大型核电汽轮发电机组弹簧基础及其减振特性研究

发电设备(2010No.2)

试验与研究

大型核电汽轮发电机组弹簧基础

及其减振特性研究

杨󰀁璋,󰀁张汉英

1

2

(1.江苏核电有限公司,连云港222042;󰀁2.上海发电设备成套设计研究院,上海200240)

摘󰀁要:简述了国内某大型核电汽轮发电机组的弹簧柔性基础结构,对简化过的振动模型进行了分析,并结合振动测量数据初步分析了弹簧基础的振动特性,为弹簧基础在国内大型汽轮发电机组中的推广应用提供参考。

关键词:汽轮发电机组;柔性基础;减振弹簧;减振比

中图分类号:TK263󰀁󰀁󰀁文献标识码:A󰀁󰀁󰀁文章编号:1671󰀁086X(2010)02󰀁0085󰀁04

ResearchofSpringFoundationforLarge󰀁sizedNuclearPower

Turbine󰀁generatorUnitsandDampingProperty

YANGZhang1,󰀁ZHANGHan󰀁ying2

(1.JiansuNuclearPowerCo.,Ltd.,Lianyungang222042,China;2.ShanghaiPowerEquipmentResearchInstitute,Shanghai200240,China)

Abstract:Thespringflexibilityfoundationstructureforsomedomesticlarge󰀁sizednuclearturbine󰀁generatorunitsisbrieflyexplained.Thetextanalyzesthesimplifiedvibrationmodelandpreliminaryanalyzesthevibrationcharacteristicofspringfoundationwiththedataofvibrationmeasurement.Itsuppliesareferencetothepopularizationandapplicationofspringfoundationindomesticlarge󰀁sizedturbine󰀁generatorunits.

Keywords:turbine󰀁generatorunits;flexibilityfoundation;dampingspring;dampingrate

󰀁󰀁随着电力需求的增加及制造业的发展,汽轮

发电机组单机容量越来越大,常规基础的支撑立柱所承受的因轴系残余质量不平衡等带来的动荷载及机组本体的静荷载也越来越大。采用饱和蒸汽做功的核电汽轮发电机组,为了输出同样的功率,核电汽轮发电机组需要的通流面积远大于常规电站,更增加了支撑立柱的荷载。如果采用常规基础,必将导致支撑立柱相当粗大,使得土建成本增加,设备可布置空间缩小;如果采用柔性基础,则可使整块基础平台和所安装的设备与下部基础框架脱离动力耦合,则能简化地面基础受力情况,减小基础立柱尺寸,增加设备安装空间,并󰀁󰀁收稿日期:2009󰀁08󰀁04

E󰀁mail:yangzhang@jnpc.com.cn

省去造价高的厚平台。同时安装有阻尼器的弹簧

隔振器还能衰减因地震和机组运行过程中所产生的过高振幅,保护设备不受到损害。

1󰀁核电汽轮发电机组轴系及其弹簧基础

󰀁󰀁国内某核电站的汽轮机型号为K󰀁1000󰀁60/3000,由列宁格勒金属工厂(󰀁󰀂 )股份公司制造;发电机型号为TBB󰀁1000󰀁2󰀁3,由俄电力有限公司制造。汽轮发电机组额定功率为1060MW,是目前国内首次采用减振弹簧基础的百万千瓦等级全速机组。该汽轮机采用单轴五缸布󰀁󰀁

作者简介:杨󰀁璋(1981󰀁),男,工程师,主要从事旋转机械振动故障诊断及治理。

󰀁85󰀁

发电设备(2010No.2)

大型核电汽轮发电机组弹簧基础及其减振特性研究

置,由1个对称分流的高压缸和4个对称分流的低压缸组成。汽轮机转子均为双支撑结构,发电机转子和励磁机转子为三支撑结构。其结构特点是高压缸居中,4个低压缸前后两两分布。汽轮机的5根转子均为整锻结构,无中心孔。转子之间均为刚性联轴器连接,轴系由13只落地式轴承支撑(其中5号轴承为径向止推联合轴承)。轴系简图见图1。

