大型核电汽轮发电机热致振动试验研究

陈自强，杨 璋



大型核电汽轮发电机热致振动试验研究

陈自强，杨 璋

（福建宁德核电有限公司，福建 宁德 355200）

试验研究大型核电汽轮发电机组的四极发电机转子存在热弯曲时的振动特性。建立带热弯曲的转子动力学模型，分析转子热弯曲与不平衡响应的振动特性。以某批国产1000 MWe四极核能发电机转子为研究对象，测试并分析发电机转子台架试验与实际运行工况下冷态及热态时的振动数据。重点分析转子临界转速及额定转速下的热矢量变化，试验结果显示发电机转子的热弯曲主要影响转子台架试验时的一阶振动，实测试验数据与理论模型分析结果比较一致，同时发现热弯曲发电机转子实际运行时对一阶与二阶振动分量均有复杂影响。试验研究还发现，在发电机转子两侧风扇燕尾槽内安装同相配重块优化发电机一阶共振振幅时减振效果有限，该处加重不敏感。

1000 MWe四极发电机；转子热弯曲；热致振动；热矢量；振动特性分析；动平衡

0 前言

汽轮发电机转子由于锻件材料的各向异性（不均）、转子冷却系统不对称、转子受热不均匀、转子线圈热膨胀不均产生内摩擦力及动静碰磨等原因容易导致热不平衡，该类现象在火电机组较为常见，相关研究也比较深入[1-7]。大型压水堆核电机组由于主蒸汽参数低，往往选用半转速（1500 r/min）的湿蒸汽汽轮机并配套使用四极发电机[8-10]。随着国内一批百万、千万级核电机组陆续建成投产[11,12]，研究这批大型四极发电机转子的振动特性具有重要意义。本文结合国产压水堆核电站（CPR1000）部分同型号四极汽轮发电机启停机过程中的振动现象，对大型四极汽轮发电机存在轻微热弯曲时启停机的振动特性及治理措施进行试验研究。

1 大型四极核能汽轮发电机结构

根据核电用湿蒸汽汽轮机蒸汽参数低的特点，发电机往往采用四极隐极式转子，即转子同步转速1500r/min。某型汽轮发电机为引进ALSTOM技术合作生产的TA 1100-78 四极三相同步汽轮发电机，发电机冷却方式为水-氢-氢，发电机励磁系统采用带机端励磁变压器的自并励无刷励磁系统。汽轮发电机主要由定子、转子、端罩和轴承等部件组成。发电机转轴由高强度、高导磁性的合金钢锻件加工而成，在转子本体径向上开有纵向的槽用于安装励磁绕组；转子绕组在槽内由铜合金槽楔紧固以抵御离心力，这种槽楔均楔入转子槽口处的鸽尾槽内。由于该型发电机已经不再产生倍频振动，因此在大齿上不再加工横向槽。

主要设计参数如下：

容量 1277.78 MVA

有功功率 1150 MW

功率因数 0.9

电压 24 kV

电压变化率 ±5%

额定电流 30739 A

转速 1500 r/min

频率 50 Hz

相数 3

定子绕组连接方式 Y

绝缘等级 F级（按B级温升考核）

冷却器进水温度 29 °C

氢压 3 bar

转子总长 15371 mm

转子重量 233t

轴承跨距 12580 mm

轴径 Φ800 mm

本体尺寸 Φ1950 mm×7950 mm

转子加工有48槽，槽形为矩形槽，1号槽为浅槽；转子采用全阻尼结构：大齿浅槽内阻尼条与下线槽内的阻尼条共同形成一个完整的阻尼笼。汽轮发电机的结构如图1所示。

图1 发电机总体结构图

2 带热弯曲的转子动力学模型

带初始暂态热弯曲转子的弯曲弹性变形将产生弹性恢复力，采用有限元方法建立弯曲弹性转子的加重响应方程[13]：

因此，转子的弯曲响应为：

转子的加重响应为：

通过有限元计算该型发电机转子自身的一阶临界转速为885r/min，二阶临界转速区为1778~2127 r/min；汽轮发电机组轴系的前七阶临界转速中对应发电机转子的分别是一阶（890r/min）、五阶（1804r/min）和六阶（2140r/min）。

由于该型汽轮发电机的额定工作转速是1500r/min，因此处于一阶临界转速与二阶临界转速之间。

3 启停过程台架试验研究

汽轮发电机转子出厂前需要验证热态下（制造厂往往通过集电环对转子进行加热至规定的温升值）的振动情况，其中转子平均温度通过压降法测直流电阻的方式估算。由于大型锻件材料难免存在各向异性（不均）的可能性，部分发电机转子热态下存在一定热弯曲，该型号各发电机转子出厂温升试验结果也验证了这一点。

