汽轮机动静间隙对经济性与安全性的影响

第45卷第1期汽轮机技术Vol.45No.12003年2月TURBINETECHNOLOGYFeb.2003汽轮机动静间隙对经济性与安全性的影响张艾萍1，暴丽2，叶荣学1（1东北电力学院，吉林132012；2吉林热电厂，吉林132021）摘要：分析了汽封间隙对机组振动的阻尼作用及其阻尼系数与振幅的关系。根据分析可知，汽封间隙不仅影响机组经济性，而且对机组振动也有很大的阻尼作用。关键词：汽轮机组；汽封间隙；摩擦阻尼分类号：TK263．2文献标识码：A文章编号：1001—5884(2003)01-0023-02InfluenceaboutClearanceofRotorandStatorofTurbineforEconomyandSafetyofTurbineZHANGAi-ping1，BAOLi2，YERong-xue1(1DepartmentofThermalPowerEngineering，NortheastChinaInstituteofElectricPowerEngineering，Jilin132012，China；2JilinHeatPowerPlant，Ji1in132021，China)Abstract：Itisanalyzedthatclearanceofglandsealhasdampingactiontovibrationoftheunit，andrelationshipofamplitudeanddampingcoefficientofthemjsanalyzed．Accordingtoanalysis，clearanceofglandsealnotonlyinfluenceseconomyoftheunit,buthasverydampingactiontovibration．Keywords：turbineunit；frictiondamp；clearanceofglandseal0前言汽轮机是山转子和静子两部分组成的高速旋转机械，动静之刊的间隙对汽轮机组的安全性和经济性有很大影响。汽轮机动静之间的间隙包括轴颈与轴瓦之间的间隙和隔板汽封与大轴之间的间隙、轴封间隙以及动叶栅与汽缸之间的间隙，其中轴颈与轴瓦之间的间隙仅影响机组的安全性，而其它几部分间隙不对机组的安全性有影响，而且对机组的经济性也有很大影响。1汽封间隙与汽轮机相对内效率的关系影响汽轮机内效率的因素很多，例如喷嘴损失，动叶损失，余速损失，摩擦损失及漏汽损失等，但是对于已经运行的机组，影响效率主要因素是运行工况及漏汽损失，更确切的说，影响效率的主要因素是汽封间隙的变化，根据文献[1]提供的统汁资料，高压汽轮机汽封间隙每增加0.05mm，使级效率下降0.4%-0.6%。由此不难看出，级效率变化与汽封间隙变化可以近似用下式表示：0.05Δδs=（ηoi-ηoi´,）0.005(1)其中，ηoi为应达效率；ηoi‘为实测效率。根据汽轮机原理知道，汽轮机效率公式为：h0-h1ηoI‘=h0-h1t（2）其中，h0为入口蒸汽焓；h1为出口蒸汽焓；h1t为理想出口蒸汽焓。由公式(2)求出效率ηoi‘代入公式(1)便可求出汽封间隙变化值，如果求的是汽缸的效率ηoi´,，则汽封间隙变化值是缸内各级汽封平均变化值。为了求得—个级组汽封间隙变化值，可用级组入口、出口参数求得级组效率，之后代入公式(1)，求得级组内汽封平均变化值。