22.5MW给水泵汽轮机高速转子特性分析.pdf

第 4 O卷第 4期 2 0 1 1 年 1 2月 V0 1 ． 4 0 NO ． 4 De c． 2 0 1 1 2 2 ． 5 MW 给水泵汽轮机 高速转子特性分析 张琪 ， 张红梅 ( 1 ． 上海交通大学机械与动力_ Y - 程学院， 上海 2 0 0 0 3 0 ； 2 ． 上海电气电站设备有限公司上海汽轮机厂， 上海 2 0 0 2 4 0 ) 摘要： 以配套 1 0 0 0 MW 等级超超临界汽轮发电机组的2 2 ． 5 MW给水泵汽轮机为研究对象， 介绍了该给水泵 汽轮机转子“ 功率高、 推力大、 转速范围广” 的特性及开发难点。通过对转子进行 离散模化并利用传递矩阵 法， 分析研究了转子结构中各 因素对其临界转速的影响及敏感性， 并进一步分析 、 计算了对转子轴向推力的联 带影响。论文最终通过对转子推力及动力学特性的协调性研究， 得 出了缓解转子轴向推力和临界转速互相矛盾 的结果； 证明单缸单流结构仍然能够适用于2 2 ． 5 MW等级给水泵汽轮机， 并保证其安全、 稳定、 高效的运行。 关键词 ： 给水泵汽轮机 ； 转子 ； 临界 转速 ； 轴 向推力 中图分类 号 ： T K 2 6 3 ． 6 1 文献标 识码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 2— 5 5 4 9 ( 2 0 1 1 ) 0 4— 0 2 5 8— 04 Ana l y s i s o f 2 2． 5 M W BFPT Hi g h S p e e d Ro t o r Z H A NG Q i ． - ． Z H A N G H o n g ． me i ， ( 1 ．S c h o o l o f Me c h a n ic a l E n g i n e e r i n g ， S h a n g h a i J ia o t o n g U n i v e r s it y ，S h a n g h a i 2 0 0 0 3 0， C h i n a ； 2 ．S h a n g h a i E l e c t r ic P o we r G e n e r a t i o n E q u i p me n t Co ． ，L t d ．S h a n g h a i T u r b i n e P l a n t ， S h a n g h a i 2 0 0 2 4 0， C h i n a ) Abs t r a c t ： T h e d e s c rip t i o n i s ma d e f o r 2 2 ． 5 MW B F P T o f 1 0 0 0 MW US C p o we r p l a n t ．I t f e a t u r e s“ h i g h e r l o a d ”， “ l a r g e r t h r u s t ’ ’a n d “ w i d e r a n g e o f s p e e d ” ． B y u s i n g t r a n s f e r ma t r i x me t h o d ．c a l c u l a t i o n s a n d a n a l y s i s a r e ma d e t o i n v e s t i g a t e t h e s t ruc t u r e e f f e c t a n d s e n s i t i v i t y o n t h e r o t o r c ri t i c a l s p e e d a n d a x i a l t h rus t f o r c e ．T h e c o n fl i c t b e t w e e n t h e a x i a l t h r u s t f o r c e a n d t h e c ri t i c a l s p e e d i s we l l s o l v e d b y a p p l y i n g t h e r e s e a r c h r e s u l t o f h a r mo n i z a t i o n b e t w e e n t h rus t f o r c e a n d d y n a mi c c h ara c t e r o f r o t o r ．