上汽西門子1000 MW超超臨界汽輪發(fā)電機組軸系振動特性

韓彥廣，周雪斌，李旭，曾慶華

(湖南省電力公司試驗研究院，湖南長沙410007)

目前，國內(nèi)新建燃煤發(fā)電機組正在向高參數(shù)、大容量、高效率、高自動化水平的超超臨界機組方向發(fā)展，國內(nèi)上海電氣、東方電氣、哈爾濱電氣3大電氣集團分別與國外西門子公司、日立公司、東芝公司以不同的方式合作共同研發(fā)出不同類型的600℃單軸1000 MW級超超臨界汽輪機，并且已成功用于商業(yè)運行，我國電站設(shè)備制造能力在國際上已達到先進水平。其中上汽西門子百萬級超超臨界汽輪機以積木塊化為設(shè)計理念，無論是單軸四缸四排汽型式，還是高、中壓缸的結(jié)構(gòu)參數(shù)，低壓缸末級長葉片等技術(shù)均有成功的運行業(yè)績，這些先進成熟可靠的技術(shù)使該型機組總體性能達到世界一流水平。

大容量高參數(shù)汽輪發(fā)電機組在提高燃煤機組經(jīng)濟性的同時，也對汽輪發(fā)電機組的軸系穩(wěn)定性及其振動特性提出了挑戰(zhàn)。國內(nèi)百萬級超超臨界汽輪機普遍采用單軸四缸四排汽機型，轉(zhuǎn)子多，軸系長，支承條件復(fù)雜，并且受汽流激振的影響程度增強，國內(nèi)外大型機組的彎曲振動、扭轉(zhuǎn)振動、油膜振蕩、汽流激振等軸系振動事故在過去十幾年曾頻頻發(fā)生。單軸百萬級燃煤汽輪發(fā)電機組在國外商業(yè)化運行的業(yè)績并不多，可以總結(jié)的經(jīng)驗和教訓(xùn)非常有限。機組軸系振動問題直接關(guān)系到機組的安全穩(wěn)定運行，嚴(yán)重時甚至?xí)斐稍O(shè)備損壞等重大事故，因此，單軸百萬級燃煤汽輪發(fā)電機組的軸系振動特性必須得到特別重視〔1〕。

上汽西門子百萬級超超臨界汽輪發(fā)電機組采用多項領(lǐng)先技術(shù)，從軸系結(jié)構(gòu)設(shè)計到軸承、高壓進汽以及膨脹滑銷系統(tǒng)等多方面提高軸系的穩(wěn)定性及可靠性。

1 軸系結(jié)構(gòu)

1.1 單支承軸系

上汽西門子單軸百萬超超臨界汽輪發(fā)電機組由N1000-26.25/600/600(TC4F)型超超臨界汽輪機、THDF 125/67型發(fā)電機和4 500 kW無刷勵磁機組成，由上海電氣與德國西門子公司聯(lián)合設(shè)計制造。汽輪發(fā)電機軸系由汽輪機高壓轉(zhuǎn)子、中壓轉(zhuǎn)子、2個低壓轉(zhuǎn)子、發(fā)電機轉(zhuǎn)子及勵磁機轉(zhuǎn)子組成，轉(zhuǎn)子之間采用剛性聯(lián)軸器聯(lián)接。除發(fā)電機轉(zhuǎn)子外，軸系設(shè)計采用獨特的單軸承N+1支承模式，與其他2家國產(chǎn)超超臨界汽輪機軸系采用雙軸承支承相比，汽輪機轉(zhuǎn)子軸系長度僅為29 m，同比縮短了8～10 m。整個汽輪發(fā)電機組軸系長度為49 m，共有7個徑向軸承和1個徑向推力聯(lián)合軸承支承。除高壓轉(zhuǎn)子由2個徑向軸承支承外，汽輪機其他轉(zhuǎn)子均是由單軸承支承，如圖1所示。

圖1 上汽西門子單軸百萬級超超臨界汽輪發(fā)電機組軸系示意圖

這種單支點軸系布置方式結(jié)構(gòu)緊湊，大大縮短了汽輪機轉(zhuǎn)子的軸向長度，轉(zhuǎn)子剛度大，易于校正軸系中心，安裝維護簡單，且能減少軸承摩擦損失，最大限度地減少基礎(chǔ)變形對軸承荷載和軸系對中的影響，有利于機組平穩(wěn)運行。

1.2 大型軸承技術(shù)

