1000mw汽輪機(jī)組N+1支撐軸系的不平衡震動特性研究
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崔亞輝，姚劍飛，張俊杰，賓光富，渠福來，白廣臣
（1．神華國華（北京）電力研究院有限公司，北京 100025;2．北京化工大學(xué)，北京 100029；
3．湖南科技大學(xué)，湖南湘潭411201;4．浙江國華浙能發(fā)電有限公司，浙江寧海315600；
5．神華國華粵電臺山發(fā)電有限公司，廣東臺山 529228）
摘要：由于N+1支撐軸系結(jié)構(gòu)特殊性，西門子1 000 MW汽輪機(jī)組軸系不平衡振動特性復(fù)雜，導(dǎo)致該機(jī)型在實際運行中經(jīng)常出現(xiàn)振動故障。采用有限元法，根據(jù)機(jī)組基本結(jié)構(gòu)尺寸，建立了軸系動力學(xué)模型，通過數(shù)值仿真計算了軸系臨界轉(zhuǎn)速和振型，分析了軸系上10個平衡位置加重后軸系額定工作轉(zhuǎn)速3 000 r/min下渦動響應(yīng)．比較得出軸系不同軸向位置加重對軸系振動的敏感程度和影響規(guī)律，從而為該型機(jī)組實際運行過程中的振動故障監(jiān)測和診斷分析提供參考，、
關(guān)鍵詞：1 000 MW汽輪機(jī)組；N+1支撐軸系：臨界轉(zhuǎn)速：不平衡振動特性
中圖分類號：'rK263.6+1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1004-9649(2015)10-0001-05
0引言
上海電氣集團(tuán)從德同西門子引進(jìn)的1 000 MW超超臨界汽輪發(fā)電機(jī)組是中國運行較多的百萬千瓦等級機(jī)組。該型機(jī)組由高壓缸、中壓缸、2個低壓缸、發(fā)電機(jī)、勵磁機(jī)組成，其中，中壓缸和2個低壓缸分別只有一個支撐軸承，即汽輪機(jī)組4根轉(zhuǎn)子由5個軸承支撐，因此稱為N+1支撐。這種支撐形式可有效減少基礎(chǔ)變形對軸承荷載和軸系對中的影響，使機(jī)組軸系對中更加容易，安裝維護(hù)簡單，且廠房投資可大幅降低。雖然該機(jī)型優(yōu)點較突出，且在德國運行過程中，出現(xiàn)的振動問題不多，但在中國生產(chǎn)、投運后出現(xiàn)過不少振動問題。究其原兇：一方面，核心技術(shù)畢竟掌握在德國西門子手巾，中國引進(jìn)該機(jī)型時，對機(jī)組動力學(xué)特性掌握不夠深入，而且國內(nèi)的制造、安裝、調(diào)試等水平與國外存在一定的差距；另一方面．該型機(jī)組的特殊支撐型式使振動故障診斷比較特殊，具體如下：(l)軸系相鄰各轉(zhuǎn)子振動特性相互耦合，轉(zhuǎn)子間相互影響較雙支承結(jié)構(gòu)機(jī)組明顯增大．造成振動故障診斷分析和處理更加困難．根據(jù)單支撐軸承座上測量的振動信號難以確定各轉(zhuǎn)子振型、不平衡位置和大小。(2)因?qū)C(jī)組軸系不平衡響應(yīng)特性了解不夠，導(dǎo)致現(xiàn)場處理振動實施的一些動平衡方案達(dá)不到預(yù)期的效果。(3)軸承安裝要求非常嚴(yán)格，該軸承的支撐剛度主要取決于軸承底部和軸承支座的瓦枕接觸面的接觸情況，接觸面是現(xiàn)場研磨安裝找正，受施工工藝水平的影響較大。