I t i s p r o v e d t h a t t h e d e s i g n o f s i n g l e c a s i n g a n d s i n g l e fl o w i s s t i l l s u i t a b l e t o 2 2 ． 5 MW B F a n d t h a t t h e r e l i a b i l i t y ．s t a b i l i t y a n d h i g h e f f i c i e n c y o f t h i s B F P T c a n a l s o b e g u a r a n t e e d ． Ke y wo r d s ： BF P T；r o t o r ；c r i t i c a l s p e e d；a x i a l t h ru s t f o r c e 超超临界 1 0 0 0 Mw 汽轮发电机组 以其高效 、 清洁、 经济性高的优点， 为国内外用户所青睐， 如 今已成为火力发 电产业 的主力军， 同时也为与其 配套的 2 2 ． 5 MW 驱动锅炉给水泵汽轮机提供 了 广大 的市 场 。 然而， 在历代给水泵汽轮机 中， 2 2 ． 5 MW 等级 机组已将单缸单流的汽轮机结构利用至极限 ， 巨 大的转子推力和广泛的变速范围使得机组研发的 难度达到了顶峰 ， 因此 ， 能否解决转子轴 向推力 、 临界转速这两个互相影响、 互相制约的难题， 成为 决定 2 2 ． 5 MW 给水泵汽轮机研发成功与否 的关 键。若不能解决这个关键问题， 则只能考虑采用 双流汽轮机来平衡推力， 这势必大大增加汽轮机 的制造成本， 使之丧失市场竞争力。 简单来说 ， 由于机组为单缸 、 单流的冲动式机 组 ， 无法像大型机组 的反流式高 中压缸 或双流式 低压缸那样靠蒸汽的双向流动来平衡轴 向推力 ， 故转子的轴向推力非常大； 此外 ， 由于给水泵汽轮 机工作性 质 的特殊性 ， 机组 的额 定转 速范 围为 2 8 0 0 r ／ ra i n至 6 0 0 0 r ／ m i n ， 转 速变化范 围大且变 化频繁 ， 要求一 、 二阶临界转速的避开范围也特别 广 ； 上述要求直接导致转子设计 开发过程 中“ 牵 一 发而动全身” 的微妙局 面： 即转子结构满足 了 轴向推力， 临界转速却无法合格 ； 或临界转速达标 了， 轴向推力又偏大。 本文旨在通过分析计算 ， 比较各种 结构和因 素对转子轴向推力、 临界转速的影响， 找出并调整 影响临界转速和轴 向推力的敏感 因素 ， 以保证 同 收稿 日期 ： 2 0 1 1 —0 3—2 3 修订 日期 ： 2 0 1 1—1 0—0 9 作者简介 ： 张琪( 1 9 8 1一) ， 男 ， 工程 师， 2 0 0 3年毕业 于上海交通大学热能与动力工程专业 ， 现攻读上海交通 大学机械与动 力工程学院动力 工程的工程硕士学位 ， 长期从事蒸汽轮机的设计 开发工作 。 圆I 11 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 2 ． 5 MW 给水泵汽轮机高速转子特性分析 热力透平 时满足转子轴 向推力 、 临界转速 的设计 要求 ( 根 据国家标准 G B ／ T 2 2 0 7 3— 2 o 0 8 《 工业用途热力涡 轮机一般要求》 ⋯ 中的有关规定 ) ， 以证明单缸单 流设计仍能应用于 2 2 ． 5 MW 给水泵汽轮机。 1 原理分析 1 ． 1 临界转速的分析研究 转子临界转速的分析采用传递矩 阵法 J ， 把 离散了的圆盘 、 轴段 、 支承等若干部件用力学的方 法建立部件两端截面状 态向量 间的传递关系 ， 再 利用连续条件求得转子在任意截面的状态向量与 起始截面状态 向量间的关 系， 通过对满足边界条 件的涡动频率的搜 索， 就可得 出转子 的各 阶临界 转速。在程序计算前 ， 先将截 面直径 随轴 向复杂 变化的转子进行模化 ， 使其变成由各 等直径轴段 组成的当量转子 ， 模化时按 4 5 。 规则计算变截面 轴段的等效抗弯刚度 。 1 ． 