汽轮机轴系支撑方案探讨.pdf

窑窑窑窑No.2Jun.2023DONGFANG TURBINE2023 年 6 月第 2 期DOI:10.13808/ki.issn1674-9987.2023.02.001汽轮机轴系支撑方案探讨汽轮机轴系支撑方案探讨第一作者简介院 张健 渊1975-冤袁 男袁 工程硕士袁 高级工程师袁 毕业于哈尔滨工业大学热力发动机专业袁 主要从事汽轮机设计工作遥张健袁 廖上斌渊东方电气集团东方汽轮机有限公司袁 四川 德阳袁 618000冤摘要院为提高经济性袁现代汽轮机多采用多缸多转子结构袁轴系由多个滑动轴承水平支撑袁转子的自重和扰力由滑动轴承的油膜力平衡抵消遥 多转子轴系分为双支撑和三支撑两种支撑方式袁因三支撑方案具有结构紧凑尧支持轴承标高变化对轴系稳定性影响小的优点袁得到越来越多设计人员的青睐遥 但三支撑方式也有一定的局限性袁文章对三支撑轴系的局限性和轴系特点进行探讨袁希望在新机型开发时袁能够根据机组的特点和使用环境袁合理选择机组轴系的支撑方案遥关键词院轴系袁三支撑袁响应袁振动中图分类号院TK262文献标识码院B文章编号院1674-9987渊2023冤02-0001-05Discussion on Steam Turbine Shafting Support SchemeZHANG Jian袁 LIAO Shangbin渊Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000冤Abstract院 In order to improve the economy,modern steam turbines mostly use multi-cylinder and multi-rotor structure.The shaftsystem is supported horizontally by multiple sliding bearings.The weight and disturbance force of the rotor are offset by the balanceof oil film force of sliding bearings.Multi-rotor shafting can be divided into two supporting modes:double span-three fulcrum anddouble span four fulcrum.The three fulcrum schemes are favored by more and more designers because of their advantages ofcompact structure and small influence of bearing elevation changes on shafting stability.However,the three fulcrum method also hassome limitations.This paper discusses the limitations and characteristics of the double span-three fulcrum shafting.It is hoped thatreaders can reasonably choose the support scheme of the unit shafting according to the characteristics and operating environment ofthe unit when developing new models.Key words院 shaft system,double span-three fulcrum,response,vibration1引言对经济性的不断追求促使现代大型汽轮机采用多汽缸多转子结构袁 汽轮机各转子及汽轮机与被驱动设备转子之间通过联轴器连接构成轴系遥通常情况下袁 轴系水平放置袁 由滑动轴承支撑袁转子的重量和扰力由滑动轴承的油膜力平衡抵消遥轴系的支撑方式分为双支撑和三支撑两种方式遥构成轴系的每一根转子两端均有 