上汽西門子1000 MW超超臨界汽輪機采用單支承系統(tǒng)，軸系在2個汽缸之間只有1個軸承，各轉(zhuǎn)子之間依靠剛性聯(lián)軸器連接。剛性聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)簡單，連接剛度強，傳遞力矩大，工作可靠。根據(jù)各轉(zhuǎn)子的靜態(tài)撓度或靠背輪端面轉(zhuǎn)角設(shè)定各軸承不同標(biāo)高值，使轉(zhuǎn)子在靜止?fàn)顟B(tài)下軸系中心線呈一條平滑曲線，最大限度避免剛性聯(lián)軸器對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的附加約束力。

由于1000 MW機組汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子尺寸大、載荷重，又是采用單支承系統(tǒng)，因此該型機組引進西門子專用大型徑向軸承技術(shù)，西門子改進型橢圓軸承結(jié)構(gòu)合理，其內(nèi)圓結(jié)構(gòu)大大加強其下瓦承載能力，載荷分布與普通橢圓軸承相比更為均勻，承載面積更大，其油膜壓力峰值小于普通橢圓軸承，與常規(guī)橢圓軸承、圓軸承相比，能夠承受較大荷載并且能保證低摩擦功耗。其中汽輪機1號軸承采用雙油楔軸承，2號軸承采用推力軸頸組合設(shè)計，也為雙油楔軸承，推力軸承墊彈性支承在軸瓦上，因而可以將轉(zhuǎn)子軸向推力通過軸瓦傳送到軸承墊上。3，4，5號軸承采用改進的橢圓形軸頸軸承，單向供油，6，7號軸承采用端蓋式軸承，其上下瓦結(jié)構(gòu)形狀不對稱，上瓦周向開槽，下瓦內(nèi)表面沿周向由5段曲率組成，形成油膜的收斂區(qū)和發(fā)散區(qū)。這種類型的軸承在阻尼良好的系統(tǒng)中只需用少量的潤滑油即能確保轉(zhuǎn)子的平穩(wěn)運轉(zhuǎn)，并且僅產(chǎn)生少量的摩擦損失。

單軸承支承方式使軸承壓比增高，采用高粘度的潤滑油，增強了軸承的穩(wěn)定性。西門子對設(shè)計過程中軸系穩(wěn)定性問題有自己的穩(wěn)定性判斷準(zhǔn)則，使機組臨界轉(zhuǎn)速、不平衡響應(yīng)及軸承失穩(wěn)轉(zhuǎn)速在合適的范圍內(nèi)〔2〕。其判據(jù)認(rèn)為當(dāng)臨界轉(zhuǎn)速在額定轉(zhuǎn)速的±10%范圍 (即2 700～3 300 r/min)以外時不考慮對數(shù)衰減率的計算，當(dāng)臨界轉(zhuǎn)速在額定轉(zhuǎn)速的±10%范圍以內(nèi)時計算對數(shù)衰減率，在臨界轉(zhuǎn)速時的對數(shù)衰減率應(yīng)大于0.1。例如，高壓轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)速為2 640 r/min時，對數(shù)衰減率為0.536;電機轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)速為720 r/min時，對數(shù)衰減率為0.006，遠離額定轉(zhuǎn)速的±10%范圍，不必考慮對數(shù)衰減率，詳細數(shù)據(jù)見表1，2。其中表2中，各軸承軸瓦均為橢圓瓦形式，失穩(wěn)轉(zhuǎn)速均大于3 900 r/min，設(shè)計軸瓦溫度均小于105℃。

表1 各轉(zhuǎn)子軸系/軸段臨界轉(zhuǎn)速值 r/min

表2 汽輪機各徑向軸承及推力軸承參數(shù)

除發(fā)電機兩端軸承坐落在發(fā)電機端蓋以外，汽輪發(fā)電機組其他軸承都是安置于固定在基礎(chǔ)上的軸承座內(nèi)，軸承座由球墨鑄鐵構(gòu)成，直接固定到基礎(chǔ)上，并與汽輪機缸體分開，是整臺汽輪機的主要承重體。軸承座除了支撐軸承，承載汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子以外，還用于支撐和導(dǎo)承汽輪機高壓缸、中壓缸以及低壓內(nèi)缸。轉(zhuǎn)子的載荷是通過軸承傳遞至軸承座，而靜子的載荷是通過汽缸貓爪加載于軸承座上。因此，西門子設(shè)計的軸承座采用無墊鐵、無臺板支撐型式，在汽缸就位前要先對軸承座進行二次灌漿，與其他型號機組的安裝有很大的區(qū)別，一旦軸承座進行了二次灌漿，汽缸及機組軸系的找正就無法通過軸承座的調(diào)整來實現(xiàn)，軸瓦左右及上下間隙的調(diào)整均是通過軸承座內(nèi)的墊片進行調(diào)整。

