達到抑制汽流激振的目的。不過這種方法不是對每臺機組都有效，對于某些機組效果并不明顯。 圖2 調節閥不同開啟順序對高壓轉子的作用力 (a)改變順序前；(b)改變順序后 2、調整軸承標高對發生低頻振動機組的分析統計表明，約有一半是由于軸承標高不合適而引起的，軸承標高不合理

12、，降低了機組運行的穩定性。標高的調整對消除低頻振動是有益的。 3、清理滑銷系統當汽缸體受導汽管等外部的熱應力的作用，或汽缸滑銷系統膨脹不順時，汽缸會發生傾斜進而導致轉子偏斜，誘發汽流激振。這時可以消除熱應力，清理滑銷系統。 4、調整通流間隙汽流激振力有許多種類，其中通流部分間隙不均或不合理占主要因素，因此合理檢查的調整通流部分間隙，是解決汽流激振的最主要的手段。一般來說，減小徑向偏心、適當放大徑向間隙 (在保證機組經濟性前提下)，減小軸向間隙也有助于降低汽封級前壓力，可以降低蒸汽激振力。 5、改進密封型式如果激振力來自密封，我們把密封改為抗汽流激振性能好的型式。例如把梳齒密封改為倒喇叭型，就是

13、進口間隙減小出口間隙增大；或者把梳齒密封改為圓孔窩密封或蜂窩密封，對葉頂徑向汽封改為圖3、軸向汽封改為圖4對降低汽流激振力是有利的8。圖3 葉頂徑向汽封改進圖 圖4 軸向汽封改進 6、增加油膜的徑向剛度6.1、使轉子以較大的偏心率運行。添加不平衡量增加動態偏心率。這一條措施從理論上是成立的，在實際中難以實施。很難想像，對于存在汽流激振的機組有意地添加不平衡質量塊，這樣做可以將低頻分量壓低，但工頻振幅分量必然要變大。6.2、對于360滑動軸承，可通過增加流體靜態壓力來提高穩定性。在全周潤滑的軸承中，高的流體靜態壓力能直接提高油膜徑向剛度并改善轉子的穩定性。實踐中，可以采用提高軸承進油壓力的方法，

14、國內有320MW機組利用頂軸油泵控制失穩的實例。 7、改變潤滑油溫改變油溫有時會解決機器的不穩定問題。據非經證實的統計表明，60%的失穩可以通過降低油溫得到治理，20%的失穩可以利用提高油溫得到解決，剩余的20%的失穩與油溫無關。 8、減小（這里渦動頻率/轉動頻率）這是目前治理汽流激振最常用和比較有效的手段。8.1、通過改變軸承的幾何形狀來擾亂周向旋流并減小其強度，從而提高轉子的穩定性。1)槽楔和非圓形狀可在周向旋流中產生渦流或紊流油楔，減小；2)可傾瓦軸承由不連續的各段構成，產生渦動的交叉剛度為零，因此幾乎不可能產生周向連續旋流，是很小的。利用可傾瓦軸承可以有效地抑制汽流激振，如圖58是不同

15、軸承在前蘇聯在其500MW機組上進行汽流激振試驗結果，曲線1為采用橢圓軸承，極限負荷約200MW，曲線2為采用瓦塊軸承，保留徑向密封，極限功率大幅度提高，在額定負荷500MW時，振幅為20。曲線3為采用瓦塊軸承并取消徑向密封，極限功率又有所提高，且額定負荷時，低頻振幅僅10左右。從以上試驗結果中可以看出，雖然改善軸承性能、增加振動阻尼不能從根本上消除汽流激振力，但對于機組運行是有益的。因為良好的軸承性能可以削弱汽流激振力的影響，提高極限功率，減小振幅。 圖5 前蘇聯500MW機組試驗曲線3) 壓力壩軸承除干擾周向旋流外，還會產生一個徑向載荷，增大偏心率，起到穩定轉子的作用。8.2、增大軸頸在軸

16、承中的偏心率。1)可通過施加徑向載荷或“良性”不對中來增加軸頸的平均偏心率；2)利用附加不平衡量來增加動態偏心率。但要注意，個別情況下會使一個穩定機組的振動變為不穩定，另外，附加不平衡量必然要增大機組的工頻振幅。8.3、利用反渦旋技術干擾流體的周向運動：逆轉向注人流體以減小，從而提高失穩界限轉速。這種技術可派生出大量有效的主動控制手段，對機器不會帶來危害(而用增加轉子偏心率的方法來提高穩定性，可能會對密封帶來危害)，因而被積極推薦使用，這是消除密封失穩新的主要手段，因此這里要作較詳細的論述。“反渦流技術”又叫“流體反旋流法”，80年代逐步得到重視，主要用來抑制軸端密封流體激振。反旋流措施是向迷

17、宮密封腔中導入一股與轉子旋轉方向相反的流體，用以抵消腔內流體的周向運動，見圖6。A.Muszynska910研究了一種反旋流密封，得出了最佳的結構，減振效果優于圓孔窩密封。抑制密封流體激振，根本在于避免流體激勵頻率與轉子固有頻率的耦合，即降低二者的比值。阻尼密封、反旋流措施等都降低了流體的激勵頻率；提高轉子的固有頻率也是降低的手段之一。例如某離心壓縮機一方面采用反旋流措施，另一方面縮短支承跨距、增大軸頸，使轉子的第一階固有頻率，由原來的70Hz提高到100Hz，降低了頻率比，徹底解決了造成停產的密封流體激振問題11。 圖6 反旋流裝置9、增加轉子剛度如果一臺新機組在設計或開發階段出現混沌失穩問

18、題，通常就應該減小轉子長度或增加軸徑直徑以提高轉子剛度，增加轉子臨界轉速。5、 總結1、超（超）臨界汽輪機參數高、蒸汽密度大。汽流激振是影響其可靠性的主要因素之一 。汽流激振是國內外許多單位多年來一直在研究的課題，試驗研究和計算分析是超超臨界汽輪機汽流激振研究的重要內容。2、超（超）臨界汽輪機汽流激振涉及因素較多，產生原因復雜，良好的設計是超超臨界汽輪機防止汽流激振的根本保證。設計或使用不當，運行中發生汽流激振，制造企業和使用單位有可能付出很大的代價。開發并使用汽流激振分析軟件，在設計階段進行考慮汽流激振力影響的軸系穩定性的計算分析，并采用防止汽流激振的結構措施，是超（超）臨界汽輪機研制、生產和使用過程中防止汽流激振的重要技術手段。3、本文只對引起汽輪機蒸汽激振的單個因素進行了分析。綜合考慮葉頂間隙氣流激振力、汽封引起的蒸汽激振力和作用在轉子上的靜蒸汽力三方面之間的相互影響，而引起的蒸汽激振對機組的影響將會是以后研究的主要方向。參考文獻：1 史進淵，楊宇，孫慶，等。超超臨界汽輪機技術研究的新進展J。動力工程，2003，23(2)：2252-2257。2 史進淵等。超超臨界汽輪機汽流激振的研究J。動力工程，2003，2（05）：2620-2623。3 陳佐一，段源遠，井有浩