认为只有弹性(k)和阻尼(c)而无质量。因此在垂直方向上,包含该减振弹簧装置的系统即可简化为图3的单自由度隔振系统动力学模型。图3中的激振力主要由轴系的初始残余动态不平衡力Psin󰀁t产生,则系统的运动方程可简化为:

󰀁󰀂󰀂󰀁󰀂

mx+cx+kx=Psin󰀁t

令󰀁󰀁2n=c;󰀁󰀁n=

m式(1)可改写为

x+2nx+󰀁nx=qsin󰀁t

󰀂󰀁󰀂

󰀁󰀂

2

(1)

k;󰀁q=Pmm

(2)

图1󰀁1060MW核电机组轴系与弹簧柔性基础示意图

󰀁󰀁汽轮机基础台板为钢筋混凝土结构,长度70m,宽13.7m,厚4.35m,采用隔而固(青岛)减

振技术有限公司(GERB)提供的减振弹簧隔振装置支撑。机组、基础台板及流通介质的质量约7500t,其重力由98组弹簧隔振器(设计最高承受约107MN)承受,减振弹簧布置在9排基础横梁上。汽轮发电机组下部基础横梁的布置见图1。减振弹簧外形简图见图2。

图3󰀁机组󰀁台板󰀁减振弹簧系统简化模型

󰀁󰀁该运动方程的解包括两个部分:齐次方程

(自由振动)的通解与非齐次方程(强迫振动)的一个特解。本文只讨论系统稳定后强迫振动情况下出现的非衰减振动。假定强迫振动为一个简谐振动,则

振动位移:

x=Asin(󰀁t-󰀁)

振动速度:

dx󰀁󰀂v==x=A󰀁cos(󰀁t-󰀁)

dt

振动加速度:

󰀁󰀂󰀂2

a=dxt-󰀁)2=x=-A󰀁sin(󰀁

dt

同时:

2

(3)(4)

(5)

图2󰀁减振弹簧外形图

󰀁󰀁汽轮发电机组的工作转速为3000r/min(fm=50Hz)。该弹性支撑系统固有频率计算值为fn=3.3Hz,实际验算后为3.347Hz,调谐比fm/fn为15.2,远高于3.0的低频基础定义限值,属于柔性支撑[1󰀁3]。

qsin󰀁t=qsin(󰀁t-󰀁)cos󰀁+qcos(󰀁t-󰀁)sin󰀁

(6)

将式(3)~式(6)代入式(2)可得:{A(󰀁n-󰀁)-qcos󰀁}sin(󰀁t-󰀁)+

(2nA󰀁-qsin󰀁)cos(󰀁t-󰀁)=0解得:

2

A(󰀁2n-󰀁)qcos󰀁=02

2

(7)

2󰀁减振弹簧装置模型简化与求解

󰀁󰀁对图1中的机组轴系、台板与弹簧柔性基础系统进行简化,并建立分析模型。汽轮发电机组、基础台板可认为只有质量(m)而无弹性,减振弹簧可

󰀁86󰀁2nA󰀁-qsin󰀁=0

令调谐比󰀁=󰀁,阻尼比D=n,得:

󰀁n󰀁n

A=

q(󰀁-󰀁)2+(2n󰀁)22n

2大型核电汽轮发电机组弹簧基础及其减振特性研究

发电设备(2010No.2)

x=或得:

A=

󰀁=tan-12D󰀁21-󰀁qsin(󰀁t-󰀁)222(󰀁2n-󰀁)+(2n󰀁)P1󰀁22k(1-󰀁)2+4D2󰀁10)。

振动实测位置为:垂直方向上机组轴承座(测点位置参照ISO10916󰀁21996而定)和隔振装置(汽轮发电机组台板上部框架基础振动、减振弹簧上部台板B处、减振弹簧下部支撑立柱C处)。测点布置及测点位置见图4。