这里应该指出，在汽封间隙变化同时又有结垢现象时，在计算效率时应扣除结垢对效率的影响，表1是对某电厂200MW的计算结果。汽轮机技术表1某200MW汽轮机效率与汽封间隙变化值序号项目单位高压缸中压缸低压缸1设计效率%85.990.584.52实测效率%81.8481.0974.863汽封间隙变化值mm0.5060.90.964在大修解体时测量的结果与计算所得的汽封间隙变化值基本一致2汽轮机动静间隙对轴系振动的影响几乎所有的汽轮机转子都都存在质量偏心或动不平衡，那么在机组启动和带负荷运行时，避免不了要激发振动，特别是在通过临界转速时，振幅会急剧增加，根据转子广的幅频特性可知，理论上此时的振幅为无穷大，但由于轴承、轴封和汽封等动静间隙中的阻尼作用，其实际振幅虽有增大，但不会很大。为了说明汽封的阻尼作用，下面用一个汽封简易结构图(图1)加以说明。图1汽封结构图转轴与阻汽片有一定间隙δs。，轴封入口汽压汽温用p0t0表示，出口汽温用p2t2表示，p2p0、t2t0，在正常运行工况下，有少量蒸汽流过汽封。轴颈四周汽压相等，作用在轴颈上的力相互抵消。当轴颈振动时引起汽封间隙发生相反方向变化，在振幅增加一侧间隙减小压力升高，相反一侧是间隙增加压力下降，在轴颈两测形成压力差，即产生径向作用力，此力刚好阻止轴振幅的增加，即产生了阻尼作用，除此之外，在轴颈振动时还有粘性阻尼作用和阻汽片的碰摩阻尼作用。这个阻尼作用大小可用阻尼系数C(N·s／cm)表示。由于沿轴颈圆周方向汽流是连通的，因此当汽封间隙变化时所产生压力差很难计算。根据阻尼的物理特性分析，阻尼系数C大小与汽压汽温、轴封齿数、轴颈长度有关。根据文献[2]推荐，一个具有38个阻汽片的汽封，其压力为40kg／cm2，其阻尼系数C=8.3N·s／cm。为了进一步分析阻尼系数对临界共振振幅的影响，引用最大振幅x的公式[3]：x=eλ(1-λ2)2+(2ξλ)2(3)式中，e为偏心距，mm；λ=ω/ωc为速比；ωc为临界角频率；ω为转动角频率；ξ=c/cc为阻尼比；CC，为临界阻尼比，大型机组CC=936．3N·s／cm。根据上述汽封阻尼比ξ=c/cc=8.3/936.3=0.00886，根据文献[3]推荐，大型汽轮发电机的多油楔轴承阻尼比ξ=0，04—0．05，将高压汽封阻尼比0.0086计人之后，高压转子的阻尼比ξ=0.05886，由此算出，汽封阻尼比占总阻尼比15％。由式(3)可知，由于汽封阻尼作用可使过临界转速时振幅减小15％。汽封阻尼作用的结论可用启机过程振幅变化特性得到证明，某电厂600MW启机过程振幅变化特征如表2所列[4]表2某电厂600MW启动过程振幅值名称高压缸轴振µm中压缸瓦振µm低压缸瓦振µm发电机轴振µm励磁机轴振µm轴承号1234789101112过临界10.74.26.57.811.711.960681003000r／min10.27.813.14.235.71l.2203030由上表所列数据可以看出，汽机侧过临界转速时振幅与3000r/min振幅相比普遍较小，而发电机、励磁机侧普遍较大，其主要原因是汽机轴端及隔板均装有汽封，使过临界转速时振幅减小，由同一组由上表所列数据可以看出，汽机侧过临界转速时振幅与3000r?min振幅相比普遍较小，而发电机、励磁机侧普遍较大，其主要原因是汽机轴端及隔板均装有汽封，使过临界转速时振幅减小，由同一组数不难看出，高中压缸汽封阻尼作用比低压缸汽封阻尼作用大。根据非线性系统振动模态分析可知，动静间隙中的等效阻尼系数与轴系振动幅值的关系为：A：；4F：(4)其中，A为振幅；F阻尼力；Ce为等效阻尼系数；oJ为转子振动角频率。