临界机组汽动给水泵转子振动研究

临界机组汽动给水泵转子振动研究

宋庆安

（中国能源建设集团华北电力试验研究院有限公司天津市300161）

摘要：超临界机组气动给水泵在运行过程中会出现振动的问题。首先在分析汽动给水泵转子的结构特点基础上，建立了汽动给水泵转子支承系统的有限元振动分析模型。然后，应用该模型计算了转子系统的临界转速及其模态振型。最后，通过在叶轮上施加不同不平衡品质的原始不平衡质量方法，计算了转子系统的不平衡响应，分析了不平衡响应与叶轮不平衡品质的关系。

关键词：超临界机组；汽动给水泵；有限元法；临界转速；不平衡响应

引言

目前，600MW及以上汽轮机组已成为火电厂的主力机组。为了提高大型火电机组运行的安全，有必要严格控制汽动给水泵的振动。为此，本文针对600MW超临界机组汽动给水泵存在的振动问题，采用有限元分析方法，通过建立汽动给水泵转子有限元分析模型，并在叶轮上施加不同不平衡品质的原始不平衡质量方法，计算转子部分的不平衡振动响应，分析汽动给水泵转子不平衡振动的响应特征和影响因素，以期对其设计、制造、安装调试和运行控制提供指导和参考，从而可以从源头和根本上寻求解决大型汽轮机组汽动给水泵的振动问题的技术方法。

1汽动给水泵转子结构分析

某600MW超临界机组汽动给水泵的转子结构如图1所示，主要包括泵轴、推力盘、推力盘锁紧套、平衡盘、平衡盘锁紧套、5级叶轮、滑动轴承、机械密封、挡油环、联轴器等。

如图1所示，汽动给水泵转子轴长2.826m。根据结构特点，将转子部件从左到右分为25个轴段，依次编号为1-25。汽动给水泵的平衡盘是多级离心泵普遍采用的一种轴向力平衡装置，本文研究的600MW超临界机组的汽动给水泵也采用了这种平衡装置。平衡盘通过键联接的方式固定周向位置，采用平衡盘锁紧套固定轴向位置，与泵轴同时转动。推力盘通过锁紧套固定在轴上的轴向位置，并采用键联接固定周向转动，随泵轴一起转动，利用固定在定子上的推力瓦来平衡转子启动和受到冲击的过程中产生的轴向力，防止转子发生轴向蹿动，保证转子与泵体间的相对位置，保护设备的安全。叶轮共有5级，其中首级叶轮位于入水口侧，末级叶轮位于出水口侧，其余3级位于首级叶轮和末级叶轮之间，为次级叶轮。叶轮与泵轴之间采用键联接，其配合为过盈配合，因此可视为与泵轴为一个整体。

2有限元模型建立

根据表1所示汽动给水泵转子的结构特点，将转子轴沿其轴向划分为几何相近的91个梁单元，共计92个节点，叶轮、平衡盘，推力盘等部件简化为集中质量和转动惯量，附加到对应的节点上，如图2所示。图2中，坐标原点设在左端轴心，定义x为轴向方向坐标，y为垂直方向坐标，z为水平方向坐标。

图2所示的有限元模型的参数设置如下：

(1)轴单元选用梁单元Beam189。梁单元Beam189的截面设置为实心圆CSOLID，需要输入的结构参数为轴段长度及其对应轴半径，轴的材料为40CrNiMo合金钢，其密度为7870kg/m3，弹性模量为210GPa，泊松比为0.3。

（2）滑动轴承和密封处的弹簧阻尼轴承单元选用Combi214单元，分别耦合到对应的节点上。滑动轴承和水密封轴承特性通过8个动特性参数设置。

（3）汽动给水泵转子轴通过滑动轴承和密封水轴承等提供径向支承。给水泵转子轴通过这些轴承支承在基础上，因此，在这些轴承对应的节点处施加全约束。

（4）联轴器连接泵轴部分即88节点到92节点，简化为刚性约束，即约束这四个节点的y，z方向上的位移。

3不平衡响应特性分析

转子部件在制造加工以及安装调试等方面可会出现偏差，致使叶轮、平衡盘、推力盘等部件存在一定的质量偏心。这些偏心质量在转子旋转时就会产生不平衡力。

为了保证转动机械的安全工作，国家标准分别对不同类型的转子规定了其平衡品质G。常用等级从G0.4-G40。主要包括G0.4、G1.0、G2.5、G6.3、G16、G40等6个不平衡品质等级。不平衡品质表征数值越大表示不平衡品质的精度越差。G0.4主要用于陀螺仪和高精密磨床砂轮轴，G40主要用于汽车轮、火车轮轴和农业机械或建筑机械的旋转部件。而水力机械主要涉及G2.5、G6.3和G16。根据国家标准，刚性转子的平衡品质主要体现在转子单位质量的允许残余不平衡量U/M或者质量偏心距e。根据工作转速5738r/min和所选取的平衡品质等级去选取国家标准下的转子单位质量的允许残余不平衡量。根据所选取的残余不平衡量计算不平衡力，不平衡品质G16下，叶轮的残余不平衡量为30g•mm/kg，在不平衡品质G6.3下，叶轮的残余不平衡量为12g•mm/kg。根据计算的不平衡力施加在对应节点上，分为单节点施加和5个叶轮节点同时施加。单点施加不平衡力，主要是对每个叶轮节点分别施加不平衡力，在G16品质下，不平衡力F=242.78N，在G6.3品质下不平衡力F=97N。在G16品质下，不平衡力分别作用于46、50、54、58、62节点，求泵轴的振幅。随着不平衡力施加的位置节点号的右移，泵轴整体振幅相对变小。在实际情况下，5个叶轮应该都有对应的不平衡品质，计算得到的为5个叶轮节点分别全部采用G16和G6.3等级的不平衡品质。发现采用G16的节点处最大振幅是采用G6.3的节点最大振幅的2.5倍。

同样地，在5个叶轮都采用G16的不平衡品质下，分别将5个叶轮的3个节点变为G6.3的不平衡品质，主要分为4种情况：

（1）将46、50、54节点叶轮品质变为G6.3；

（2）将50、54、58节点叶轮品质变为G6.3；

（3）将54、58、62节点叶轮品质变为G6.3；

（4）将46、54、64节点叶轮品质变为G6.3。

将在进行计算转子全部节点的振幅，发现相对于5个叶轮都采用G16品质，振幅下降约为6μm。

通过以上对单点、多点使用有差异的不平衡品质进行有限元仿真计算，得到了从G16-G6.3标准下，600MW超临界机组汽动给水泵转子部件在工作转速下，靠近46节点（出水口）的叶轮对不平衡更加敏感，通过对产品泵轴的轴振在不同情况下的比较，可以根据产品使用的不同的要求，进行对叶轮不平衡品质的调整，以提高汽动给水泵的安全性和稳定性。

结论

本文分析了600MW超临界机组汽动给水泵转子部件的结构特点，建立了转子支承系统的有限元模型。应用阻尼法计算了600MW超临界机组汽动给水泵转子的固有振动特性，得到了转子的前2阶临界转速及其振型。由前2阶振型计算结果可知，汽动给水泵转子的振动主要集中在叶轮和非驱动端。为了控制汽动给水泵转子的振动，需要从整体考虑，提高转子部件特别是叶轮的加工、安装和调试精度。

参考文献：

[1]郑国宽，李翠翠，陈广林．600MW级空冷机组给水泵配置分析．电力科学与工程，2016；（7）：50—55

[2]张家伟，牟法海．300MW机组汽动给水泵异常振动原因分析与处理．电站辅机，2015；（2）：44—46.