兩相短路故障下汽輪發(fā)電機組軸系扭振疲勞壽命損耗分析

陳曉云，李汪繁，梁俊宇，蔣 俊，王秀瑾

(1．云南電力試驗研究院(集團)有限公司 電力研究院，云南 昆明650217;2．上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院，上海200240;3．云南電網(wǎng)博士后工作站，云南 昆明650217)

0 引言

隨著我國電力工業(yè)的發(fā)展，汽輪發(fā)電機組單機容量不斷增加，軸系變得相對細長，加之電力網(wǎng)絡(luò)朝著規(guī)模的大型化、結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化、負荷的多樣化以及輸配電技術(shù)的新型化發(fā)展，使得大機組和大電網(wǎng)的耦合扭振問題變得愈發(fā)嚴重［1，2］。

機網(wǎng)擾動對軸系扭振的危害程度主要取決于軸系本身的結(jié)構(gòu)和材料特性、機電擾動的類型及發(fā)生頻率等因素。其中，發(fā)電機出口端兩相短路作為機組一種典型的電氣故障，尤其在部分危險截面上，會致使軸系承受較大的交變扭矩，從而造成軸系的疲勞壽命損耗，甚至使軸系損壞和發(fā)生重大事故，影響機組的安全經(jīng)濟運行。因此，汽輪發(fā)電機組軸系在此故障下的扭應(yīng)力及扭振疲勞壽命損耗分析是軸系扭振安全性評價的重要考察指標。

1 軸系扭振疲勞壽命損耗估算方法

假設(shè)某試件承受的扭應(yīng)力為對稱恒幅力，若扭應(yīng)力SN小于抗剪極限強度Sus，在一次循環(huán)作用下，該試件不會直接斷裂，然而經(jīng)過多次循環(huán)作用后，則可能會萌生裂紋甚至發(fā)生斷裂，這就是疲勞破壞過程，扭應(yīng)力SN對應(yīng)的試件可承受循環(huán)次數(shù)N 即為疲勞壽命，兩者的對應(yīng)關(guān)系可描述為如圖1 所示的基本S-N 曲線。

圖1 基本S-N 曲線示意圖

由圖1 可知，當扭應(yīng)力小于某極限值S∞時，試件壽命趨于無窮大，S∞即為材料的疲勞極限。嚴格意義上說，基本S-N 曲線應(yīng)通過試件的疲勞破壞試驗確定，但鑒于試驗時間上的局限性，無窮大壽命一般由足夠大的有限循環(huán)次數(shù)來近似代替，如106或107?！栋踩禂?shù)和許用應(yīng)力》［3］中就定義了如鋼試件等材料的疲勞極限指標。本文采用的疲勞極限為可承受106次循環(huán)所對應(yīng)的扭應(yīng)力Sf來近似代替S∞。

試件在對稱恒幅扭應(yīng)力SN作用下經(jīng)受n 次循環(huán)后的疲勞壽命損耗百分比D 為

若試件的一次扭轉(zhuǎn)沖擊包含有j 個對稱恒幅扭應(yīng)力Si，分別經(jīng)歷ni次循環(huán)作用，則該沖擊引起的疲勞壽命損耗累積百分比為

式中:Ni為扭應(yīng)力Si在S-N 曲線中的對應(yīng)值。

由于電網(wǎng)規(guī)模的大型化和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，加之汽輪發(fā)電機組負荷的變動等不確定性因素的存在，軸系實際承受的扭轉(zhuǎn)沖擊是不規(guī)則的，這就要求對產(chǎn)生的扭應(yīng)力進行循環(huán)交變過程的規(guī)整化處理，即循環(huán)計數(shù)統(tǒng)計處理?，F(xiàn)有研究中常采用雨流計數(shù)法［1，4，5］，該方法考慮了應(yīng)力-應(yīng)變的遲滯回線對材料疲勞分析的影響，與工程實際較為吻合。本文采用的就是雨流計數(shù)法，并結(jié)合Miner線性累積損傷理論(考慮到全循環(huán)和半循環(huán)作用)來計算軸系壽命損耗。

2 S-N 曲線估算方法

S-N 曲線是軸系扭振疲勞壽命損耗分析的要點之一。本文采用西屋的經(jīng)驗公式法［4，6］估算軸系考核截面的S-N 曲線，其思路是:以材料抗拉強度極限為已知條件，在綜合考慮結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中、尺寸效應(yīng)、表面處理和初始平均應(yīng)力等因素的情況下，基于西屋理論研究和疲勞破壞試驗的經(jīng)驗系數(shù)對其影響進行修正，在雙對數(shù)坐標系中將S-N 曲線近似擬合為三點折線(見圖2)。

西屋經(jīng)驗公式法估算S-N 曲線的3 點分別是壽命為1 次、103次和106次(近似無窮大)循環(huán)作用對應(yīng)的扭應(yīng)力，計算公式為