1 个支持轴承支撑的轴系即为双支撑方式袁 轴系中支持轴承的数量为转子数量渊转子数量记为 N冤的两倍袁 即支持1窑窑窑窑Jun.2023No.2DONGFANG TURBINE2023 年 6 月第 2 期轴承数量为 2N遥 以两缸汽轮发电机组为例袁 汽轮机分高压缸和低压缸袁 相应的汽轮机转子分为高压转子和低压转子袁 高压转子与低压转子尧 低压转子与发电机转子两两通过刚性联轴器连接构成轴系袁 支持轴承的数量为 6袁 轴系简图见图 1遥图 1两缸汽轮发电机组轴系简图轴系中支持轴承的数量少于 2N 的轴系称为三支撑轴系袁 轴系中支持轴承数可以为 2N-1尧 2N-2尧 2N-3 等袁 显然袁 轴系由两根转子构成袁 采用三支撑轴系方案袁 支撑轴承的数量为 3 是三支撑轴系的最简情况袁 这可以定义为三支撑轴系的基本组成单元遥 对多转子轴系袁 只要存在这种两跨三支撑的基本单元袁 都称该轴系为三支撑轴系遥图 2 为某公司超超临界 1 000 MW 汽轮发电机组轴系简图袁 从图 2 可以看出袁 轴系中除高压转子和发电机转子分别有两个支持轴承支撑以外袁 中压转子和两根低压转子均只有一个支持轴承支撑遥这种轴系是典型的多转子三支撑轴系袁 有时也称为单轴承支撑轴系遥图 2某公司超超临界 1 000 MW 机组轴系简图三支撑方式具有机组结构紧凑尧 基础沉降等原因引起的支撑标高变化对轴系稳定性影响小的优点袁 得到越来越多设计人员的青睐遥 但三支撑方式也有其不足和局限袁 如机组振动大袁 联轴器螺栓应力大尧 转子加工要求高尧 轴系找中困难及现场动平衡难度大等遥 本文通过对比分析袁 对两种轴系支撑方式的优点和局限性进行探讨袁 希望读者在新机型开发时袁 能够根据机组的特点尧 用户特点和使用环境袁 合理选择机组轴系的支撑方式袁 避免因轴系支撑方式选择不当给机组带来安全隐患遥2支撑方案比较本文以某 100 MW 汽轮机方案选型为例袁 分别采用双支撑轴系方案和三支撑轴系方案进行机组设计袁 比较两种支撑方案的轴系特点和对机组结构的影响遥 分析主要从机组结构尺寸尧 轴系振型与临界转速尧 转子不平衡响应等方面进行遥2.1汽轮机结构尺寸对比分析所选 100 MW 汽轮机为两缸再热汽轮机袁 主蒸汽在高压缸膨胀做功后袁 经锅炉再热再引入低压缸做功袁 高压缸和低压缸头对头布置袁即高压缸和低压缸进汽口均在靠近中间轴承箱侧遥为减小机组轴向长度袁 推力轴承布置在中间轴承箱内遥为了比较袁 两种方案汽缸通流和端汽封长度相同袁 三支撑方案纵剖面图见图 3遥 双支撑方案在三支撑方案基础上袁 在低压转子前端增加一个支持轴承遥 为满足轴系标高敏感性要求袁 将原 2#支持轴承与推力轴承互换位置袁 同时适当减小连接段转子轴径及增加转子的轴向长度遥 双支撑方案的纵剖面图见图 4遥 三支撑方案汽轮机转子的轴向总长为 12.7 m袁 双支撑方案汽轮转子的轴向总长为13.45 m袁 两种方案汽轮机转子总长相差 0.75 m遥三支撑方案的高压转子总质量为 11 770 kg袁 低压转子总质量为 32 582 kg遥 双支撑方案的高压转子总质量为 11 281 kg袁 低压转子总质量为 32 384kg遥 两种方案高低压转子总质量非常接近袁 三支撑略重袁 说明本案例转子直径减小比转子长度增加对转子质量影响更大遥 总的来说袁 三支撑方案机组更为紧凑袁 可以节省电站的土建成本遥图 3100 MW 汽轮机三支撑方案纵剖面图支持轴承 1高压转子支持轴承 2支持轴承 3支持轴承 4支持轴承 5支持轴承 6低压转子发电机转子联轴器玉联轴器域轴承 1高压转子轴承 2轴承 3轴承 4轴承 5轴承 6低压转子玉发电机转子联轴器玉联轴器域轴承 7低压转子域中压转子联轴器芋联轴器郁12 7005 7005 780210高压缸低压缸发电机转子2窑窑窑窑No.2Jun.2023DONGFANG TURBINE2023 年 6 月第 2 期图 4100 MW 汽轮机双支撑方案纵剖面图2.2振型与临界转速运用专用计算程序进行轴系横振分析袁 发电机数据采用山东某公司 110 MW 发电机的数据遥三支撑轴系方案前五阶无阻尼临界转速计算值和对应关系详见表 1遥表 