以其中一台热态下存在一定热弯曲的汽轮发电机转子为例进行试验研究。转子在动平衡台架就位后，在环境温度为12℃时将转速提升至额定转速1500 r/min并维持稳定，随后通过提高转子上绕组的电压/电流，将转子温度提升45℃的温升（约25min内由约15℃提高至约60℃）。实测发电机转子冷态升速及热态惰走过程垂直方向测点的波德图。其中，图2所示为发电机转子靠近汽轮机侧轴颈位置（前轴承）的冷态升速波德图，图3所示为发电机转子靠近励磁机侧轴颈位置（后轴承）的热态降速波德图，曲线a分别代表升速波德图的一倍频幅值与相位；曲线b分别代表降速波德图的一倍频幅值与相位。

图2 发电机转子温升试验振动波德图（前轴承侧）

图3 发电机转子温升试验波德图（后轴承侧）

图2和图3比较发现转子的温升对过临界及额定转速下的振动影响明显，热态时的振动情况与冷态时差别较大，热矢量计算结果见表1。

由表1得出：温升导致转子过临界时的热矢量变化明显高于额定转速工况，前测点的幅值变化约为7倍，后测点处约为13.3倍；温升前后转子两侧（汽轮机侧和励磁机侧）在临界转速区的热矢量变化接近，转子在额定转速下前测点侧的热矢量幅值约为后测点侧的两倍；转子在临界转速下热矢量变化以一阶变量为主，相位变化量接近反相，二阶变量几乎可以忽略，而转子两侧额定转速下一阶热矢量变化量略高于二阶量，相位接近。试验结果与第2节的理论分析基本一致。

表1 发电机转子台架试验振动热矢量幅值µm∠°

制造厂往往通过加重的方式调整发电机冷态、热态下的振动情况（该型号发电机转子本体上轴向共35排配重螺钉孔，两螺钉孔轴向距离150 mm；每排配重孔在周向共8个配重孔。以零点为起点，周向配重孔角度分别是10°、75°、100°、165°、190°、255°、280°、345°），一般在转子中部安装动平衡螺钉平衡过临界时的振动，在转子两侧安装动平衡螺钉平衡转子额定转速下的振动。

4 热弯曲汽轮发电机启停机试验研究

发电机转子在制造厂经过仔细平衡后，在电厂轴系运行条件下还会由于转子外伸端状态的变化、支承条件的不同、临界转速和振型的改变，靠背轮的对中不正效应、热状态（带负荷）的不同导致平衡状态改变[14]。仍以第3节所述发电机转子为例，试验研究该汽轮发电机启停机过程中的振动特性。

4.1 冷态冲转及热态惰走工况振动测试

首先研究该汽轮发电机冷态冲转及长期带负荷后停机惰走时的振动特性。图4所示为该汽轮发电机2016年6月13日冲转过程两侧垂直方向测点的波德图，冲转前实测氢冷器冷氢平均温度约34.94 ℃，热氢平均温度约36.09 ℃，转子的平均温度约35.52 ℃。

由图4可见，发电机冷态冲转通过临界转速区过程中在垂直方向出现两处峰值，虽然四极发电机转子大齿上不再加工横向槽，径向各次刚度基本对称，但该型汽轮发电机轴系采用的三瓦块可倾瓦在水平/垂直方向存在较明显的刚度差别（水平方向刚度低，导致振幅及临界转速均高于水平向）。同时从图4还发现后轴承的振幅明显低于前轴承，这可能发电机实际运行时在后轴承处安装有励磁机有关。

图4 汽轮发电机冲转波德图（20160613）

该发电机连续运行半年多后于2017年1月20日解列临停检修，测量惰走时的波德图，如图5所示。此时，发电机解列停机前根据公式（9）[15]实测发电机转子平均温度约50.2 ℃，惰走前实测氢冷器冷氢平均温度36.68 ℃，热氢平均温度约39.63 ℃。

式（9）中，。

由前文可知，图5中汽轮发电机转子惰走前的平均温度约50.2 ℃，而图4中约35.52 ℃，前者比后者的温升高约15℃；前者惰走过临界时垂直向的共振峰不如水平向明显，共振振幅均有一定程度降低，但总体上振动特性更复杂，尤其是后轴承测点处。发电机转子前轴承处在热态时临界共振振幅或额定转速下的振动均比冷态时有明显降低，但后轴承处的变化相反。发电机转子两侧轴承处垂直方向振动测点的热矢量计算结果见表2。