2 轴向推力的分析研究 对于转子轴向推力 ， 采用传统 的平衡活塞结 构加以平衡 ， 并考虑转 子动叶推力 、 动 叶围带推 力 、 叶轮推力 、 汽封齿推力 以及平衡活塞推力等 ， 将其进行物理叠加得到转子轴 向总推力 J 。转子 轴 向总推力 F = F + F2+ F3+ F4+ F s+ F6+ F1 其 中： F 为各级动叶受到的推力 ； F 2 为未完全开 启 阀门所对应的调节级动叶受到的推力 ； F 为各 级动叶围带上受到的推力 ； F 4为各级 叶轮受到的 推力 ， 参与计算 的叶根反动度取 “ 压力反动度 ” ； 为各级隔板汽封齿 以及端部汽封齿上受 到的 推力 ； F 为平衡活塞受到的正推力 ( 设 此单 流机 组蒸汽流动方 向为正向， 反之为负向， 下同) 。 如图 1 所示 ， 图中阴影部分 即为转子上 的平 衡 活塞部分 ， A面受到正向的推力( A面是 由直径 d 。 和 d 组成的环形 ， 面积为 ( d 一d ) r r ／ 4 ， 作用 于 A面的蒸汽压力为 P ) 。 ，为平衡活塞受到的负推力； 如图 1 所示， 图中阴影部分即为转子上的平衡活塞部分， B面 受 到指向负向的推力( B面是 由直径 d 和 d 组成 的环形 ， 面积为( d 。 一d ， ) ,r r ／ 4 ， 作用于 B面的蒸 汽压力为 尸 ) 。 图 1 转 子平衡 活塞不 意图 综上所述 ， 轴 向推力 的计算主要 由 ，． 至 这 7个部分叠加而成 。其 中 F ， 至 基本都为正 推力 ， F ， 为负推力 。所有的正推力几乎都是依靠 这项负推力来平衡 的， 所 以 所在 的这个平 衡活塞显得尤为重要 。 2 影响转子特性的结构敏感因素 首先以一个初步 的转子模 型为对象 ， 对影 响 转子临界转速的 因素作 出调整 ， 同时分析 比较上 述调整对转子轴 向推力的影 响程度 ， 找到既影 响 临界转速 ， 又与轴向推力密切相关的因素 ， 保证临 界转速和轴向推力均达到设计要求 。 2 ． 1 对初模型的分析 初模型的主要参数详见表 1 。如表 1 最后三 行的计算结果显示 ， 二阶临界转速偏低 ， 故需采取 措施提高转子的临界转速。论文致力于通过对转 子结构的微调来满足设计要求 ， 而不需通过研发 新轴承或改变轴承跨距等大改动来达到 目的。 表 1 转 子初模 型的各 项参数 项 目 单位 描述 备注 F il m 2 7 0 O ／ 2 0 0 ／1 O 0 k g 3 0 5 ． 7 6 mm 5 0 0 m m 5 7 3 详见 图 1 m m 2 2 0 详 见图 1 m m 2 9 4 详见 图 1 MP a ． a 0 ． 1 7 9 详见图 1 MP a ． a 0 ． 6 6 7 详见图 1 调节级 、 1～ 3压力级 轴承跨距／ 直径／ 宽度 末 级动 叶总质量 m 末级动 叶叶高 平衡 活塞的直径 d ． 前 汽封处 的轴径 d ， 隔板 汽封处轴径 d A面压力 P B面压力 P 叶轮平衡孑 L 数量 一 阶临界转速 二阶临界转速 极端轴 向正推力 20 2 8 7O 4 2 8 6． 0 3 要求 7 2 0 0 要求 <1 0 0 在初模型中已酌情采取了一些降低轴向推力 的措施 ， 包括设置叶轮平衡孑 L 、 大直径平衡活塞 、 ~ | 1 1 1 1 囡 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4期 2 2 ． 5 MW 给水泵汽轮机高速转子特性分析 降低各级压力反动度等。 2 ． 2 对临界转速的研究 理论分析表明， 隔板汽封处轴径 的加粗是对 该转子段等效抗弯直径 的提高 ， 能加强转子 的抗 弯刚度 ， 使临界转速上升。换句话说 ， 该处轴径加 粗对临界转速有提升作用 。 将转子初步模型中各级隔板汽封处的轴径 d 由2 9 4 m m提高至 3 1 4 m m。计算结果表明， 二阶临 界转速 比初模型上升 了 9 0 r ／ m i n ， 达 7 1 3 2 r ／ ra i n 。 同时 ， 一阶临界转速也上升至 2 1 0 5 r ／ m i n 。计算结 果与理论分析是一致的。 如果继 续将 各级 隔板 汽 封处 的轴径 d 由 3 1 4 mm 提高至 3 2 4 m m， 计算结果表明 ， 二 阶临界 转速仅上升了 1 8 r ／ m i n ， 达 7 1 5 0 r ／ ra i n 。