1三支撑轴系临界转速计算结果轴系前三阶无阻尼模态振型见图 57 渊图中背景为转子等效轮廓袁 图 810 同冤遥图 5轴系一阶模态振型 渊临界转速为 978.4 r/min冤图 6轴系二阶模态振型 渊临界转速为 1 519.9 r/min冤图 7轴系三阶模态振型 渊临界转速为 1 790.7 r/min冤双支撑轴系方案前五阶无阻尼临界转速计算值及其对应关系见表 2袁 轴系前三阶模态振型详见图 810遥表 2双支撑轴系临界转速计算结果图 8双支撑轴系一阶模态振型 渊临界转速 978.2 r/min冤图 9双支撑轴系二阶模态振型 渊临界转速 1 581.8 r/min冤图 10双支撑轴系三阶模态振型 渊临界转速 1 821.6 r/min冤横振计算结果表明袁 两种方案轴系各阶振型基本一致袁 各阶临界转速的大小相差不大袁 但双支撑方案在低压转子前端增加了支持轴承袁 高压转子跨距和低压转子跨距均减小袁 高压转子和低压转子的临界转速均高于三支撑方案遥 因为两种方案发电机数据相同袁 所以发电机的临界转速几乎不变遥2.3不平衡响应分析汽轮机转子的工作转速为 3 000 r/min袁 通过无阻尼临界转速分析袁 知道各转子均为柔性转子袁转子通过一阶临界转速时振动出现峰值遥 因此袁本文响应分析按照汽轮机高压转子一阶振型和低压转子一阶振型加载不平衡量袁 并运用专用计算程序计算不同加载组合下两种支撑轴系的响应遥阶次轴系一阶轴系二阶轴系三阶轴系四阶轴系五阶高压转子/渊r 窑 min-1冤1 790.7低压转子/渊r 窑 min-1冤1 519.94 040.6电机转子/渊r 窑 min-1冤978.42 676.2说明电机一阶低压一阶高压一阶电机二阶低压二阶阶次轴系一阶轴系二阶轴系三阶轴系四阶轴系五阶高压转子/渊r 窑 min-1冤1 821.6低压转子/渊r 窑 min-1冤1 581.84 079.4电机转子/渊r 窑 min-1冤978.22 676.1说明电机一阶低压一阶高压一阶电机二阶低压二阶13 4505 4005 330210高压缸低压缸发电机转子1 50002468101214161820 21.62轴向长度/m1.00.0-1.002468101214161820 21.62轴向长度/m1.00.50.0-0.502468101214161820 21.62轴向长度/m1.00.50.0-0.505101520轴向位置/m22.371.00.50.0-0.505101520轴向位置/m22.371.00.0-1.005101520轴向位置/m22.371.00.50.0-0.53窑窑窑窑Jun.2023No.2DONGFANG TURBINE2023 年 6 月第 2 期不平衡量按 叶大型汽轮发电机组轴系动力特性技术规范曳 GB/T 36043要2018 附录 B 的规范进行加载袁 偏心距按动平衡精度 1.8 mm/s 反算遥仅在高压转子一阶振型峰值处加载袁 计算轴系在不同转速下的不平衡响应遥 将高压转子特征位置不同转速渊1 1003 000 r/min冤下的响应计算结果绘制在图 11 中遥图 11高压转子不平衡响应仅在低压转子一阶振型峰值处加载袁 计算低压转子不平衡响应袁并将结果绘制在图 12 中遥图 12低压转子不平衡响应在三支撑轴系袁 高压转子后轴颈与低压转子前轴颈为同一个轴承遥 高压转子和低压转子不平衡响应计算结果表明院 转子中部响应在一阶临界转速区袁 三支撑方案明显大于双支撑方案袁 在额定转速 3 000 r/min 附近袁 两种方案响应大小接近曰在临界区袁 三支撑方案在高压前轴颈和低压后轴颈响应较大袁 双支撑方案中间轴颈响应大袁 但两种方案在轴颈位置响应差异不大遥高压转子和低压转子按前述方法分别按同相位和反相位同时加载袁 计算两种轴系支撑方案的不平衡量响应遥 将高尧 低压转子中部 渊各自一阶振型峰值处冤 响应计算结果绘制在图 13 中遥 图中野双支冶 指机组轴系采用双支撑结构袁野三支冶 指采用三支撑结构袁野同相冶 指高压转子和低压转子不平衡量在同一相位袁野反相冶 指高压转子与低压转子不平衡量相位相差 180毅袁野高压冶 指高压转子袁野低压冶 指低压转子遥 计算结果比较院对高压转子袁 相同支撑方式袁 