大型汽轮发电机组轴系扭振安全性分析(3)

行以及电网的稳定性，造成了巨大的经济损失，因此进行汽轮发电机组轴系扭振的安全性分析对我国电力事业的发展具有重大意义。

４产北ｌ乜／Ｊ人’７：硕ｌ：学何论文

根据国内外大量研究成果、ＣＩＧＲＥ等国际组织的有关报告以及某些著名制造厂

商的标准，可以认为制定我国关于汽轮发电机组轴系扭振安全性分析标准的条件已

具备。合理统一的设计准则及安全评估体系不仅可以使国产汽轮发电机组轴系的质

量得到有效保证，而且可用以指导订购国外大容量汽轮发电机组时的技术谈判。

１．２国内外研究现状

结构安全性分析从本世纪四、五十年代以来，已在航空航天、建筑、船舶及海

洋工程等方面得到了广泛的应用。在电力工业领域，对汽轮发电机组轴系扭振的疲

劳可靠性研究的时间并不长，仍有许多问题需要深入探讨。Ｐ．Ｈ．Ｗｉｒｓｃｈｉｎｇ在七十年

代末进行的研究开创了结构可靠性研究的先河［２１，并逐步引起科研界的重视。当前，

对于汽轮发电机组轴系扭转疲劳可靠性的分析，相关文献用静载代替疲劳载荷，应

用相对成熟的静载可靠性分析方法来分析轴系扭振的可靠性，如分枝一约界法、准则

法等；也有相关研究机构侧重于分析扭转疲劳的机理，其研究主要集中于单一部件

的疲劳可靠性分析，如叶片、联轴器等，而对汽轮发电机组轴系进行系统的疲劳可

靠性研究还不多。在国外，六十年代美国的Ｍａｎｓｏｎ通过大量的实验研究，提出了

根据材料的力学性能计算扭转疲劳ｓ－Ｎ曲线的方法，在规定的范围内有很好的预测

精度；八十年代初，Ｍａｒｔｉｎｄａｌｃａ３ｌ以及￥ｔａｈｌ［４】将疲劳估算进行分区考虑，发表了更为

精准的扭转疲劳计算方法；八十年代末及九十年代初，Ｋａｒｓａｎｌ５】以及Ｋａｒａｍｃｈａｎｄａｎｉｆ６】

等报告了一些新的研究进展，这些研究为扭转疲劳的较精准计算奠定基础。在国内，

对轴系的扭转疲劳研究起步较晚，通过引进、消化、吸收，使理论研究水平有了很

大的提升。九十年代后期，华北电力大学、上海交通大学、西北工业大学等高校及

上海成套研究所等研究机构展开了大量的研究工作，研制成功了轴系扭振在线监测

装置，并发表了若干成果【７】。这对国内大型汽轮发电机组的安全运行具有积极意义。

１．２．１国外研究现状

在２０世纪７０年代之前，大型汽轮发电机组轴系扭振安全性评价一直采用发电

机机端三相短路的最大扭应力作为准则，但是自美国Ｍｏｈａｖｅ电厂发生轴系在相隔

一年时间发生两起轴系断裂事故后，引起了国际社会的高度关注，对轴系扭振的安

全性分析做了大量的研究与试验，结果表明随着电网的日趋复杂，电力系统中很多

扰动（如次同步谐振）对轴系的损坏远比发电机机端三相短路严重【８Ｉ。

自２０世纪７０年代以后，国外曾发生过多起汽轮发电机组轴系扭振破坏的重大

事故，造成了极大的经济损失【９】【ｌｏ】。如加拿大蒙特利尔６６５ＭＷＡ、ｌ８００ｒ／ｍｉｎ的核电机组Ｉｌｌ】，加拿大温哥华５００ＭＷ汽轮机组【１２】，前苏联的５００ＭＷ汽轮机组【１３ｌ，美