目前國內(nèi)已投運的西f]子1 000 MW機(jī)組中，部分出現(xiàn)了不同程度的軸系振動問題，有的甚至進(jìn)一步惡化．嚴(yán)重影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運行，雖然國內(nèi)已開展了該型機(jī)組現(xiàn)場振動故障的分析．但對其軸系動力學(xué)特性理論研究鮮見于文獻(xiàn)。因此．為更好地開展該型機(jī)組振動故障的診斷和處理．有必要對該型機(jī)組軸系臨界轉(zhuǎn)速和不平衡響應(yīng)等動力學(xué)特性進(jìn)行研究。
1 機(jī)組軸系動力學(xué)模型
按照機(jī)組基本結(jié)構(gòu)尺寸．采用有限元法．對轉(zhuǎn)軸、葉片、葉片與轉(zhuǎn)軸配合的葉根部分等進(jìn)行動力學(xué)�；�，共分為256個主單元．軸承簡化為彈簧和阻尼器，構(gòu)建軸系動力學(xué)模型，如圖1所示。
構(gòu)建機(jī)組軸系動力學(xué)模型后，分析軸系轉(zhuǎn)子的靜態(tài)特性，對各轉(zhuǎn)子模型關(guān)鍵屬性參數(shù)進(jìn)行分析和計算，以檢查和校核模型參數(shù)。得到汽輪機(jī)組各轉(zhuǎn)子等效剛體屬性參數(shù)如表l所示。
由表l可知，建模過程中汽輪機(jī)組軸系結(jié)構(gòu)基本幾何參數(shù)與實際值吻合．這說明軸系轉(zhuǎn)子建模參數(shù)選擇基本合理。
2機(jī)組軸系臨界轉(zhuǎn)速與振型
在軸系有限元模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行臨界轉(zhuǎn)速分析，得到該軸系前六階無阻尼臨界轉(zhuǎn)速和振型．結(jié)果如圖2所示。
圖2
由圖2可知，計算的汽輪機(jī)軸系垂直方向前六階臨界轉(zhuǎn)速分別為709 r/min、1 163 r/min、1 347 r/min、l 354 r/min、1 910 r/min和2 265 r/min,分別對應(yīng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一階、低壓轉(zhuǎn)子-l階、低壓轉(zhuǎn)子2一階、勵磁機(jī)轉(zhuǎn)子一階、中壓轉(zhuǎn)子一階和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子二階臨界轉(zhuǎn)速。表2為德國西門子提供的該型機(jī)組臨界轉(zhuǎn)速值。與本文計算得到的軸系臨界轉(zhuǎn)速對比吻合較好。
3軸系不平衡振動響應(yīng)分析
為研究在軸系上不同軸向位置加配重對軸系振動的敏感性，對軸系中各轉(zhuǎn)子不平衡量響應(yīng)進(jìn)行分析。采取分別在機(jī)組轉(zhuǎn)子跨內(nèi)平衡槽加重位置逐個施加相同的不平衡量，以得到軸系上8個測點處的振動情況，比較分析得出軸系上不同軸向位置加配重對軸系振動的敏感程度和影響規(guī)律。軸系現(xiàn)場動平衡常用加重平面位置（箭頭所指位置）、振動測點位置分別如圖3所示，、
為分析軸系不平衡的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，分別在軸系加重平面半徑為450 mm,與X軸成0°位置處施加lkg的不平衡量U．即U=450 kg．mm∠0°，進(jìn)行額定工作轉(zhuǎn)速3 000 r/min下的軸系渦動軌跡分析。分別在高壓轉(zhuǎn)子前后軸承側(cè)、中壓轉(zhuǎn)子前軸承側(cè)與后軸承側(cè)、低壓轉(zhuǎn)子1前后軸承側(cè)、低壓轉(zhuǎn)子2前后軸承側(cè)施加U后．得到軸系渦動軌跡如圖4所示。