由于动静间隙的结构形状的不同，以及间隙中存在的流体的状态的不同，等效阻尼系数Ce也不同。2．1轴封和汽封间隙等效阻尼系数汽轮机技术数不难看出，高中压缸汽封阻尼作用比低压缸汽封阻尼作用大。根据非线性系统振动模态分析可知，动静间隙中的等效阻尼系数与轴系振动幅值的关系为：A=4F/πωCe（4）其中，A为振幅；F阻尼力,Ce为等效阻尼系数；ω为转子振动角频率。由于动静间隙的结构形状的不同，以及间隙中存在的流体的状态的不同，等效阻尼系数Ce也不同。2.1轴封和汽封间隙等效阻尼系数汽轮机汽缸轴封和隔板及动叶顶部的汽封间隙中充满不同参数的蒸汽，因此在转子旋转时，这些蒸汽和转子之间存在摩擦，形成粘性阻尼，阻尼系数为：πη(nbD21D22)Ce=(5)(D21-D22)其中，η为蒸汽动力粘度，n为汽封或轴封齿数，b为阻汽片宽度，mm；D1为汽封或轴封外径，mm；D2为汽封或轴封内径，mm。由公式(4)可知，当汽封间隙(D1-D2)／2增大时，阻尼系数减小，反之则增大。当汽封间隙太小时或振动太大时，阻汽片和转子之间的间隙几乎为零，此时发生干摩擦，使阻尼系数大大增加，从而改善机组的振动。但是当摩擦严重时，会使阻汽片严重磨损，增加漏汽，使机组经济性下降；另外，由于严重摩擦使转子局部受热，形成热弯曲，加重转子的振动，振动的加剧又使摩擦加重，从而形成恶性循环，甚至导致机组产生严重事故，应引起注意2.2径向轴承的等效阻尼系数汽轮机的径向轴承支撑着整个转动部分的重量，为了减少磨损，轴颈与轴瓦间有润滑油膜，油膜对轴颈产生摩擦力，形成摩擦阻尼，阻尼系数为：πηl(D1+D2)3Ce=2(D1-D2)(6)其中，η为油膜动力粘度；l为轴瓦长度；D1为轴瓦内径，mm;D2为轴颈外径，mm。当轴承中的直径间隙(D1-D2)增大时，其阻尼系数减小，反之则阻尼系数增大。同样也要注意轴承中的油膜厚度的变化，避免出现干摩擦，否则会造成轴瓦钨金磨损或脱落，严重时会引发重大事故。根据式(4)、(5)和(6)可知，当汽轮机的动静间隙减小时，摩擦阻尼系数增大，转子振幅减小；同时汽封漏汽量减小，机组经济性提高。否则振动加剧，经济性降低。因此，为了提高机组经济性和改善振动特性，需要将汽封间隙、轴封间隙和轴承中的间隙调小。但是间隙太小，会引发严重摩擦，导致重大事故，必须同时兼顾两方面的影响，确定出动静间隙的最佳数值。3结论综上所述，可以得出如下结论：(1)汽封间隙和轴封间隙不仅影响汽轮机的经济性，而且对机组的振动特性也有影响，当间隙增大时，漏汽量增加，机组经济性降低；间隙中的蒸汽对转子的阻尼作用减弱，振动幅值增大，反之，则经济性提高，振幅减小，特别是过临界转速时的振幅数值大大减小。(2)汽封中蒸汽状态参数不同，其阻尼作用也不同。蒸汽参数越高，其阻尼作用越大。(3)径向轴承润滑油膜对汽轮机转子的阻尼作用大于汽封间隙中蒸汽的阻尼，而且油膜刚度对转子振动也有影响。(4)由于汽封阻尼作用可使过临界转速时振幅减小15％。参考文献[1]吉林热电厂．高压汽轮机检修[M]。北京：水利电力出版社，1978[2]冯和平，张瑞林．迷宫密封引起的气流白激力及其对转子轴承稳定性的影响[C]．第二届全国机械设备故障诊断学术会议论文集，1988[3]屈维德，机械振动手册[M]．北京：机械工业出版社，1992[4]张素心等．吴泾600MW机组轴系振动特性分析[C]．第六届汽轮机学术年会论文集，2001