圖2 西屋S-N 曲線的3 點折線示意圖

式中:Sn100為壽命為1 次的扭應(yīng)力;Sn103為壽命為103次的扭應(yīng)力;Sn為壽命為106次的扭應(yīng)力，近似疲勞極限;S'n為對初始平均應(yīng)力修正后的疲勞極限;Su為材料的抗拉強度極限;CD103為壽命為103次的尺寸影響系數(shù)，常取1．0;CD為疲勞極限的尺寸影響系數(shù);Kfs1為壽命為103次的應(yīng)力集中系數(shù);Kfs為疲勞極限(壽命為106次)的應(yīng)力集中系數(shù);CS為表面影響系數(shù)，常取0．9;CL為負荷影響系數(shù)，常取0．6;Smean為初始平均應(yīng)力。

當軸存在過渡端面(如圖3)時，CD為

式中:r 為倒角半徑;D 為變截面處大直徑。

圖3 變截面軸示意圖

壽命為103次的應(yīng)力集中系數(shù)Kfs1為

疲勞極限的應(yīng)力集中系數(shù)Kfs為

式中:Kt為理論應(yīng)力集中系數(shù);q 為疲勞缺口敏感度，其計算公式分別是:

式中:d 為變截面處小直徑。

公式(3)～(11)的計算基于inch-psi 英制單位，若使用mm-MPa 國際單位，則相關(guān)公式應(yīng)修正為

3 電氣短路故障及其電磁力矩描述

汽輪發(fā)電機組發(fā)生電氣短路故障，將激發(fā)出較為劇烈的暫態(tài)扭矩沖擊，可能引發(fā)機組軸系一個或多個扭振模態(tài)的振蕩響應(yīng)，從而會在汽輪發(fā)電機組軸系的部分危險截面如軸頸和聯(lián)軸器本體及其螺栓等處產(chǎn)生較大的扭應(yīng)力，造成軸系的扭振損傷甚至破壞，應(yīng)予以高度重視。發(fā)電機出口端兩相短路作為典型的短路故障，對軸系的扭振破壞影響相對較為嚴重，也是汽輪發(fā)電機組軸系扭振疲勞壽命損耗的重點考核工況之一。

基于發(fā)電機出口端短路的物理過程以及西屋對暫態(tài)過程電磁力矩的方程描述［5，7］，通用力矩方程表達如下

式中系數(shù)通常設(shè)定為

式中:FA 為一倍頻分量幅值系數(shù)，單位MV·A;FB 為二倍頻分量幅值系數(shù)，單位MV·A;FC 為直流分量幅值系數(shù)，單位MV·A;α為一倍頻分量衰減系數(shù)，單位s;β為二倍頻分量衰減系數(shù)，單位s;γ為直流分量衰減系數(shù)，單位s;f0為輸電線路頻率即工頻，單位Hz;PF 為功率因數(shù);MVA 為發(fā)電機最大出力。把通常設(shè)定的系數(shù)代入公式(15)可得:

4 實例計算

以某600 MW 三缸四排汽型汽輪發(fā)電機組軸系為研究對象，考核發(fā)電機出口端兩相短路故障下軸系危險部位的扭振疲勞壽命損耗情況。假設(shè)故障切除時間小于臨界切除時間，圖4 給出了機組發(fā)電機出口端兩相短路時的電磁擾動力矩隨時間變化的曲線。

圖4 發(fā)電機出口端兩相短路的電磁力矩曲線

根據(jù)電磁力矩曲線，結(jié)合軸系結(jié)構(gòu)參數(shù)、汽輪機各級功率和發(fā)電機本體各分段功率等數(shù)據(jù)，基于振型疊加法和扭矩傳遞方程等，可計算得到軸系各危險截面的扭矩隨時間變化的響應(yīng)情況。目前，汽輪發(fā)電機組軸系中重點考核的危險部位有軸頸、聯(lián)軸器本體及螺栓、長葉片等，其中，軸頸由于直徑相對較小，加之其較容易處于軸系扭振中扭角變化較劇烈的扭振敏感位置附近，故屬于軸系中扭振強度較為薄弱的部位，需重點關(guān)注。圖5 給出了發(fā)電機出口端兩相短路故障下機組軸系各軸頸處的最大扭矩對比。

根據(jù)軸系扭矩響應(yīng)結(jié)果可知，6 號軸頸(2 號低壓轉(zhuǎn)子后軸頸)處的機械扭矩相對較大，由于篇幅限制，本文選取該部位作為考核截面進行詳細分析，具體結(jié)構(gòu)參數(shù)及材料屬性如表1 所示。

圖5 機組軸系各軸頸處扭矩對比圖

表1 考核截面結(jié)構(gòu)參數(shù)及材料屬性

根據(jù)6 號軸頸處的機械扭矩響應(yīng)及扭應(yīng)力計算公式，可得如圖6 所示的發(fā)電機出口端兩相短路下的6 號軸頸處扭應(yīng)力隨時間變化的響應(yīng)曲線。扭應(yīng)力τ 計算公式為

式中:T 為機械扭矩;d 為軸頸外徑;d0為軸頸內(nèi)徑。

圖6 兩相短路下6 號軸頸處扭應(yīng)力響應(yīng)曲線

根據(jù)西屋S-N 曲線估算方法，利用考核截面的結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料屬性等數(shù)據(jù)，不考慮初始平均應(yīng)力，可計算得到6 號軸頸處S-N 曲線的3 個循環(huán)強度關(guān)鍵值，如表2 所示。為保守估計材料疲勞特性，計算時，抗拉強度極限選取屈服強度極限代替。

