Case Study: Eliminating Subsynchronous Vibrations

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 建议使用 ISFD^® 技术在可倾瓦径向 (TPJ) 轴承上软安装转子系统。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。

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。

Waterfall spectrum showing subsynchronous vibrations with original bearings

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。

ISFD 设计的刚度和阻尼则由严密的转子动力分析获得应用优化。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。