Arabelle型核电汽轮发电机轴系振动与密封瓦运行状态分析.pdf
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1、第 52 卷 第 10 期 Vol.52 No.10 2023 年 10 月 THERMAL POWER GENERATION Oct.2023 修 回 日 期:2023-07-11 基 金 项 目:西安热工研究院有限公司众创/研究开发基金(GB-22-TYK23);中国华能集团有限公司总部科技项目(HNKJ21-H59)Supported by:Mass Innovation/Research and Development Fund of Xian Thermal Power Research Institute Co.,Ltd.(GB-22-TYK23);Science and Tech
2、nology Project of China Huaneng Group Co.,Ltd.(HNKJ21-H59)第一作者简介:张恒(1988),男,硕士,工程师,主要研究方向为旋转设备轴系振动故障诊断及处理,。DOI:10.19666/j.rlfd.202307387 Arabelle 型核电汽轮发电机轴系振动与 密封瓦运行状态分析 张 恒1,张卫军1,胡启龙1,李 振2,张立军3,赵 博1(1.西安热工研究院有限公司,陕西 西安 710054;2.福建福清核电有限公司,福建 福清 350318;3.辽宁红沿河核电有限公司,辽宁 大连 116000)摘要以某百万千瓦级核电半速汽轮发电机组为
3、研究对象,采用转子动力学的专业分析软件ARMD,建立弹簧基础-轴承-转子的动力学模型,通过动力学计算获得轴系动力学特性,现场实测轴系临界转速与计算值吻合,验证了该计算模型的准确性。在此基础上计算了发电机密封瓦热不平衡导致的振动响应,发现其振动变化主要集中于发电机转子处,密封瓦动静摩擦仅是轴系振动波动问题的直接影响因素之一,而非根本原因。同时对不同运行状态下密封瓦油膜受力进行分析,发现轴向倾斜对密封瓦受力影响最大,因此机组在检修调整过程中应保证加工及安装工艺,严防密封瓦运行过程中出现轴向倾斜。关键词核电汽轮机;振动波动;密封瓦;轴向倾斜;ARMD 软件 引用本文格式 张恒,张卫军,胡启龙,等.A
4、rabelle 型核电汽轮发电机轴系振动与密封瓦运行状态分析J.热力发电,2023,52(10):138-143.ZHANG Heng,ZHANG Weijun,HU Qilong,et al.Analyse on shafting vibration and operating state of sealing pad of Arabelle type nuclear power turbo generatorJ.Thermal Power Generation,2023,52(10):138-143.Analyse on shafting vibration and operating s
5、tate of sealing pad of Arabelle type nuclear power turbo generator ZHANG Heng1,ZHANG Weijun1,HU Qilong1,LI Zhen2,ZHANG Lijun3,ZHAO Bo1(1.Xian Thermal Power Research Institute Co.,Ltd.,Xian 710054,China;2.Fujian Fuqing Nulear Power Co.,Ltd.,Fuqing 350318,China;3.Liaoning Hongyanhe Nulear Power Co.,Lt
6、d.,Dalian 116000,China)Abstract:Taking a million kilowatt nuclear power half speed steam turbine generator set as the research object,a dynamic model of spring foundation bearing rotor is established by using the rotor dynamics professional analysis software ARMD.The dynamic characteristics of the s
7、hafting are obtained through dynamic calculation and analysis.The accuracy of the calculation model is verified by the coincidence of the field measured critical speed of the shafting and the calculated value.On this basis,the vibration response caused by the thermal imbalance of the seal pad of the
