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1、汽轮机轴系的稳定性相关理论简介 轴系稳定性概述1）轴系振动稳定性属于自激振动的范畴，自激振动是指由振动体自身所激 励的振动，其振动与机组转子质量不平衡等无直接的关系，而是由于机械 振动系统内部的力激发起来的。维持自激振动的能量来源于系统本身运动 中获取的能量，系统一旦失稳，振幅将随时间迅速发展。一般要求机组轴 系设计中应尽量消除或削弱能够引起转子不稳定自激振动的机制，如轴承 油膜不稳定、蒸汽涡动等。轴系的设计还应能提供足够的阻尼，吸收和削 弱引起自激振动的能量。轴系的阻尼主要来源于支持轴承的油膜阻尼。汽轮发电机组自激振动大多由支持轴承的油膜失稳造成的。油膜涡动是 油膜力激发的振动，当正常运行条
2、件的改变时，引起油楔推动转轴在轴承 中运动，在旋转方向上产生的不稳定力使转子发生涡动。如果轴系内存在 足够大的阻尼，则转轴回到其正常位置，变得稳定。否则，转子将继续涡 动，出现较大的不稳定振动。油膜不稳定涡动-般是由于轴承磨损或间隙、 不合适的轴承设计以及润滑油参数的改变等因素引起的。根据振动频谱很容易识别油膜涡动不稳定，其出现时的振动频率为接近转 速频率的一半，也常称为油膜半速涡动。油膜失稳引起的自激振动通常与 转速有关。当汽轮机出现油膜涡动不稳定，而且油膜涡动频率等于系统的 某一阶固有频率时就会发生油膜振荡。通常一旦发生油膜振荡，无论转速 继续升至多少，涡动频率将总保持为转子一阶临界转速频
3、率。改变轴承型 式、增大轴承比压、减小轴承顶隙、降低润滑油的粘度等措施可以消除或 减小油膜振荡或油膜涡动2）本汽轮机的轴系特点本汽轮机在设计时，综合考虑了影响轴系稳定的因素，通过计算和试验, 主要采取以下措施防止轴系失稳。支撑高中压转子的轴承采用了可倾瓦轴承型式，可倾瓦轴承具有很强的 抗失稳能力，若不计瓦块的惯性、支点的摩擦阻力、油膜对瓦块的剪切阻 力等，则每瓦块作用在轴颈上的油膜力总是通过瓦块支点与轴颈中心，从 而消除了导致轴颈涡动的力源，可防止“蒸汽振荡”及“油膜振荡”的发 生。此外它还具有功耗小，推迟润滑油从层流向紊流转化的特点，对机组 安全运行十分有利。支撑两根低压转子的轴承均采用单侧
4、进汕、上瓦开槽 椭圆轴承型式。此型式轴承在较重载荷时，具有较强的抗失稳能力及相对 较厚的油膜厚度,使在紊流工况下的轴承具有相对较低的乌金温度和润滑 油温升。根据轴承动特性对轴系的失稳转速进行计算，其结果大于4000 r/min, 满足规范要求的大于工作转速的125%,额定转速下轴系的最小对数衰减 率为0.356,考虑汽隙激振后轴系的最小对数衰减率为0.298,大于0.15, 具有足够的稳定性裕度。轴系各阶临界转速计算值均避开工作转速15%, 同时也避开暖机转速，其分布满足设计要求。轴系冷态安装曲线的设计充分考虑了各转子支承在热态下的标高变化 量，使工作状态下轴系的旋转中心与儿何中心达到良好的吻
5、合。轴系冷态 安装曲线的设计充分考虑了各转子支承在热态下的标高变化量，其标高变 化量的补偿值是根据计算值和试验值确定，可以保证工作状态下轴系的旋 转中心与几何中心达到良好的吻合。 汽轮机发生振动的常见原因1）由于机组在运行中中心不正而引起振动（1）.运行中叶片折断、脱落或不均匀磨损、腐蚀、结垢，使转子发生质量不平衡；（2）.由于转子发生弹性弯曲而引起振动；（3）由于轴承油膜不稳定或受到破坏而引起振动；（4）.由于汽轮机内部发生摩擦而引起振动；（5）由于水冲击而引起振动；（6）由于发电机内部故障而引起振动；（7）.由于汽轮机机械安装部件松动而引起振动。2）转子质量不平衡（1）机械加工不准确造成各