從圖4a）和圖4b）中渦動軌跡分析可知．在額定工作轉(zhuǎn)速3 000 r/min下，高壓轉(zhuǎn)子前軸承側(cè)的不平衡量主要激起軸系高壓轉(zhuǎn)子的一階振動．在高壓轉(zhuǎn)子后軸承側(cè)的不平衡量仍主要激起軸系高壓轉(zhuǎn)子的一階振動，且軸系撓曲變形非常明顯．從圖4c）和圖4d）可知，在中壓轉(zhuǎn)子前、后軸承側(cè)的加重不平衡量，主要激起軸系中壓轉(zhuǎn)子的一階和兩低壓轉(zhuǎn)子的二階振動。從圖4 e）和圖4 f）可知，低壓轉(zhuǎn)子1前、后軸承側(cè)的不平衡量主要激起軸系低壓轉(zhuǎn)子l、中壓轉(zhuǎn)子和低壓轉(zhuǎn)子2的二階振動。這與中壓轉(zhuǎn)子后軸承側(cè)存在不平衡量時的影響不同，中壓轉(zhuǎn)子不平衡量主要激起中壓轉(zhuǎn)子的一階振動。在生產(chǎn)現(xiàn)場，可以根據(jù)這點區(qū)別，判斷不平衡量是在中壓轉(zhuǎn)子還是低壓轉(zhuǎn)子1．此外．低壓轉(zhuǎn)子1既與巾壓轉(zhuǎn)子相連，也與低壓轉(zhuǎn)子2相連，因此低壓轉(zhuǎn)子l的不平衡量對巾壓轉(zhuǎn)子和低壓轉(zhuǎn)子2都有明顯影響。從圖4 9）和圖4 h)可知．在低壓轉(zhuǎn)子2前軸承側(cè)加重主要激起軸系低壓轉(zhuǎn)子2、低壓轉(zhuǎn)子1和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的二階振動，在后軸承側(cè)加重則主要激起軸系低壓轉(zhuǎn)子2和低壓轉(zhuǎn)子l的二階振動。從圖4 i）和圖4j)可知，在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子兩端施加不平衡量U.顯然對汽輪機(jī)的影響較小。
對比圖4 f）和圖4 9），從圖中可以看出不平衡量在這2個位置時，引起的渦動軌跡形態(tài)基本一致．這是由于低壓轉(zhuǎn)子1的后端和低壓轉(zhuǎn)子2的前端靠得比較近，一旦這2個位置存在一定的不平衡量，可引起2個低壓轉(zhuǎn)子同時振動，而且振型都是二階振型，導(dǎo)致現(xiàn)場難以區(qū)分不平衡量在2個低壓轉(zhuǎn)子上的位置。技術(shù)人員在現(xiàn)場處理該型機(jī)組的振動故障時，也屢次遇到這種情況。
4結(jié)論
采用有限元方法．建立了1 000 MW超超臨界汽輪機(jī)組軸系動力學(xué)模型．計算得到軸系的臨界轉(zhuǎn)速與西門子提供的臨界轉(zhuǎn)速值接近，驗證了動力學(xué)模型的正確性：在軸系模型的不同位置加不平衡量，計算軸系的不平衡渦動響應(yīng)，可得出以下結(jié)論：
(1)在汽輪機(jī)組各跨轉(zhuǎn)子內(nèi)進(jìn)行加重，軸系振動基本上以該跨轉(zhuǎn)子為主，且同時激起r相鄰轉(zhuǎn)子的振動．特別是在中壓及低壓轉(zhuǎn)子的跨內(nèi)加重，轉(zhuǎn)子間振動相互影響較大。
(2)在汽輪機(jī)組各轉(zhuǎn)子跨內(nèi)加重，與之對應(yīng)測點及相鄰測點處振動較大，對不平衡敏感程度較高。
(3)汽輪機(jī)組軸向不同位置加重，測點對轉(zhuǎn)子跨內(nèi)兩側(cè)不平衡激勵較敏感。
(4)中壓轉(zhuǎn)子的不平衡量會激起自身的一階振型．而低壓轉(zhuǎn)子l的不平衡量會引起中壓轉(zhuǎn)子的二階振型：低壓轉(zhuǎn)子1上的不平衡量對中壓轉(zhuǎn)子和低壓轉(zhuǎn)子2都有影響：兩個低壓轉(zhuǎn)子的不平衡量影響基本一致，特別是不平衡量出現(xiàn)在兩個低壓轉(zhuǎn)子之間各自的末級葉片時，難以有效區(qū)分不平衡量的位置。
本文得出的軸系不平衡振動特性結(jié)論可為該型機(jī)組實際運行過程中的振動故障監(jiān)測和診斷提供參考。