8、 generator is calculated.It is found that the vibration changes are mainly concentrated at the rotor of the generator,and the thermal imbalance of the seal pad is only the direct influence factor of the vibration fluctuation of the shaft system,but not the root cause.At the same time,the oil film st
9、ress of the seal pad under different operating conditions is analyzed,and it is found that the axial inclination has the greatest impact on the stress of the seal pad.Therefore,the processing and installation process shall be ensured during the maintenance and adjustment of the unit to prevent the s
10、haft system deflection during the operation of the seal pad.Key words:nuclear turbine;vibration fluctuation;sealing pad;axial deflection;ARMD software 近年来,我国核电事业发展迅猛,截至 2022 年,已有 53 台机组在运,其中 Arabelle 型机组达到 24 台,占比接近一半,在现在及未来很长时间内该型核电机组将是我国核电的主力机型之一。据不完全统计,目前 24 台已投产 Arabelle 型机组中已有 10 台发生过轴系振动周期性波动现
11、象。第 10 期 张 恒 等 Arabelle 型核电汽轮发电机轴系振动与密封瓦运行状态分析 139 http:/ 表现为运行过程中多个轴承振动幅值和相位均呈周期性变化,每个波动周期大约 45 h,重复性好,且长期存在。从波动位置看,机组全轴系均存在振动波动,但主要集中在发电机侧,发电机和相邻的低压转子波动最大,高压侧轴振波动较小。振动波动发生时,发电机密封油参数(流量和压力)也存在周期性波动,二者波动周期一致。检修中发现密封瓦及对应轴颈存在摩擦痕迹,对密封瓦进行精加工,严格控制安装工艺对周期性波动有抑制作用1-3,即周期性波动与密封瓦摩擦(或温黏效应)存在直接关联,但其根本原因及影响因素尚不
12、明确。振动波动的发生对机组安全运行造成了威胁,同时故障机理不明确也给检修工作带来很大的不确定性。本文基于三低压缸结构的Arabelle 型百万千瓦级核电半速汽轮发电机组轴系及密封瓦数学模型,对振动波动的影响因素进行计算研究,希望为后续振动波动治理及密封瓦检修工作提供重要参考信息。1 机组轴系及密封瓦简介 Arabelle 型机组汽轮机是单轴、中间再热四缸(高中压合缸)六排汽、凝汽式、1 000 MW 等级的核电半速型汽轮机,采用静态无刷励磁。机组轴系是由 1 根高中压转子(HP IP)、3 根低压转子(LP)、1 根发电机转子(GEN)以及各转子按双支承方式支撑的 10 个可倾瓦轴承组成,机组
13、全长 62.9 m。其轴系结构如图 1 所示。机组使用的是弹簧基础,由底板、27 根立柱及顶板组成,立柱及顶板间加入了弹簧隔振器,共使用了TK和TVEK 2 个系列共 4 种型号的弹簧隔振器。图 1 机组轴系结构 Fig.1 Structural diagram of unit shafting Arabelle 型机组发电机密封瓦采用单流环结构,密封油从密封瓦块和密封瓦座之间的腔室注入,通过密封瓦块间隙,并从瓦块和大轴之间的间隙流出,从而阻隔发电机膛内的氢气和外部空气,起到密封作用。密封瓦结构如图 2 所示。2 轴系动力学计算及密封瓦受力分析 2.1 数学模型及算法 汽轮发电机组的轴系是一个
14、质量连续分布的弹性系统,具有无穷多个自由度,离散化处理后,可将其看作有限自由度系统来分析。相较于传递矩阵法,有限元法分析转子动力学特性的计算精度更高4-5。图 2 密封瓦结构示意 Fig.2 Structural diagram of sealing pad 本文使用高级旋转机械动力学(advanced rotating machinery dynamics,ARMD)软件对机组轴系进行动力学分析,轴系动力学计算中先对 10 个支撑轴承进行建模计算,得到其动力学特性参数曲线,然后将轴系 5 根转子模化。出现振动波动的机组与常规火电机组不同,均采用弹簧基础作为支撑方式,因此将弹簧基础模型的计算结