由于汽輪機所有的軸承座均直接支撐在基礎(chǔ)上，因此低壓外缸可與凝汽器剛性連接，低壓缸真空的變化將不會影響動靜間隙，軸系中心不受低壓缸膨脹及真空等運行參數(shù)變化的影響，保證機組軸系振動的穩(wěn)定性。

2 汽缸膨脹與動靜差脹

汽輪機各部件在啟動加熱和停機冷卻過程中必然會產(chǎn)生膨脹或收縮，如果這些部件不能自由膨脹或收縮，不僅會在這些部件內(nèi)部產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，而且還會改變動、靜部件之間的對中狀態(tài)和軸向間隙，嚴(yán)重時會引起動靜部件碰磨，釀成更為嚴(yán)重的機組強烈振動。因此，汽輪機必須合理設(shè)置滑銷系統(tǒng)，使動、靜部件能沿著設(shè)定的方向順暢地膨脹與收縮，避免破壞正常的動、靜對中狀態(tài)和間隙。

2.1 缸體膨脹及滑銷系統(tǒng)

西門子1000 MW超超臨界汽輪機的膨脹及滑銷系統(tǒng)設(shè)計非常合理。高壓缸采用單流筒形雙層缸型式，其外缸為筒形結(jié)構(gòu)，內(nèi)缸為垂直縱向中分面結(jié)構(gòu)，內(nèi)外缸都采用軸對稱設(shè)計，避免了不利的材料集中，使各部分溫度能夠保持一致的軸對稱狀態(tài)，有利于減小結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中，保證內(nèi)外缸的順利膨脹。高壓外缸通過貓爪安放在固定于基礎(chǔ)上的軸承座，高壓缸貓爪可在與定位鍵組裝在一起的滑塊上水平滑動。通過弓形梁將貓爪伸進前軸承座相應(yīng)的凹槽中固定住，可防止汽缸抬升;由軸承座上的擱腳與外缸上的導(dǎo)叉組成的高壓缸導(dǎo)向鍵，確保高壓缸相對于汽輪機軸系的中心位置;高壓缸的軸向固定點為前缸體支承點，高壓缸的軸向膨脹從這些導(dǎo)向鍵開始。

中壓缸采用雙流程雙層缸型式，其外缸為水平中分面結(jié)構(gòu)，內(nèi)缸采用中分面支承方式，使內(nèi)缸從固定點軸向自由膨脹和徑向沿各個方向上自由膨脹，從而保持汽缸與轉(zhuǎn)子同心。中壓外缸由前后2個貓爪支撐在2，3號軸承座上。中壓缸受熱膨脹時，從徑向推力聯(lián)合軸承上的支架處開始發(fā)生軸向位移;靠近發(fā)電機端的中壓缸接合法蘭上裝有凸耳，上面聯(lián)接著推拉桿，用以平衡低壓內(nèi)缸的膨脹位移。中壓缸橫向方向上的位移從汽輪機軸下面的中心導(dǎo)向鍵處開始發(fā)生，中心導(dǎo)向鍵由軸承座上的擱腳與外缸上的導(dǎo)叉組成。中壓內(nèi)缸上缸的4個擱腳在同一水平面上擱置在外缸的下缸上 (墊有墊片)，垂直方向上的熱膨脹從中分面處開始，從而使內(nèi)缸與轉(zhuǎn)子在這一平面上保持同心。內(nèi)缸的上、下缸均設(shè)有中心定位銷，用以內(nèi)缸橫向上的中心定位;內(nèi)缸擱腳通過裝在外缸下缸上的配合鍵固定在推力軸承側(cè)，汽缸的軸向熱膨脹從這一固定點處開始、向發(fā)電機的方向伸展，與轉(zhuǎn)子的膨脹方向相同。這就意味著動葉與導(dǎo)葉之間的軸向間隙可以設(shè)置得小一些。

