ISFD® 技术可消除汽轮机上的次同步振动,从而实现全功率输出

Doosan Škoda Power 拥有超过一个世纪的蒸汽轮机制造经验,并投资进行研发,力求成为提供高端清洁能源技术的国际领导者。 在公司的创新解决方案中,有一种利用废热及提高循环能率的系统。

对位于斯堪的纳维亚的发电工业客户,Doosan Škoda Power 设计了 46 兆瓦的蒸汽轮机,并将其作为发电以及废热回收联合循环系统的一部分。 然而在初始调试过程中,涡轮机出现了转子的不稳定性,无法使驱动机构满载运行。 较高的次同步振动迫使涡轮机在功率仅为27 兆瓦而非额定的 46 兆瓦情况下运行时停机。

更改轴承间隙和配置可减缓振动,但不能将其完全消除。 Doosan Škoda Power 联系了 Bearings Plus(沃科夏轴承旗下公司),寻求阻尼器解决方案。

Bearings Plus 对涡轮机执行了系统级 转子动力学评估, 在这个过程中,包括了对转子、各个轴承和密封装置的评估,并确认振动原因为柔性转子(由轴承间的较大跨度产生)结合二次密封位置处的蒸汽涡动力。

关于解决方案,Bearings Plus 建议采用加装 ISFD® 技术的可 倾瓦径向 (TPJ) 轴承对转子系统进行软安装。 这一取得专利的整体式挤压油膜阻尼器设计大幅提高了涡轮机的转子动力学稳定性,消除了次同步振动,并大大降低了临界速度处的放大系数。 最终,整体式挤压油膜阻尼器设计使得蒸汽轮机能够在满载的情况下运行,并为终端用户产生最大功率。

采用整体式挤压油膜阻尼器技术的可倾瓦径向轴承

解决难题

蒸汽轮机的原始 5 瓦摇柱式支撑可倾瓦径向轴承最初设计为不对称油膜刚度,以适应联合循环系统的转子动力学特性,但是,转子柔性与不稳定蒸汽涡动力导致了负阻尼系统,从而产生了大约 30 Hz 的较强次同步振动(见图 1)。 与此相反,使用整体式挤压油膜阻尼器技术的轴承则提供较低刚度和高效阻尼,从而将阻尼比率最大化并消除次同步振动。

频谱瀑布图显示使用原始轴承时的次同步振动情况

图 1:频谱瀑布图显示使用原始 5 瓦可倾瓦径向轴承时 30 Hz 频率下的次同步振动情况

整体式挤压油膜阻尼器设计通过电火花加工 (EDM) 方法而制造。 整体式“S”形弹簧连接着外圈和内圈,在各组弹簧之间则形成挤压油膜阻尼器工作面。 轴承轴瓦置于内圈中。 采用该独特设计可实现同心度、刚度和转子定位的高精度控制;同时通过分离刚度与阻尼,实现了卓越的的阻尼特性。

传统挤压油膜阻尼器 (SFD) 会由于振幅和频率的不同而产生阻尼器油膜动态刚度,然而在整体式挤压油膜阻尼器设计中,该刚度则仅由弹簧限定。 如此,我们便可在不考虑振幅和频率的情况下,对临界转速和转子模态进行准确的预测和设置。

整体式挤压油膜阻尼器阻尼由加油喷嘴和端封处的流阻控制。 传统挤压油膜阻尼器中的阻尼由阻尼器油膜挤压产生并受环流控制,分段的整体式挤压油膜阻尼器设计则可阻止环流影响并通过活塞/阻尼器效应吸收能量。

整体式挤压油膜阻尼器设计的刚度和阻尼则由严密的 转子动力学分析获得应用优化。 对于蒸汽轮机,由于蒸汽涡动力是产生次同步振动的根本原因之一,整体式挤压油膜阻尼器解决方案在分析过程中特别注意对不稳定密封力和级段力进行建模。 不考虑这些力的影响时进行的阻尼特征值分析显示,与原始轴承相比,系数为 12 的整体式挤压油膜阻尼器设计具有更好的稳定性裕量。 在考虑不稳定力的情况下,整体式挤压油膜阻尼器解决方案维持了较高的稳定性裕量(见图 2)。 在将弯曲模态转换为更具刚性的刚体模态并提高转子/轴承系统的整体稳定性和阻尼比的过程中,轴承支持系统的较低刚度和最佳阻尼组合是一个关键因素。

原始轴承的特征值
使用新轴承时的特征值

图 2:一阶模态的阻尼特征值:原始 5 瓦可倾瓦径向轴承(上)与整体式挤压油膜阻尼器技术的 4 瓦可倾瓦径向轴承(下)

使用原始轴承时的现场振动测定
使用新轴承时的现场振动测定

图 3:同步响应的现场振动测定:原始 5 瓦可倾瓦径向轴承(上)与整体式挤压油膜阻尼器技术的 4 瓦可倾瓦径向轴承(下)

现场数据

安装了采用整体式挤压油膜阻尼器技术轴承后的现场振动数据验证了转子动力学分析, 显示了系统的阻尼效果良好。 即使在启动阶段的热力瞬变过程中,整体式挤压油膜阻尼器设计也大幅降低了同步振动并消除了振动的增量与波动性(见图 3)。

并且,使用整体式挤压油膜阻尼器设计后,在初始调试(图 1)过程中遇到的次同步振动峰值已被消除(见图 4)。 正是有了使用整体式挤压油膜阻尼器技术的轴承所提供的较大稳定性裕量,系统的大幅次同步振动才得以消除,从而使得涡轮机可以全速、全功率运行。

采用整体式挤压油膜阻尼器设计的瀑布图

图 4:频谱瀑布图显示使用整体式挤压油膜阻尼器设计后次同步振动的消除情况

多功能性

高速、高压应用时的柔性转子尤其对通过临界转速时的转子动力学不稳定性和较大的放大系数敏感。 不论是应用到整体式齿轮压缩机、离心压缩机、蒸汽轮机还是发电机,整体式挤压油膜阻尼器轴承阻尼解决方案都可设计为特定的支承刚度和阻尼,以将传输到轴承所在位置的能量比率最大化,并大幅提高系统的稳定性。

整体式挤压油膜阻尼器技术

整体式挤压油膜阻尼器设计使用有限元方法进行了优化,并通过接线电火花加工方法制造,其提供了精确控制的刚度和阻尼。 其最大程度提高轴承位置的能量消耗,并可显著提高系统稳定性。

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转子动力学分析

转子动力学分析同时评估轴承和密封特性,以便更好地了解每个部件的独立作用。

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