大型汽轮发电机转子扭振分析
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作者: 魏建武 马健 许铭洋
【摘要】大型汽轮发电机在当今发电工程领域应用十分普遍，其高效、稳定的运行效果受到业界的好评。本文采用连续模型进行汽轮发电机转子扭转分析，提出了有关检测结果的准确性、科学性分析，以及相关设计要点。
【关键词】汽轮发电机；转子；扭振
（哈尔滨电机厂有限责任公司黑龙江哈尔滨150040）
自从上个世纪六十年代至今，国外大型发电厂相继发生了因为扭振而引发的汽轮机组破坏现象，引发了严重的安全事故和经济损失，由此掀开了人们对汽轮发电机转子扭振的研究新篇章。在上个世纪八十年代以来，我国也相继发生了多起因为大型汽轮发电机转子扭振引起的发电机组事故，这些事故表现在励磁机轴发生断裂、发电机轴断裂等。目前，国内工作人员已经对这些问题进行了分析，提出了各种预防和控制策略，但是受到科学技术和认识水平的限制，其在应用中还存在着许多不足之处。下面我们就大型汽轮发电机转子扭振问题进行了简单的分析，并针对其中需要注意的各种事项进行了探索。
1.汽轮发电机转子扭振概述
经过多年的工作实践总结得出，大型汽轮发电机组在蒸汽、电气的干扰之下必然会产生轴系扭振问题。这种问题的产生时间较早，自从上个世纪六十年代以来，国外一些大型的电厂相继发生了因为汽轮发电机转子扭振而引起的设备破坏和事故。到八十年代，我国也逐渐除下了此类事故，严重影响了我国社会经济的发展和电能的供应，给整个电力行业的进步产生一定的影响。就过去常见的汽轮发电机转子扭振问题进行分析，其主要表现在联轴节螺钉断裂、励磁机轴断裂以及发电机轴断裂等。
目前，在汽轮发电机转子扭振问题研究和分析中，主要是针对这些问题产生原因进行分析，采用防范、拟制、消除的方式进行探讨和研究，也取得了一定的成绩，从发电厂机组的轴系统设计、制造、电网规划以及断电保护方面分析，其在应用中需要将与之相关的因素结合起来，通过综合分析其中各方面的影响因素，从而探索出最佳的处理方案。近年来，随着单机容量和电网容量的不断提高，扭振问题的研究越来越深入，国内外很多企业都已经将此类问题作为电力企业发展研究重点，并列出了专门的课题进行研究。
经过分析得出，大型汽轮发电机组扭振问题是一个复杂、综合的内容，有着涉及面广、设计因素多且复杂的特征，在这种情况下进行理论研究和现场实测需要我们加以总结和处理。在研究的工程总，主要的研究理论包含了以下几方面。首先，建立轴系扭转研究模型，通过采用集中质量研究法、连续质量研究法求取轴系扭转振动的固有频率和振动类型。其次，次同步共振问题的研究。最后，电力系统运行中产生的扰动对汽轮发电机组轴系牛镇影响。在西安仓测试中，研究工作主要注重于机组扭振的长期监测、频率试验、扭振响应试验等。
2.实验室扭振模型系统分析
为了更好的保证扭振测试系统的准确性和科学性，在目前的实验室扭振模型系统应用中普遍采用了PH0975扭振计算程序，对两种模型系统采用的连续断定方法进行了总结和归纳，同时以此为原理求取出了最佳的连续处理策略和方法。
在分析应用工作中，为了更好的了解工作效果和原理，根据大型汽轮发电机本身的轴系统构成情况将这类模型分成1分27段，同时也可以将这种模型分为2分23段，且附加社指出合理的计算公式。
在计算中，系统的模化是从圆盘。齿轮以及按照附加转动惯性进行计算的，电动机的转子、发电机转子途径需要结合当前的工作要求开展。这种分析方法假设转子本体具有很高的抗
扭刚度，在扭振时不产生扭转变形。对于大型汽轮发电机组，这一方法可以准确地计算低于60Hz的低频扭转模态（一般为10Hz～30Hz）。
当发电机在稳态或故障状态，由于电力系统的三相不平衡，气隙转矩会有一个120Hz的分量。如果汽轮发电机组有一个扭转模态接近120Hz，发电机转子或汽轮机叶片就可能受到损害。因此，保证发电机的这种扭转模态离开120Hz有足够裕度是很重要的。由于这种模态受与由发电机相连的汽轮机影响很大，因此每一个可能的汽轮机和发电机组合都需要进行分析，以确定每种组合下发电机的固有频率。