低壓缸采用雙流雙層缸型式，低壓外缸焊接在凝汽器上，外缸軸向膨脹從凝汽器定位鍵處開始，軸向位移始于低壓缸前軸承座上凝汽器的固定死點。橫向位移從中心導(dǎo)承處開始發(fā)生，中心導(dǎo)承位于汽機軸下方、凝汽器與臺板之間。汽缸垂直方向上的膨脹從臺板的支架處開始發(fā)生，向汽輪機中心線膨脹。低壓外缸通過波紋管補償器和端部汽封彈性連接，軸封補償器可以吸收內(nèi)外缸相對膨脹。從外缸伸入缸內(nèi)的各部件也均采用波紋管補償器〔4〕進行連接。低壓內(nèi)缸由4個整體鑄造的貓爪支承，這4個貓爪搭在前后2個軸承座上，支撐整個內(nèi)缸、持環(huán)及靜葉的重量。汽輪機端的貓爪通過穿過前軸承座的推拉桿與上游汽缸連接，確定了內(nèi)缸在軸向上的位置。中壓外缸與低壓內(nèi)缸以及低壓內(nèi)缸與低壓內(nèi)缸之間以穿過軸承座的推拉桿相連接傳遞膨脹，采用這種推拉桿連接方式可以使汽缸與轉(zhuǎn)子受熱時同步從同一點 (徑向推力聯(lián)合軸承處)開始發(fā)生膨脹，這種膨脹方式設(shè)計可以使軸向間隙保持最小狀態(tài)。推拉桿的結(jié)構(gòu)及原理見圖2〔5〕。

圖2 推拉桿結(jié)構(gòu)示意圖

為了盡可能地減小摩擦力，所有固定的軸承座與汽缸貓爪之間的滑動支撐面采用低摩擦合金，其優(yōu)點是不需要潤滑，具有良好的摩擦性能，有利于機組膨脹順暢。

2.2 轉(zhuǎn)子與汽缸的相對膨脹

該型機組推力軸承設(shè)在高壓缸后軸承座內(nèi)，采用徑向推力聯(lián)合軸承，是轉(zhuǎn)子相對于汽缸膨脹的死點。高壓轉(zhuǎn)子和高壓缸從死點位置開始朝高壓缸前軸承座方向膨脹，在距推力軸承最遠的一端，高壓缸的差脹最大，高壓轉(zhuǎn)子的膨脹量小于高壓缸的膨脹量，因此出現(xiàn)負脹差。中壓缸和中壓轉(zhuǎn)子從死點位置開始朝發(fā)電機方向膨脹，在距推力軸承最遠的一端，中壓缸的差脹最大，中壓轉(zhuǎn)子的膨脹量大于中壓缸的膨脹量，因此出現(xiàn)正脹差。低壓轉(zhuǎn)子和低壓缸之間的差脹，是由軸系的膨脹與低壓內(nèi)缸的位移不同而造成的，因為中壓外缸和低壓內(nèi)缸之間用推拉桿聯(lián)接，所以低壓內(nèi)缸的位移是由中壓缸的軸向膨脹位移加上低壓內(nèi)缸膨脹產(chǎn)生。

這種動靜死點位于同一位置 (推力軸承/推力軸承座)以及缸體推拉桿連接的設(shè)計方式 (見圖3)使汽輪機動靜部分同步膨脹，其動靜差脹很小，大大減小了機組動靜膨脹不均引起動靜碰磨的幾率。

圖3 汽輪機轉(zhuǎn)子與汽缸相對膨脹示意圖

3 防汽流激振

3.1 全周進汽及補汽技術(shù)

高壓缸采用單流程，取消部分進汽的噴嘴調(diào)節(jié)，改為滑壓及全周進汽，使第一級動靜葉片的最大載荷大幅下降，提高了高壓缸的效率。西門子采用獨有的補汽調(diào)節(jié)技術(shù)，在主汽門后配置補汽調(diào)節(jié)閥，在大于額定流量時由該閥補汽進入高壓第5級后做功，補汽技術(shù)可使額定負荷及低負荷同時處于最佳狀態(tài)，而且使滑壓運行的機組能在無節(jié)流狀態(tài)下具備調(diào)峰功能?！叭苓M汽+補汽技術(shù)”的模式解決了低負荷時具備和保持額定負荷下的高效率以及非節(jié)流狀態(tài)下的調(diào)峰功能，提高了第一級葉片的安全可靠性，從根本上消除了噴嘴調(diào)節(jié)運行中存在的超超臨界參數(shù)汽流激振問題。

3.2 切向進汽及斜置靜葉

高壓缸、中壓缸進汽第一級都采用低反動度葉片級，降低進入轉(zhuǎn)子動葉的蒸汽溫度。獨特的無導(dǎo)汽管的主汽、再熱蒸汽調(diào)閥設(shè)計，于汽缸兩側(cè)落地式布置，采用切向進汽方式，第一級靜葉斜置結(jié)構(gòu)，降低了進汽損失，有利于避免硬質(zhì)顆粒沖蝕。

3.3 動靜葉片設(shè)計

高中壓所有動靜葉片采用全三維彎扭葉片，減少二次流損失，從氣動學(xué)角度以最佳的氣流特性決定各級的反動度，而不是選取相同的反動度犧牲部分級的氣動性能，有利于提高整個缸效率。

