鄒縣發電廠超超臨界1000MW汽輪發電機組軸系穩定性計算結果分析

0 概述鄒縣發電廠四期工程是引進日立技術製造的超超臨界1000MW火力發
電機組，無論就其功率（單軸）和軸系長度而言，均為目前世界一流，且製造廠
又沒有此類機組的製造和運行業績。由於其軸系（總長54.2米，其中汽輪機四個
轉子總長37.9米）長出以往機組很多，且蒸汽參數又為超超臨界（25.0MPa/600
℃/600℃），所以汽流、油膜半頻左右的軸系失穩激振趨勢不可輕視，因為以往
無論是國產的還是進口技術生產的大型機組都曾有大概率的發生，且至今沒能很
好地解決；軸系加長后，軸系的穩定性目前沒有理論及工程計算支持，只有日立
公司的其它較短軸系的隨功率加大在幾乎是線性算術級別上的簡單累加。這些都
不能完全、精確地證明此未經實踐證明了的1000MW機組的軸系一定是穩定的。為
把風險降低到最小，進行鄒縣發電廠超超臨界1000MW汽輪發電機組軸系穩定性的
計算是必要的，以使引進工作萬無一失。

1 軸系概況鄒縣發電廠引進的1000MW汽輪發電機組軸系由汽輪機高壓轉子、
中壓轉子、A 低壓轉子、B 低壓轉子和發電機轉子組成；汽輪機高壓轉子、中壓
轉子、兩根低壓轉子全部採用整鍛轉子；各轉子之間採用剛性聯軸器聯接；每根
轉子各有兩個支持軸承，根據各軸承的工作條件，為保證軸系安全、穩定運行，
高壓轉子、中壓轉子支持軸承選用可傾瓦軸承，兩個低壓轉子及發電機轉子支持
軸承選用橢圓軸承。軸系簡圖如圖1 所示，圖2 為汽輪機的縱剖面示意圖。

　軸系簡圖

各轉子基本參數見表1。
表1 轉子基本參數

高壓轉子中壓轉子 A低壓轉子 B低壓轉子發電機轉子轉子長度 mm 7864.2 8840 9588 10144 16006 轉子質量 kg 24699 29600 72934 72425 104748 支承內跨距 mm 5800 5650 6550 6550 11805 轉動慣量 kg*m² 2190 3719 27171 27084 18957 軸承基本參數見表2。表2 軸承基本參數軸承號 1# 2# 3# 4# 5# 6# 7# 8# 軸頸D mm 406 508 533 533 533 558 558 584 軸承寬度mm mmL/D 254 254 279 305 381 381 381 381 軸承型式可傾瓦橢圓瓦 2 轉子靜力特性根據轉子的有關參數，計算出各軸承在工作狀態下的負荷分配，計算結果見表3。表3 軸承負荷（單位: kN）軸承號 1 2 3 4 5 6 7 8 支反力 106.58 135.63 168.243 121.91 352.4 362.48 359.1 350.78 3 軸系橫振特性計算 3.1臨界轉速 1000MW汽輪發電機組軸系各單跨及軸系臨界轉速計算結果見表 4。表 4 臨界轉速計算結果（單位: r/min）階次 1 階 2 階 3 階 4階 5階 6階 7階單跨高壓轉子 1945 >4500 中壓轉子 2020 >4500 A低壓轉子 1672 3695 B低壓轉子 1705 3850 電機轉子 820 2390 軸系臨界轉速 841 1683 1718 1971 2048 2366 3683 對應振型電機一階 A低壓一階 B低壓一階高壓一階中壓一階電機二階 A低壓二階 3.2不平衡響應按設計規範所規定的轉子不平衡質量大小和分佈，計算了軸系各軸段的響應峰值大小，其中工作轉速下軸系各軸頸處的響應峰值計算結果列於表5。表5 轉子軸頸處不平衡響應計算值轉速：3000r/min 峰-峰：μm