同相加载比反相加载响应大袁 这是因为高压转子一阶振型高低压转子振动相位同相曰 相同加载方式袁 三支撑比双支撑响应大遥 对低压转子袁 相同支撑方式袁 反相加载比同相加载响应大袁 这是因为低压转子一阶振型高低压转子振动相位相反曰 相同加载方式袁 三支撑方式比双支撑方式响应大遥 计算结果表明院相同的加载方式对不同的振型有不同的响应结果袁相同的加载方式袁 转子振动最大位置袁 三支撑方式比双支撑方式响应大遥图 13不同加载方式下转子不平衡响应仅高压转子加载袁 单支撑过一阶临界时响应计算值为 152 滋m 渊长半轴袁 下同冤袁 高低压转子反相和同相同时加载时响应分别为 110.1 滋m 和199.9 滋m袁 与高压转子单独加载比较分别减小41.9 滋m 和增大 47.9 滋m曰 双支撑方案仅高压转子加载袁 过一阶临界时响应计算值为 106.2 滋m袁 高低压转子反相和同相同时加载时响应分别为 91.1转速/渊r 窑 min-1冤160120804001 0001 5002 0002 5003 000双支撑前轴颈三支撑前轴颈双支撑中部三支撑中部双支撑后轴颈三支撑后轴颈转速/渊r 窑 min-1冤2001501005001 0001 5002 0002 5003 000双支撑低压前轴颈三支撑低压前轴颈双支撑低压中部三支撑低压中部双支撑低压后轴颈三支撑低压后轴颈转速/渊r 窑 min-1冤2502001501005001 0001 5002 0002 5003 000双支同相高压三支同相高压双支同相低压三支同相低压双支反相高压三支反相高压双支反相低压三支反相低压4窑窑窑窑No.2Jun.2023DONGFANG TURBINE2023 年 6 月第 2 期滋m 和 121.5 滋m袁 与高压转子单独加载分别减小15.1 滋m 和增大 15.3 滋m遥 计算结果表明轴系采用单支撑方案袁 低压转子不平衡对高压转子振动影响更大遥低压转子响应计算结果与高压转子一致袁 即轴系采用单支撑方式袁 高压转子不平衡对低压转子振动影响更大遥 响应计算证明院 轴系中相邻转子振动耦合度单支撑比双支撑大遥响应计算结果说明袁 轴系采用单支撑方案袁过临界转速时袁 转子中部响应比双支撑方案大袁相邻转子振动耦合度也比双支撑大遥 响应增大幅度与转子结构和轴系特性相关遥 同种支撑方式袁相同的加载方式对不同的振型有不同的响应结果遥3联轴器设计与要求双支撑轴系每根转子的重量由各自两端的支持轴承支撑平衡袁 转子经过找中和轴承标高调整袁整个轴系按照一条光滑的曲线连接袁 理想情况下袁联轴器法兰面的剪切力和弯矩为零袁 联轴器螺栓只承受轴向拉应力袁 无剪切应力和弯曲应力遥 机组投运后袁 因轴承标高变化或转子受热刚度改变袁轴系中各个支撑载荷重新分配引起联轴器产生附加剪切力和弯矩袁 但这些附加力和力矩往往很小袁对联轴器螺栓的影响可以忽略遥 转子转动后袁 转子的动态扰力被各自支持轴承的油膜平衡抵消袁联轴器受到的影响很小袁 联轴器螺栓的动应力也很小袁 可以忽略遥单支撑轴系中存在一端无支持轴承的转子袁静态时袁 该转子的部分重量渊通常接近一半冤需要通过联轴器传递给相邻转子并由其支持轴承平衡袁动态时袁 该转子的动态扰力也有一部分通过联轴器传递给相邻转子的支持轴承遥 无论是静态力还是动态力的传递袁 都会在联轴器上产生额外的剪切力和弯矩袁 这些剪切力和弯矩最终都会作用到联轴器螺栓上遥 转子转动后袁 作用在螺栓上的动态力增大袁 螺栓动应力成倍增加遥 动应力大小与联轴器结构尧 螺栓尺寸尧 转子重量及轴系特性相关遥 转子重力和动态扰力在螺栓上产生的动应力往往达到数十兆帕袁 在某些极端情况下袁 动应力还可能大幅增加遥 因此袁 单支撑轴系联轴器设计除了校核螺栓静强度外袁 还须校核螺栓的动强度遥单支撑位置联轴器螺栓受力复杂袁 应力水平高袁这对螺栓的材质和制造质量提出了更高要求遥4轴系安装与调整转子支撑在轴承上袁 在自重作用下自然下垂袁形成一定弧度的静态曲线袁 称之为静挠度曲线遥双支撑轴系袁 每根转子由自己的支持轴承支撑袁相邻转子按各自的静态挠度曲线按无张口尧 无应力连接成为一条光滑的轴系曲线遥 这种连接方式简单袁 机组安装只需要进行部套找中及轴承标高调整等操作遥 