3.扭振设计准则
对于60Hz电力系统，为了保证汽轮机-发电机-励磁机轴系不出现120Hz共振，系统扭振固有频率应不在114Hz～126Hz范围内。这个范围包括必要的激振力裕度、模态分析精度公差，以及电力系统运行可能的频率偏差。
同时，必须采用连续模型的响应计算。发电机出口端两相短路产生的气隙转矩作用在汽轮机-发电机-励磁机轴系上，在发电机轴端产生的应力不得超过剪切屈服限。此外，还不能让护环、风扇环上出现使这些部件滑移的加速度。通常，连续运行的电力系统中的不平衡负荷会产生两倍频率的气隙转矩。在ANSIC50.13中规定的最大不平衡负荷量不应该导致其应力超过许用应力限制。
4.发电机扭振模型
为进行扭振模态在120Hz附近的扭振分析，采用了汽轮机-发电机-励磁机转子轴系的连续模型。汽轮机和励磁机的连续模型数据由汽轮机和励磁机设计部门提供。发电机模型数据根据已有方法提供。发电机本体的等效直径（即与开槽转子具有相同扭转刚度的整体钢轴的直径）可以用两种不同条件计算出。根据文献算出的静止状态下的等效直径是859mm，计算的旋转状态下发电机本体等效直径为883mm。
5.原来的转子设计
对单独发电机，以及发电机与汽轮机、励磁机配合情况下计算了扭振固有频率。用了3种不同的汽轮机：A电站的BB222-51-73-73汽轮机、B电站的BB222-51-372-372汽轮机、C电站的BB222-51-373-373汽轮机（注：所列的BB顺序是高压-中压-低压1-低压2，即HP-IP-LP1-LP2）。
6.对原来转子设计的修改
由于与两种汽轮机匹配的发电机转子原始设计固有频率为115Hz和120Hz，所以设计修改应降低固有频率，以使将来可有互换性。此外，通过减少质量和增加刚度来提高它的固有频率，也比增加质量和减小刚度来降低其固有频率更加困难。因此决定A电站机组适当修改使其扭振响应降低到一个可接受的水平，而考虑对B电站及所有将来的机组进行较大修改。研究后发现，将研究的发电机转子联轴器法兰厚度增加76mm可降低固有频率，当配BB73汽轮机低压转子时，固有频率降到111.6Hz、113.4Hz和114.4Hz，励端护环加速度降到2830rad/s2。另外，护环配合紧量从1.52mm增加到1.78mm，可将允许加速度增加到3043rad/s2。这些设计修改的结果使A电站转子具有一个可接受的扭振特性，仅仅是固有频率超标0.4Hz。因为与汽轮机叶片模态接近，所以进一步降低114.4Hz频率是非常困难的。可以看出，上述设计修改对这3个固有频率的改变大约相同，而进一步的变化将使较低频率的变化多于较高频率的变化。举例来说，如果用法兰厚度增加152mm代替增加76mm（实际上不可行），固有频率将变为110.1Hz、113.3Hz和114.1Hz。由于将联轴器法兰厚度增加76mm可降低固有频率到超标0.4Hz频率范围内，再考虑在114Hz到126Hz范围限值的裕度，结合可接受的响应计算，这一设计被认为是合适的。为了使B电站机组的设计可接受，需要将固有频率降低5Hz。在保持发电机总（下转第360页）（上接第255页）体尺寸不变的前提下，转子上可进行修改以达到这一频率变化量的唯一的部位是转子本体。由于通过改变转子本体直径来改变质量的考虑已被排除，所以改变转子本体刚度是最可行的方案。
7.结束语
本文对大型汽轮发电机转子扭转振动分析采用了连续建模技术。这一方法的应用有效降低发电机效率和和发电机最大出力。对该型发电机进行的工厂试验表明，该模型是准确并略有保守的。[科]
【参考文献】
［1］王琦.大型汽轮发电机定子绕组端部试验模态分析[J].四川工程职业技术学院学报，2009(01).
［2］曹剑绵,陈小沁,张建.汽轮发电机定子绕组端部振动测试分析[J].东方电机，2002(04).
［3］姚金传.汽轮发电机转子本体误加工问题的有限元分析[J].上海大中型电机，2006(04).
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