(8)

1x=P󰀁sin(󰀁t-󰀁)2k(1-󰀁2)2+4D2󰀁而减振弹簧装置传递到地面(弹簧隔振器以下)的力为弹簧力Pk与阻尼力Pc之和。1Pk=kx=Psin(󰀁t-󰀁)2222(1-󰀁)+4D󰀁Pc=cx=PPk+Pc=P

󰀁󰀂󰀂

图4󰀁基础台板振动测点布置图及测点B、C位置

2D󰀁cos(󰀁t-󰀁)2(1-󰀁2)2+4D2󰀁22󰀁󰀁为了衡量减振弹簧的隔振效率,引入减振比(KV)概念,即采用减振弹簧上部台板B处测点振幅与减振弹簧下部支撑立柱C处测点振幅的比值来确定。

1号机组在全速空载时轴承座垂直振动、隔振弹簧装置上下端垂直振动及基础台板垂直振动实测结果分别见表1、表2和表3。

1+4D󰀁2222sin(󰀁t-󰀁+󰀁)(1-󰀁)+4D󰀁

-1

(9)

󰀁=tan

振动传递系数VF=

Pk+Pc

=P

(2D󰀁)

1+4D󰀁2222(1-󰀁)+4D󰀁

22表1󰀁全速空载时轴承座垂直振动振幅值

轴承号12

振幅1)/(mm󰀁s-1)

4.44.84.72.02.0

轴承号67

振幅1)/(mm󰀁s-1)

0.91.11..6

轴承号10111213

振幅1)/(mm󰀁s-1)

0.84.23.12.3

当机组以50Hz额定转速工作时,本文核电机组所选用的减振弹簧的粘滞阻尼器阻尼比D趋近于零,则传递系数简化为:

VF=

Pk+Pc1=2

P󰀁-1

(10)

345

根据有关设计资料,该汽轮发电机组󰀁台板󰀁弹簧减振器系统当调谐比h󰀁15时,振动传递系数为0.45%,隔振效率(1-VF)约为99.6%。计

算表明,设计工况下该弹簧减振装置隔振效果良好。

注:1)振幅大小用振动速度的均方根表示。

表2󰀁全速空载时隔振弹簧装置上下端

垂直振动振幅值

测点1)1222324252627172

振幅2)v/(mm󰀁s-1)

B121.38B223.10B321.10B420.41B522.90B621.78B710.93B721.14

减振比KVB12/C1217.3B22/C2219.4B32/C325.50B42/C421.20B52/C5213.8B62/C626.60B71/C712.30B72/C726.30

3󰀁弹簧基础隔振效果实测及分析

󰀁󰀁由于本核电汽轮发电机组的弹簧基础固有频率约为3.347Hz(200r/min),机组升速过程中进行摩擦检查时的停留转速为1100r/min,完全能保证柔性基础隔振工作时远离共振区。

为了考察带减振弹簧柔性基础的隔振效果,以及运行过程中外力对基础横梁的冲击状况,机组调试过程中设计单位与电厂共同进行了两个工况下的振动实测:(1)1号汽轮发电机组全速空载工况(2006󰀁04󰀁15);(2)满负荷工况(2007󰀁05󰀁

注:1)测点编号及B点、C点位置参见图4(B、C均为平台横梁中部位置);2)v指垂直方向振动速度均方根值(mm/s),频率采集范围10~1000Hz。

󰀁87󰀁

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大型核电汽轮发电机组弹簧基础及其减振特性研究

表3󰀁全速空载时基础台板垂直振动振幅值

轴承箱编号1)