軸頸號 #1 #2 #3 #4 #5 #6 #7 #8 #9 #10 響應值 11 14 11 17 20 22 18 20 24 23

由計算結果可知，各軸頸的振動響應值均滿足設計規範規定的小於50μm的要求。 4 軸系穩定性計算根據軸承各轉速下動特性對軸系的失穩轉速進行了計算,其結果為失穩轉速大於4000r/min，滿足規範要求的大於工作轉速的125%。額定轉速下軸系穩定性計算結果見表6。由表6可知軸系的最小對數衰減率為0.235，其中高壓轉子的最小對數衰減率為0.345，考慮汽隙激振后高壓轉子的最小對數衰減率為0.295，大於0.20，具有足夠的穩定性裕度。表6 軸系穩定性計算結果模態不考慮汽流激振力考慮汽流激振力 No 部位實部虛部對數衰減率實部虛部對數衰減率 1 電機 -3.291 87.96 0.235 -3.291 87.96 0.235 2 A低壓 -9.255 176.77 0.329 -9.254 176.76 0.329 3 B低壓 -9.233 181.17 0.320 -9.231 181.15 0.320 4 高壓 -11.288 205.77 0.345 -9.719 206.94 0.295 5 中壓 -14.167 214.99 0.414 -13.768 215.64 0.401 6 電機 -29.916 245.46 0.766 -29.916 245.46 0.766 7 A低壓 -57.628 384.85 0.941 -57.628 384.85 0.941 5 軸系扭振特性計算軸系扭振固有頻率及發電機發生兩相短路時的最大剪切應力計算結果見表7和表8。表7 軸系扭振固有頻率計算結果（單位: Hz）階數 1 2 3 4 5 6 扭振頻率 13.26 23.28 26.54 56.79 92.65 133.46 表8 軸系扭振晌應（扭轉剪應力）計算結果位置正常最大工況機端二相短路扭矩Nm 應力MPa 扭矩Nm 應力MPa 高壓后軸頸處 9.90E+05 38.46 2.04E+06 79.25 中壓前軸頸處 9.90E+05 38.46 2.64E+06 102.56 中壓后軸頸處 1.90E+06 73.81 4.40E+06 170.94 A低壓前軸頸處 1.90E+06 63.91 4.92E+06 165.48 A低壓后軸頸處 2.50E+06 73.28 6.17E+06 180.89 B低壓前軸頸處 2.50E+06 73.28 6.43E+06 188.37 B低壓后軸頸處 3.20E+06 81.82 1.16E+07 297.64 表9 轉子材料轉子高壓、中壓轉子低壓轉子材料牌號 12Cr 30Cr2Ni4MoV 屈服強度σ_0.2 MPa 760 760 許用剪應力[τ] MPa 438 438 設計規範規定，軸系扭振頻率f要滿足：f≤45Hz； 55Hz≤f≤93Hz；f≥108Hz；對於發電機機端發生兩相短路的最大剪應力應小於材料剪切應力的屈服強度，即：[τ]max≤0.577σ0.2 從表7和表8中看出，軸系扭振頻率滿足設計規範規定的避開率要求，兩相短路最大剪應力也滿足規範要求。表9為轉子材料的強度特性。

6 結論 6.1 軸系各階臨界轉速分佈滿足設計要求從單個和軸系的彈性支承臨界轉速計算和分析結果來看, 引進的1000MW汽輪發電機組軸系各階臨界轉速計算值均避開工作轉速15%，同時也避開暖機轉速。 6.2 軸系不平衡響應峰值較小從軸系不平衡響應計算結果可知,軸系各軸頸處的最大不平衡響應峰－峰值小於50μm,滿足設計規範要求。 6.3 軸系的扭振特性是安全的軸系扭振頻率避開工頻和倍頻的範圍，滿足設計要求；發電機兩相短路工況下，各截面的最大應力均滿足設計規範要求，小於許用應力。 6.4 軸系的穩定性滿足設計要求軸系的失穩轉速大於額定工作轉速的125%，且額定工作轉速下的對數衰減率大於0.20，具有足夠的穩定裕度。