一阶临界 转速上升至 2 1 2 1 r ／ m i n 。 由此可见， 虽然轴径加粗能提高转子刚度， 但 并非无 限地提 高。因为随着转子直径 的不断增 加 ， 转子的体积和 自重也在不断增加 ， 且增加幅度 很快 ， 这对转子刚度 的提高是不利的。也就是说 ， 随着轴径的增加 ， 总会存在一个 临界点 ， 使转子刚 度的提高效果越来越小 ， 甚至过了临界点后 冈 0 度 不再提高或者反而下降。由 d =3 2 4 mm时的结 果可 以看 出 ， 轴 径在 3 1 4 m m 基础 上 继 续增 大 1 0 mm 后 ， 对临界转速 的提高效果 已不明显 ， 仅上 升了 1 8 r ／ ra i n 。也就是说 ， d 在 3 1 4m m以后已不 再成为临界转速的敏感因素。 在找到了 d 的极限以后 ， 保持 d =3 1 4mm， 通过对末级动叶进行优化设计 ， 使其总质量比初 模型减轻 5 7 ． 1 k g ， 并再次分析临界转速 的变化。 计算结果详见表 2的最后一列 ， 二阶临界转速比 方案一上升了 1 0 8 r ／ mi n ， 达 7 2 4 0 r ／ mi n ； 一阶临界 转速上升至 2 1 5 0 r ／ m i n 。由此可见末叶片质量也 是影响临界转速的敏感因素之一。 表 2 结构敏感因素与临界转速联动计算汇总 以上计算结果 中， 一阶临界转速也 随二阶临 界转速联动 ， 但始终处于设计要求 2 6 6 0 r ／ m i n以 下 。 2 ． 3 对轴向推力的研究 众所周知， 由于蒸汽参数的不 同， 不同工况下 _ 圆 I l 鍪 的轴向推力也各异。为 了保证一致性 ， 通常选取 推力最大的危 险工况进行结构研究 ， 并在结构确 定后计算验证其推力是否为各工况中的最大值。 如 2 ． 2节所述， 通过将初模型的d 由2 9 4 m m增 大至 3 1 4 1T l ／ n ， 二阶临界转速 比初模 型有显著提高 ( 上升 9 0 r ／ m i n ) ， 但 d 的增大将导致 B面负推力 的减小， 经计算， 相对于初模型， 负推力的减少量 = J p B AS=0 ． 6 6 7( 3 1 4 一2 9 4 ) ,r r ／ 4= 6 ． 3 7 k N， 即 d =3 1 4 n l l T l 时转子轴向总推力 比初模型增加 了 6 ． 3 7 k N， 达 9 2 ． 4 k N 。 将 d 由3 1 4 m m再提高至 3 2 4m m， 经计算 ， 相 对于 d = 3 1 4 mm， 负推力 的减少量 =P X AS= 0 ． 6 6 7( 3 2 4 一 3 1 4 ) 4=3 ． 3 4 k N。由于 d 提 高至 3 2 4 m m后对临界转速的改善效果不明显 ， 而 正推力却仍旧大 幅增加 ， 故将 d 从 3 1 4 mm再提 高是不可取的 ， 可 以预计 ， 通过加大 d 来改善 临 界转速的效果将越来越小 ， 而推力将越来越大 ， 这 说明 d 已调整至接近其 极限值 。图 2表明了隔 板汽封处轴径 d 、 二 阶临界转速 、 轴 向推力三者 之间的联动关 系。 图2 转子 d 、 二阶临界转速、 轴向推力联动示意图 3 结论 论文针对 2 2 ． 5 MW 给水泵汽轮机转子“ 传递 功率高、 轴 向推力大 、 转 速范围广” 的开发难点 ， 通过转子离散模化 和传递矩阵法计算 临界转速 ， 找出了转子结构中对临界转速影响大 、 敏感性高 的因素， 并研究其局限性 ， 通过进一步分析研究其 对轴向推力的联带影响后 ， 得到以下结论 ： ( 1 ) 各级隔板汽封处轴径 d 在 3 1 4 mm以下 对临界转速影响显著 ， 在 3 1 4 m m 以上则效果甚 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 2 ． 5 MW 给水泵汽轮机高速转子特性分析 热力透平 微 ； ( 2 ) 轴 向推力始终随 d 的增加而显著增大 ； ( 3 ) 根据第一 、 第二点 ， d 不应超过 3 1 4 mm； ( 4 ) 末级动叶的优化减重也非常有利于提高 转子的二阶临界转速 ， 使之避开工作 转速有足够 的裕量 ； ( 5 ) 一 阶 临界 转 速虽 有 联 动 ， 却 始 终处 于 2 6 6 0 r ／ m i n 以下 ， 与工作转速避开足够的裕量 。 