『

．ｆ产北电力大学硕ｌｊ学位论文

国ＳｑｕａｒｅＢｕｔｔｅ燃气机组㈣及德国ＷｉｂｅｌＳｈａｖｅ电厂的１６．８ＭＷＡ给水泵电机【１５１都先

后发现了明显的轴系扭振现象或发生了扭振事故。

文献Ｕ６］介绍了轴系扭振疲劳寿命损耗逐渐取代故障时轴系最大扭应力作为轴

系扭振的评估指标后，国际上许多著名的研究机构和制造部门以及国际性组织都在

着手研究扭振设计的新标准。文献［１７１得到了轴系仿真模型，可以分析突然短路、

载荷状态、甩负荷对轴系参数的影响，是故障下轴系安全性分析的前提。文献【１８】

分析当前疲劳累积损伤理论中存在的问题，并对在特定载荷谱下疲劳损坏阈值的确

定进行了探讨，对扭转疲劳累积损伤理论的修正具有借鉴意义。文献［１９】提出了以

感应电动机电磁转矩评估轴系扭振安全性的方法，为轴系扭振安全性分析提供了一

条途径。

由于系统扰动对轴系扭振疲劳寿命损耗的影响与轴系结构、材料、扰动类型、

发生条件以及疲劳寿命的评估方法等许多因素有关，有着很大的复杂性和分散性，

１９７３年德国Ｓｉｅｍｅｎｓ和ＫＷＵ公司开展了关于电力系统电磁暂态过程对轴系影响的

分析研究，结果表明电力系统的故障可导致轴系上产生严重的扭转力矩，当振荡扭

矩叠加时，可能造成轴系的扭振损伤【２０】。而迄今为止，国内外对轴系扭振的评估尚

未形成统一的标准，目前被国际上普遍接受的是德国ＫＷＵ公司的技术标准。

１．２．２国内研究现状

随着我国电力系统的迅速发展，大容量汽轮发电机组越来越多，电网运行情况

也越来越复杂，大机组轴系的安全问题已成为一个极为重要的问题。１９８９年原能源

部和中电联召开了“大电网与大机组政策研讨会＂，会议强调了大机组轴系安全的

重要性及制定有关标准的必要性【２１】ｆ２２１，随后各科研院所开展卓有成效的研究工作，

并取得了可喜的成果，使我国对运行机组扭振的监测、预警、抑制有了很大的突破。

文献【２３】通过机电类比，将轴系扭振模型等效为一个四端网络模型并采用机械阻抗

方法进行扭振分析，为轴系固有特性的精准计算提供了一条可行的途径。文献［２４】

以局部应力应变法、雨流周期计数法和线性累积损伤定律为理论基础，提出了轴系

扭振疲劳寿命估算方法，为轴系扭振安全性评估奠定了基础。文献【２５】基于汽轮发

电机组轴系扭振考核导则的要求，给出了机组轴系对发电机端相间短路和三相负载

不平衡的响应结果，并校核了轴颈和联接螺栓的扭振应力强度。文献【２６】在借鉴国

外汽轮机发电机组大轴材料的扭转疲劳寿命曲线的基础上，用局部应力应变法和累

积疲劳损伤准则估算了汽轮发电机组轴系扭转疲劳，并依此编制了计算程序。文献

【２７］分析了短路工况下扭振阻尼与短路时间对汽轮发电机组轴系扭转疲劳寿命损耗

的影响。文献【２８】利用传递矩阵法求得扭振固有频率及主振型，用振型叠加法计算轴系在两相短路情况下的动力响应，在计算中考虑了叶片叶轮系统与轴系扭振的耦

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合作用，并对计算结果进行了分析，讨论了该机组的轴系扭振安全性，为机组的安

全运行提供了理论依据。文献【２９】认为以最大扭应力作为轴系扭振的评估指标时存

在着一定局限性，从计算方法、影响因素、评估标准三个方面讨论了以轴系疲劳损

耗作为评估指标的合理性。

以上研究反应了我国在轴系扭振建模、响应计算、扭转疲劳寿命估算以及评估

轴系安全性方面取得的重要成果。由于轴系疲劳寿命损耗是累积的，不仅与扰动类

型、地点、时序等因素有关，而且还与扰动发生的频率有关，涉及到的问题很复杂，

对于严重扰动下机组轴系扭振的允许标准，目前主要采用的仍然是德国ＫＷＵ公司

针对国外多种型号机组 …… 此处隐藏：2324字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……