双支撑轴系安装曲线计算简单袁 安装人员容易理解和操作袁 安装质量容易达到袁 这些都有利于机组的轴系安全遥单支撑轴系安装和轴系调整比双支撑轴系困难和复杂遥 对于联轴器无止口的轴系袁 先在未设轴承的一端用假瓦支撑转子袁 完成动静间隙和轴系调整及联轴器连接后袁 再将假瓦撤走遥 假瓦撤走后袁 假瓦对应位置轴段跨距增大袁 转子挠度增加遥 相邻转子受到联轴器传递过来载荷的影响袁转子挠度和两端支持轴承载荷发生变化袁 即连轴器侧的支持轴承载荷增加袁 另一个轴承载荷减小遥载荷减小对轴承的稳定性不利袁 通常采用在联轴器处设置下张口的方法增大远端支持轴承的载荷袁提高轴承的稳定性遥 设计人员在设计轴系的安装曲线时袁 需要对联轴器张口尧 轴承载荷及转子挠度变化引起的动静间隙变化进行仔细计算和分析袁保证机组启动后袁 动静部套对中良好袁 轴承载荷接近设计要求遥联轴器带止口的三支撑轴系袁 转子间的中心由止口确定袁 轴系调整时袁 安装人员只需要按照制造厂的要求调整联轴器张口即可遥 但对于如图 2这样的复杂轴系袁 通过调整支持轴承的高度调整联轴器的张口非常困难袁 因为每一个轴承标高调整对相邻的前后联轴器袁 甚至更远的联轴器张口都有影响1遥 轴系调整要充分考虑轴系的特点袁 结合轴颈扬度尧 洼窝中心及通流径向间隙等数据袁仔细分析袁确定调整方案遥 调整目标很难一次达到袁渊下转第 27 页冤5窑窑窑窑No.2Jun.2023DONGFANG TURBINE2023 年 6 月第 2 期渊上接第 5 页冤往往需要多次反复调整袁 调整工作量大袁 调整周期长袁 对安装人员的要求高遥联轴器带止口轴系的对中质量完全由联轴器止口的加工精度保证袁 所以止口加工要求非常高袁需要精密的大型数控机床加工袁 加工费用较高袁加工失误的损失和代价非常大遥 机组经过多次检修袁 联轴器反复拆装后袁 联轴器止口配合精度降低造成转子不对中袁 是许多三支撑机组轴系振动大的主要原因之一遥5转子动平衡三支撑轴系中有的转子一端无支持轴承支撑袁通常也没有安装支持轴承的空间袁 厂内进行高速动平衡试验时袁 需要在转子联轴器端部把接试验短轴袁 并在短轴位置安装支持轴承进行试验遥 试验平衡后的转子不可避免地存在转子连接不对中产生的不平衡袁 平衡精度自然不如两端都有支持轴承的转子遥三支撑轴系袁 联轴器在支撑跨内袁 联轴器的对中偏差直接形成跨内转子的不平衡袁 所以三支撑轴系振动对转子对中特别敏感袁 转子找中要求高遥 当现场因振动大进行现场动平衡试验时袁 现场动平衡的难度大于双支撑轴系遥 原因有两个袁一个是三轴承轴系仅能测试到转子单端的振动信息袁 轴系振动识别困难袁 另一原因是三支撑轴系相邻转子振动耦合度比双支撑高遥三支撑轴系的特点对转子的厂内和现场动平衡提出了更高要求袁 对机组的安装质量也提出了更高要求遥6总结本文结合某汽轮机方案选型袁 分析双支撑和三支撑轴系的特点袁 说明三支撑轴系对转子不平衡更敏感袁 转子振动更大袁 轴系更容易失稳的原因遥 为了获得优良的轴系性能袁 三支撑机组从设计尧 制造尧 安装到运行的各个环节对设备供货方尧技术服务提供方及用户都提出了更高要求遥 设计人员在进行轴系支撑方案选择时袁 需要根据机组的特点尧 安装单位的技术能力及用户的设备维护能力等进行综合分析袁 选择适合机组全生命周期的轴系支撑方案遥参考文献1刘波.超临界 600 MW 汽轮机检修特点介绍J.热力透平,2005,34(3):157-160.2潘峰.ABB 900 MW 级汽轮机简介J.华东电力,1997(8):54-56.3徐百成,陈根卫,全林生.1 000 MW 机组单轴承支承汽轮机轴系找中心探讨J.华东电力,2014,42(12):2631-2634.4宾光富,李学军,成立芳,等.转子不平衡对两跨三支撑振动特性的影响J.动力工程学报,2017,37(9):699-703.5应光耀,吴文健,蔡文方,单支撑轴系汽轮机多转子联合平衡法J.浙江电力,2017,36(1):50-53.2刘超.汽轮机润滑油系统油质变化对系统影响研究J.装备维修技术,2020(2):45.3伍健伟,高继录,张航.1 000 MW 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