综上所述 ， 虽然 2 2 ． 5 MW 给水泵汽轮机转子 的推力大 、 转速范围广 ， 但是通过对转子关键结构 缜密的微调以及末级动叶的优化 ， 基本可以缓解 转子轴向推力 和临界转速二者互相影 响、 互相制 约的矛盾 。由此证明 ， 单缸单流的设计结构仍然 ( 上接第 2 4 4页 ) [ 5 4] D C h a n t e l o u p ，A B o l c s ．F l o w C h a r a c t e r i s t i c s in T w o - L e g I n t e r n a l C o o l a n t P a s s a g e s o f G a s T u r b i n e A i 咖i l s W i t h F i l m— C o o l i n g H o l e E j e c t i o n[ J ] ．AS ME J T u r b o m a c h i n e r y ，2 0 0 2， 1 2 4： 49 9 —5 0 7． [ 5 5 ]Y u n H e u n g J e o n ，S u k H w a n P a r k ，K y u n g Mi n K i m，e t a 1 ． E ffe c t s ofB l e e d F l o w o n H e a t ~ Ma s s T r a ns f e r i n a R o t a t i n g R i b - R o u g h e n e d C h a n n e l [ J ] ．A S ME J T u r b o ma c h i n e r y ，2 0 0 7， 1 2 9：63 6 —6 4 2． [ 5 6 ]K y u n g M i n K i m， S u k H w a n P a r k ， Y u n H e u n g J e o n ，e t a 1 ． He a t ~ Ma s s T r a ns f e r C h a r a c t e r i s t i c s i n A n g l e d R i b b e d C h a n n e ~ Wi t h V a r io u s B l e e d R a t ms a n d R o t a t i o n N u m b e r s 『 J ] ．A S ME J Tu r b o ma c h i n e r y，2 0 0 8．1 3 0：0 31 0 2 1—1—0 31 0 21—9 ． [ 5 7 ]S h y y Wo e i C h a n g ，T o n g - Mi n n L i o u，S h y r F u u C h i o u ．H e a t T r a n sf e r i n Hi g h - S p e e d R o t a t i n g T r a p e z o i d a l D u c t W i t h R i b R o u g h e ned S u rf a c e s a n dA i r B l e e d s F r o mt h e W a l l o n t h e A p i c a l S id e [ J ] ．A S ME J He a t T r a n s f e r ，2 0 0 8 ，1 3 0： 0 6 1 7 0 2—1— 0 61 7 0 2一l 3 ． [ 5 8 ]T o d d S G r i ff i t h ，L u a i A I — H a d h r a m i ， J e ． C h i n H a rt ． He a t T r a n sf e r i n R o t a t i n g R e c t a n g u l a r C o o l i n g C h a n nel s( A R =4) Wi t h Di m p le s [ J ] ．