除低壓缸末級葉片以外，所有的高壓缸、中壓缸及低壓缸葉片全部采用帶T型葉根的整體圍帶結(jié)構(gòu)型式，葉片采用預(yù)扭安裝技術(shù)，使單個葉片成為整圈連接，根本上改變了運行時葉片的振動特性，大幅度降低葉片的動應(yīng)力，大大提高了機組的安全可靠性。

高中壓缸有多道汽封，包括各級葉片的轉(zhuǎn)子部位也裝有汽封，形成較大的漏氣阻尼，有利于減少汽流激振。

4 扭振特性

大型汽輪發(fā)電機組與大電網(wǎng)之間的耦合作用，例如電網(wǎng)頻率異常波動、發(fā)電機三相不平衡或短路、汽機甩負荷等，可能會引起發(fā)電機定子與轉(zhuǎn)子間的力矩急劇變化，這些激振力可能導(dǎo)致大型發(fā)電機組軸系產(chǎn)生與其固有扭振頻率一致的諧振，這種諧振必然導(dǎo)致不穩(wěn)定的劇烈的扭振。這種機電耦合作用造成的扭振問題輕則導(dǎo)致汽輪發(fā)電機組軸系的扭振疲勞損傷及壽命損耗，重則引起軸系的斷裂和設(shè)備的破壞，甚至?xí){到電網(wǎng)的穩(wěn)定與安全。

從扭振機理上分析，要抑制和避免大型汽輪發(fā)電機組的扭振主要分2個方面，一是從電網(wǎng)系統(tǒng)改進，減少電網(wǎng)瞬變過程對機組軸系的激勵和沖擊;二是從汽輪發(fā)電機組軸系調(diào)整入手。在機組軸系在設(shè)計時，對軸系的扭振固有頻率進行計算分析和調(diào)整，保證機組軸系避開嚴(yán)重的共振工況。根據(jù)機組軸系扭振頻率計算方法及汽輪發(fā)電機組各轉(zhuǎn)子質(zhì)量及轉(zhuǎn)動慣量等參數(shù)〔6〕(見表3)，計算上汽西門子1000 MW超超臨界汽輪發(fā)電機組軸系的前六階固有扭振頻率分別為14，21，29，56，67，136及146 Hz。機組的正常工作頻率為50 Hz，周波允許范圍為47.5～51.5 Hz，該型機組軸系固有頻率避開了1/2倍工頻、工頻、2倍工頻及3倍工頻，滿足軸系扭振固有頻率的設(shè)計準(zhǔn)則。

表3 汽輪發(fā)電機組各轉(zhuǎn)子質(zhì)量及轉(zhuǎn)動慣量

5 結(jié)論

上汽西門子1000 MW超超臨界汽輪發(fā)電機組采用多項先進技術(shù)，使軸系具有非常良好的穩(wěn)定性和振動特性，滿足超超臨界參數(shù)下大型機組的安全穩(wěn)定可靠運行。

5.1 采用單軸承N+1支承模式，縮短了汽輪發(fā)電機組的軸系長度，有利于安裝、維護和檢修，能夠最大限度地減少基礎(chǔ)變形或者軸承故障對軸系穩(wěn)定性的影響;

5.2 改進的橢圓瓦技術(shù)，軸承比壓高，軸承穩(wěn)定性好;軸承座落地式設(shè)計，最大限度減小低壓缸膨脹及真空等運行參數(shù)變化對軸承標(biāo)高、軸系中心的影響;

5.3 膨脹及滑銷系統(tǒng)，采用缸體落地設(shè)計、推拉桿、波紋管補償器及低摩擦合金技術(shù)，轉(zhuǎn)子及內(nèi)外汽缸膨脹順暢，并且動靜差脹小，軸系中心穩(wěn)定;

5.4 全周進汽、補汽閥、斜置靜葉及汽封結(jié)構(gòu)，從根本上消除了噴嘴調(diào)節(jié)運行中存在的超超臨界參數(shù)汽流激振問題;

5.5 軸系扭振設(shè)計及調(diào)頻處理，使該型機組軸系扭振固有頻率避開了可能產(chǎn)生共振的頻率范圍，滿足軸系扭振固有頻率的設(shè)計準(zhǔn)則。

〔1〕朱寶田.三種國產(chǎn)超超臨界1000 MW機組汽輪機結(jié)構(gòu)設(shè)計比較〔J〕.熱力發(fā)電，2008，(37)2:1-8.

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〔5〕上海汽輪機有限公司.超超臨界1000 MW等級汽輪機本體培訓(xùn)教材〔S〕.

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