15、果(参振质量、支撑刚度及阻尼)作为轴承的支撑条件,建立弹簧基础-轴承-转子的动力学模型进行综合计算分析。2.1.1 弹簧基础模化 Arabelle 型核电半转速汽轮机组使用弹簧减震基础,建立弹簧基础的动力学模型进行计算,得到弹簧基础横梁中点(支撑轴承安装位置)的动刚度曲线。2.1.2 支撑轴承模化 Arabelle 型核电半速汽轮发电机组采用 3 瓦块可倾瓦支撑轴承,同一轴承的 3 块瓦块包角、槽角大小和支点比例各不相同,需要建立不对称轴承模型。通过计算轴承特性,可以得出可倾瓦轴承的特性系数曲线(即 4 个油膜刚度系数和 4 个油膜阻尼系数),并求出可倾瓦轴承的油膜压力分布等。2.1.3 转子
16、的模化 汽轮发电机组轴系建模时把各转子模化为离散的数学模型,由离散的等厚叶轮、具有分布质量和弹性的轴段组成,通过应变能法得到等效刚度具有更高的精度,并与实测值相关性较好6-9,核电汽轮机组焊接空心段转子的等效刚度就是采用应变140 2023 年 http:/ 能法提前求得。建模时将轴系离散成 236 个轴段、附加 50 个转动惯量的动力学模型。如图 3 所示。图 3 3D 转子模型 Fig.3 3D turbo shafts 2.1.4 基础-轴承-转子动力学模型 将弹簧隔振器上方的水泥台板及其上的固定设备作为基础参振质量,水泥台板横梁中心处的动刚度作为基础动刚度用以支撑轴承,并计入弹簧隔震器
17、的阻尼,可以建立弹簧基础-可倾瓦轴承-转子系统的动力学模型10-13,如图 4 所示。图 4 中 mi为转子在第 i 个支座处的集中质量,mfi为基础的参振质量,ki和 ri分别为轴承油膜的刚度和阻尼,基础的轴承油膜刚度系数为 kfi,阻尼系数为 rfi。图 4 动力学模型 Fig.4 dynamical model 2.2 模型验证 求解模型的运动方程,在计算时计入转子的陀螺效应,求出轴系的前 6 阶临界转速,结果见表 1。机组启停机过程中实测所得的临界转速区间见表 2。由表 1、表 2 可以看出,计算值与实测值基本符合,说明所建模型与算法精确度满足工程要求。表 1 各转子临界转速计算值 T
18、ab.1 Each rotor critical speed calculated values 阶次 高中压转子/(r min1)1 号低压转子/(r min1)2 号低压转子/(r min1)3 号低压转子/(r min1)发电机转子/(r min1)一阶 943 1 098 1 092 1 053 874 二阶 2 812 表 2 各转子临界转速实测值 Tab.2 Measured values of each rotor critical speed 阶次 高中压转子/(r min1)1 号低压转子/(r min1)2 号低压转子/(r min1)3 号低压转子/(r min1)发电机
19、转子/(r min1)一阶 9001 000 1 0001 200 1 0001 200 1 0001 200 8001 050 二阶 2.3 轴承标高或弹簧基础刚度变化时轴系振动响应 与常规火电机组不同,Arabelle 型核电半速汽轮发电机组均采用弹簧基础,环境温度变化导致弹簧温度变化时,可能会影响到弹簧的支撑刚度及伸缩量,支撑刚度变化或弹簧伸缩导致的轴承标高变化会引发轴系振动变化,因此需要分析周期性的环境温度变化对轴系振动周期性波动的影响。在转子模型的不同节点随机施加不平衡质量(表 3),以模拟正常运行状态下的轴系振动,计算其振动响应。调整模型中支撑弹簧刚度至原刚度的 50%时(实际环境
20、温度变化范围内导致的弹簧刚度变化量小于 10%),其余参数不变,将变化后支撑动刚度计入基础-轴承-转子模型中计算转子振动变化。计算结果发现,工作转速下(1 500 r/min)弹簧刚度变化对轴系所有轴瓦振动的影响均小于 1 m,与实测振动波动幅度不相符。表 3 不平衡质量分布 Tab.3 Unbalanced mass distribution 位置 质量/(kg mm)角度/()3 号低压转子末级叶片(调端)200 0 3 号低压转子次末级叶片(调端)200 100 3 号低压转子中部 400 180 3 号低压转子次末级叶片(电端)200 280 3 号低压转子末级叶片(电端)200 0
21、发电机转子风扇环(调端)300 50 发电机转子中部 500 150 发电机转子风扇环(电端)300 230 机组周期性波动振动变化最大的位置出现在低压转子与发电机转子连接处(8 号和 9 号轴承),将 8 号和 9 号轴承所在的横梁标高在模型中抬高 第 10 期 张 恒 等 Arabelle 型核电汽轮发电机轴系振动与密封瓦运行状态分析 141 http:/ 1 mm,在其他参数均相同的前提下,重新计算油膜力及轴系振动响应。计算结果显示轴系振动变化最大的是 8 号轴瓦振动,其振动变化如图 5 所示。由图 5 可以看出,1 500 r/min 的运行转速下 8 号轴瓦振动变化量在 5 m 左右
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