A S ME J T u r b o ma e h i n e r y ， 2 0 0 3， 1 2 5 ： 5 5 5— 5 64． [ 5 9]F i l i p p o C o l e t t i ，A l e s s a n d r o A r m e l l i n i ，T o n y A r t s ，e t a 1 ． A e r o t h e r ma l I n v e s t ig a t i o n of a R ib — R o u g h e n e d T r a i l i n g E @e C h a n n e l W i t h C r o s s i n g J e t s —P t I I ：H e a t T r a ns f e r A n a l v s [ J ] ．A S ME J T u r b o ma e h i n e r y ，2 0 1 1 ，1 3 3：0 3 1 0 2 4—1— 0 31 0 2 4 —8 ． [ 6 0 ]Ma r c o S c h il l e r ， F r a n k Z e h n d e r ， B e r n h a r d We i g a n d， e t a 1 ．T h e E f f e c t of S i d e Wa l l Ma s s E x t r a c t i o n o n P r e s s u r e L o s s a n d H e a t T r a ns f e r of a R i b b e d R e c t a n g u l a r T w o — P a s s I n t e r n a l C o o l i n g C h a n n e l[ J ] ．A S ME J T u r b o ma c h i n e r y ， 2 0 1 1 ，1 3 3： 0 2 1 0 0 2 一 l一0 21 0 0 2 —1 1 ． [ 6 1 ] 裘云， 朱惠人， 许都纯， 等．出流孑 L 对内流通到壁面换热影 响的试验 [ J ] ．推进技术 ， 2 0 0 2 ， 2 3 ( 6 ) ： 4 7 7— 4 7 9 ． 适用于 2 2 ． 5 M W 等级给水泵汽轮机 ， 而不需研发 成本较高的双流机 型。单缸单 流的 2 2 ． 5 MW 给 水泵汽轮机转子完全能够保证机组安全 、 可靠 、 经 济运行， 并充分发掘自 身潜力， 减少厂房占地及机 组制造成本 ， 提高机组市场竞争力 。 参考文献： [ 1 ]中华人民共和国国家标准 ． 工业用途热力涡轮机( 汽轮机 、 气 体膨胀涡轮机) 一般 要求 G B ／ T 2 2 0 7 3—2 0 0 8[ s ] ． 中 国标 准 出版社 ， 2 0 0 8 ． [ 2 ]中国动力 工程 学会． 火力发 电设 备技 术手册 第二 卷汽轮 机 [ M] ． 北京 ： 机械工业 出版社 ， 1 9 9 8 ． 1 2 ： 7 ． 2 9— 4 7 ． [ 3 ]翦天聪． 汽轮 机原 理 [ M] ． 中 国电力 出版社 ， 1 9 9 2 ． 6， 1 1 7— 1 2 2 [ 6 2 ]裘云 ， 朱惠人 ， 倪萌 ，等．带肋壁与出流孔内流通道 中肋角 度对流量系数的影响[ J ] ．航空动力 学报 ， 2 0 0 3 ，1 8 ( 2 ) ： 2 3 5 —2 3 8 ． [ 6 3 ]倪萌 ， 朱惠人 ， 裘 云，等．带肋壁与气膜孑 L 内流通道中肋高 度对流量系数的影响[ J ] ．燃气轮 机技术 ， 2 0 0 4 ，1 7 ( 2 ) ： 3 O一3 4． [ 6 4 ]倪萌， 朱惠人， 裘云， 等． 带肋的内流通到中气膜孔流量系 数的研 究[ J ] ．燃气涡轮试 验与研究 ，2 0 0 4，1 7 ( 1 )： 2 4— 2 8． [ 6 5 ]倪萌 ， 朱惠人 ， 裘 云，等．气膜孔与肋的相对位置及通道截 面形状对气 膜 孔流 量 系 数 的影 响 [ J ] ．燃 气轮 机 技术 ， 2 o o 5 ，l 8 ( 1 ) ： 5 2— 5 6 ． [ 6 6 ]李广超 ， 朱惠人 ，郭涛．带 6 O 。 肋和气膜孑 L 矩形通道换热研 究 [ J ] ．航空动力学报 ， 2 0 0 6 ， 2 1 ( 6 ) ： 9 9 5—1 0 0 0 ． [ 6 7 ]李广超 ， 朱惠人 ，郭涛 ．带肋 和气膜 孔 内冷通道换 热机理 研究[ J ] ．西北工业大学学报 ， 2 0 0 6 ， 2 4 ( 4) ： 5 0 5— 5 0 9 ． [ 6 8 ]苏福彬 ， 朱惠人 ，郭涛 ， 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