6、零件对转子中心轴线不对称（2）机械加工时的残余变形（3）转子找平衡不当 汽轮发电机组的振动主要危害1）、直接造成机组事故：如果机组振动过大，发生在机头部位，有可 能引起危及保安器动作，而发生停机事故。2）、损坏机组零部件：如机组的轴瓦，轴承座的紧固螺钉及机组连接 的管道损坏。3）、动静部分摩擦：汽轮机过大的的振动造成轴封及隔板汽封的磨损， 严重时磨损造成转子弯曲，振动过大发生在发电机部位，则使滑环与 电刷收到磨损，造成发电机励磁机事故。4）、损坏转子零部件：机组转子零部件松动造成基础松动即周围建筑 物的损坏。5）发电机励磁机部件松动、损坏 汽轮机振动的测量及振动过大的监视措施汽轮机振动的测量一
7、般用电涡流传感器测量大轴X、Y向振动，用速度 传感器测量轴瓦的垂直振动；汽轮机运行中发生振动，不仅会影响机组的经济性，而且会直接威胁机 组的安全运行。因此，在汽轮机启动和运行中，对轴承和大轴的振动必 须严格进行监视。如振动超过允许值。应及时采取相应措施，以免造成 事故。为此，一般汽轮机都装设轴承振动测量装置和大轴振动测量装置, 用于监视机组振动情况。当振动超过允许极限值时，应发出声光报警信 号，以提醒运行人员注意，或者同时发出脉冲信号去驱动保护控制电路, 自动关闭各汽门等，实行紧急停机，以保护机组的安全。 汽轮发电机组的扭振1）、扭振机理：大型汽轮发电机组，其轴系由多段组成，一般有高压缸转子、
8、中压 缸转子、低压缸转子、发电机转子等组成，构成了一个柔性可扭曲的轴 系。在汽机转子上有蒸汽冲动产生的正向扭矩，在发电机转子上有一个 反向电磁扭矩。在正常运行时，施加在汽轮机转子上的正向扭矩与发电机转子上的 反向扭矩相平衡，整个轴系保持恒速旋转，并有一定的扭转变形。当输 入或输出扭矩发生突变时，就会发生轴系的扭振。600MW机组的最大 扭应力出现在发电机的汽端轴颈处。2）、电气扰动对轴系扭振的影响由于机械系统的扰动一般是极缓慢的，对轴系扭振的影响是轻微的。 而电气系统的扰动是快速、持续的，因此电气方面引起的汽轮发电机组 轴系扭振影响将大于机械方面的影响。 负序电流负序电流将对轴系产生一个100
9、Hz的激振扭矩。如轴系的某阶固有 扭振频率正好在100Hz （双倍工频）附近，就会产生谐振。 非同期合闸发生非同期合闸时，会出现比发电机出口三相短路更大的电流、更 大的电磁转矩，会对轴系产生严重的扭矩冲击。当合闸相角达120或 240时，电磁转矩值最大，一般可达额定转矩的5倍左右。 短路故障与重合闸当发电机出口发生短路故障时，将出现很大的短路电流和很大的冲 击转矩。在各种短路故障中，发电机出口两相短路和三相短路对轴系的 影响较为严重，其中两相短路在不利时刻发生时，将产生更大的电磁转 矩。在系统的线路保护中，一般装设有自动重合闸，当发生短路故障时, 保护动作时开关跳闸切除故障，然后，经过很短的时
10、间再自动重合一次。 若重合闸时故障已消除，则重合后开关不再跳闸，称为“重合成功”； 若重合闸时故障仍存在，则重合后开关又跳闸将故障再次切除，称为“重 合不成功气因此，在重合闸装置的作用下，轴系将发生多次的扭矩冲 击。如扭矩冲击发生的相位与轴系扭振的相位一致时，将对轴系产生应 力叠加现象，使扭振幅度增大。如出现多次的扭矩冲击同相位叠加，就 可能产生相当高的机械扭矩，导致轴系无法承受的应力和寿命消耗。 次同步谐振当系统中发生故障或扰动时，同步发电机可能产生各种频率的电磁 转矩，如电磁转矩的频率和轴系某一固有扭振频率相同或相近，则会发 生共振，此时的电磁转矩虽不大，但可能产生很大的机械转矩，因而导 致扭动不稳定和大轴的损坏。次同步谐振即属于这种共振现象。 高起始响应的励磁调节器和电力系统稳定器（PSS）由于励磁电流的响应速度极快，从电网角度减小了暂态过程的功角 摆动，但对发电机会产生剩余扭矩，引起对轴系的冲击。