表2 发电机转子实际运行振动热矢量幅值µm∠°

由表2得出：温升导致发电机转子过临界时前测点处的热矢量变化约低于额定转速工况时20%，后测点处约高50%；温升前后转子前轴承侧在临界转速区的热矢量变化远低于后轴承侧，仅约25%；转子在额定转速下前轴承侧的热矢量幅值约为后轴承侧的50%；转子在临界转速下热矢量变化以一阶变量居多，但二阶变量不可忽略，一阶变化量的相位与二阶量基本反相；转子两侧额定转速下一阶热矢量变化量约为二阶量的两倍，一阶变化量的相位与二阶量基本反相。

总体而言，由于发电机实际运行过程中支撑方式的改变、励磁机的影响及温升导致的热矢量等综合作用，改变了冷热态启停机的振动特性，热矢量导致的振动变化更复杂。由于汽轮发电机组轴系的影响改变了发电机单转子的振型，在临界转速区和额定转速下发电机转子一阶分量和二阶分量同时存在且一阶分量占优，在发电机转子原有质量分布状态未发生改变的前提下，可以认为热矢量对转子的振动影响更大。试验结果与第2节理论分析结果不一致，发电机实际运行时的振动更复杂。

4.2 发电机运行条件下动平衡试验

由于发电机转子实际运行中调节自身平均温度的措施有限，对发电机在轴系运行条件下进行了动平衡试验，进一步探索该类大型四极汽轮发电机转子的振动特性。

仍以第3节所述发电机转子为试验研究对象。结合图3和图4的波德曲线分析，该发电机转子过临界时的共振振幅偏高存在优化空间，同时考虑到电厂发电机抽转子在本体上加重的难度，动平衡试验以在发电机转子两侧风扇的燕尾槽内对称加重的方式实施（风扇环平衡槽节圆直径1480 mm，两侧各对称加重2.0kg），以此研究汽轮发电机在该处的动平衡响应特性。

测量发电机转子动平衡前后冷态冲转过程前轴承处垂直方向的波德图，如图6所示。从图6看出：加重后发电机转子前轴承处垂直方向的共振峰值下降约30 μm，水平向的共振峰值基本保持不变，额定转速下的振幅上升约10 μm；除700~900 r/min区间相位有一定变化外，其余转速平台下相位基本保持不变。同等比较二极发电机转子，四极发电机转子两侧共计4 kg的同相加重质量对转子的振动影响有限，这可能和四极转子自身的质量大、跨距长等有关。大型四极发电机转子对两侧同相加重的振动影响不敏感。

图6 汽轮发电机动平衡前后波德图

5 结论

大型四极汽轮发电机转子由于锻件各向异性（不均），温升导致的热弯曲对转子振动影响较大。发电机单转子台架试验时，热弯曲的影响以一阶为主；发电机实际运行时，热弯曲同时影响一阶分量和二阶分量，热矢量影响复杂。发电机热态惰走时共振振幅同比要低于冷态冲转过程，因此适当提高发电机转子温度有助于改善转子通过临界转速区时的共振振幅。试验研究还发现大型四极汽轮发电机转子存在两侧加重振动响应低的特点。

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Experimental Study on Thermal Vibration of Large Nuclear Power Turbine Generator

CHEN Ziqiang, YANG Zhang

(Ningde Nuclear Power Company, Ningde 355200, China)

Experimental study on the vibration characteristics of the rotor of a large quadrupole turbo generator. The dynamic model of the rotor with thermal bending is established, and the vibration characteristics of the rotor are analyzed. Based on a series of 1000 MWe nuclear power generator rotor, the vibration data of the generator rotor at the cold and hot state was analyzed. Focus on the analysis of heat change vector of rotor critical speed and rated speed. The test results show that the vibration of generator rotor thermal bending mainly affects the rotor test bench when the test data and the theoretical model is consistent with the analysis results, also found that the thermal bending of generator rotor running on one and two step vibration components are complex effect. The experimental results also show that the damping effect is limited when the first order resonant amplitude of the generator is installed in the dovetail groove of the rotor of the generator.

1000 MWe quadrupole generator; rotor thermal bending; thermal vibration; thermal vector; vibration characteristics analysis; dynamic balance

TM311

A

1000-3983(2018)06-0057-05

2017-11-30

陈自强（1974-），1996年7月毕业于西安交通大学热力涡轮机专业，本科学历，从事核电站运行及安全研究，高级工程师。