1号

2号3号

4号3.1

5号

6号

7号

8号3.3

表6󰀁满负荷时基础垂直振动幅值

轴承箱编号振幅/󰀁m

1号5.2

2号1.2

3号0.9

4号1.9

5号6号4.8

5.3

7号7.3

8号1.4

振幅2)/󰀁m10.311.77.811.211.011.9

注:1)测点位于汽轮发电机组联合轴承箱(参见图2)下方台板外

边缘;2)根据󰀁󰀂 厂家设计规范,最大激振力(不超过15%转子质量)导致的基础振动位移峰值不超过12󰀁m。

󰀁󰀁从表1~表6的对比可以看出,随着机组原始激振力降低,轴承座振动降低,特别是通过减振弹簧装置减振,机组基础振幅降低,并极大降低了对基础横梁的冲击;同时减振弹簧的减振比呈现出随激振力升高而升高的趋势,这可能与汽轮发电机组运行现场有其他运行设备存在一定的振动有关。当汽轮发电机组的不平衡激振力减小时,其他运行设备的振动对隔振效果的影响就有所显现。

由表1~表3可见,汽轮发电机组出厂后本身不可避免地存在一定质量不平衡,在激振力较大的情况下,轴承座本身振动较大,但基础平台控制点振动仍满足设计规范(不超过12󰀁m),显示了该减振弹簧柔性基础的隔振优越性;轴系正下方各减振弹簧减振比为1.2~19.4,减振效果良好,缓解了对基础横梁的冲击。

经过调试阶段数次动平衡调整后,机组轴系自身质量不平衡状况得到极大改善,机组满负荷运行时,轴承座振动情况明显好转,基本满足振动不超过2.8mm/s的验收标准,垂直方向的振动实测值见表4。同时设计单位与电厂重新测量了减振弹簧装置的振动情况,满负荷时减振弹簧装置上下端垂直振动及基础台板垂直振动实测结果分别见表5和表6。

表4󰀁满负荷时轴承座垂直振动振幅值

轴承号12345

振幅1)/(mm󰀁s-1)

2.31.20.50.60.3

轴承号67

振幅1)/(mm󰀁s-1)

0.51.41.52.3

轴承号10111213

振幅1)/(mm󰀁s-1)

0.91.91.91.6

4󰀁结󰀁语

󰀁󰀁(1)本文简述了减振弹簧柔性基础在国内百万千瓦等级核电汽轮发电机组上的成功应用。

(2)通过建立百万千瓦等级核电机组、台板及减振弹簧系统的简化模型及现场试验实测,研究了该减振弹簧柔性基础的振动特性,为国内开展大型核电汽轮发电机组带减振弹簧柔性基础的研究工作提供了借鉴,有利于全面掌握并推广弹簧基础在大型汽轮发电机组隔振领域的应用。

(3)由现场实测研究发现,实际机组弹簧基础的减振效果较单自由系统的理论分析结果略差些,这是由于现场多自由度系统及多种影响因素造成,但实际机组仍有较好的隔振效果。

(4)现场实测研究还发现,实际机组弹簧的减振比(KV)呈现出随机组激振力的升高而升高的趋势,这可能与现场有其他运行设备存在一定的振动有关,有待于今后通过其他弹簧基础进一步验证和研究。参考文献:

[1]徐绿野,张汉英.大型汽轮发电机组弹簧隔振基础探讨[J].

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[2]顾晃.汽轮发电机组的振动与平衡[M].北京:中国电力出

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[3]屈维德,唐恒龄.机械振动手册[M].北京:机械工业出版

社,2000.

注:1)振幅的大小用振动速度的均方根值表示。

表5󰀁满负荷时减振弹簧隔振装置垂直振动振幅值

测点1)1222324252627172

振幅2)v/(mm󰀁s-1)

B121.19B220.51B320.30B420.69B521.82B621.24B710.68B720.91

减振比KVB12/C127.00B22/C220.99B32/C322.38B42/C423.07B52/C525.32B62/C626.19B71/C710.85B72/C723.07

注:1)与表2相同;2)与表4相同。

󰀁88󰀁