表2 考核截面的S-N 曲線循環(huán)強度 MPa

利用考核截面的扭應(yīng)力響應(yīng)和S-N 估算曲線，基于雨流計數(shù)法及Miner 線性累積損傷理論，發(fā)電機出口端兩相短路故障下任一時間歷程下的軸系扭振疲勞壽命損耗為

式中:j 和k 分別代表雨流計數(shù)法所得的全循環(huán)和半循環(huán)次數(shù);Ni和N'm代表某一全循環(huán)和半循環(huán)扭應(yīng)力幅值對應(yīng)的疲勞壽命;ni和n'm分別代表在某一扭應(yīng)力幅值下經(jīng)歷的全循環(huán)和半循環(huán)次數(shù)。

據(jù)此得出的發(fā)電機出口端兩相短路下6 號軸頸扭振疲勞壽命損耗隨時間歷程變化的曲線見圖7。

圖7 兩相短路下6 號軸頸扭振疲勞壽命損耗曲線

5 分析及討論

(1)發(fā)電機出口端兩相短路下的電磁力矩在短時間內(nèi)的高幅振蕩是十分顯著的(見圖4)，由此引發(fā)的各軸頸機械扭矩響應(yīng)也達到較高水平。由圖5 可知，除高中壓轉(zhuǎn)子前軸頸和勵磁機轉(zhuǎn)子后軸頸外，其余各軸頸處的最大機械扭矩基本都達到106N·m 等級，尤其是2 號低壓轉(zhuǎn)子與發(fā)電機轉(zhuǎn)子之間的6 號和7 號軸頸，其最大機械扭矩達7 ×106N·m以上。

(2)相關(guān)軸系扭振應(yīng)力安全性考核規(guī)范要求:當發(fā)電機出口端兩相短路時，機組軸系任何部位的最大名義剪應(yīng)力τmax應(yīng)小于材料剪切屈服極限(近似等于0．57σ0．2)。本文中，發(fā)電機出口端兩相短路下的6 號軸頸扭應(yīng)力響應(yīng)最大值為329．5 MPa，小于允許值433．2 MPa，滿足轉(zhuǎn)子材料許用要求和機組軸系相關(guān)考核要求。

(3)德國KWU 公司對于發(fā)電機出口短路時每次沖擊的疲勞壽命損耗值給出了允許標準［8］:目標值＜1%，最大允許值3%。本文中發(fā)電機出口端兩相短路下的6 號軸頸扭振疲勞壽命損耗在1 s 歷程內(nèi)為0．016 1%，符合規(guī)范要求。

(4)發(fā)電機出口端短路故障的發(fā)生在短時間內(nèi)對于軸系扭振疲勞壽命損耗的影響是極其關(guān)鍵的。由圖7 可知，隨著時間歷程的增大，6 號軸承扭振疲勞的壽命損耗值趨于平緩，但在前0．2 s卻增幅迅速，這就要求在發(fā)電機端發(fā)生短路故障時應(yīng)在盡量短的時間內(nèi)進行故障切除，以減少軸系的扭振疲勞壽命損耗。

6 結(jié)論

(1)發(fā)電機出口端兩相短路故障在短時間內(nèi)激發(fā)的電磁力矩振蕩是高幅值且劇烈變化的，由此傳遞的部分軸頸處機械扭矩也維持在較高水平，尤其是低壓轉(zhuǎn)子與發(fā)電機轉(zhuǎn)子間的軸頸需要引起關(guān)注。

(2)發(fā)電機出口端兩相短路故障在短時間內(nèi)對于軸系扭振疲勞壽命的損耗是迅速增加的，且隨著時間的推移趨于平緩，應(yīng)盡可能地減少故障切除時間，保障機組安全穩(wěn)定運行。

(3)對于機組故障下軸系的扭振安全性評價，不應(yīng)僅僅從危險截面的最大扭應(yīng)力入手，還應(yīng)從考慮了整個扭應(yīng)力時間歷程的軸系疲勞壽命損耗進行綜合考核;但是，由于國內(nèi)外對于該項指標并沒有形成統(tǒng)一的意見，仍需進一步開展研究工作。

［1］李曉波．汽輪發(fā)電機組軸系扭振建模與壽命損耗分析［D］．北京:華北電力大學，2006．

［2］周敏，王西田，陳陳，等．1 000 MW 汽輪發(fā)電機組軸系扭振特性計算評估［J］．汽輪機技術(shù)，2008，50(3):223-225．

［3］徐灝．安全系數(shù)和許用應(yīng)力［M］．北京:機械工業(yè)出版社，1981．

［4］張燕．上海—西門子型1 000 MW 發(fā)電機組軸系扭振疲勞損耗評估［D］．上海:上海交通大學，2008．

［5］龐樂，顧煜炯，金鐵錚，等．兩相短路時汽輪發(fā)電機組軸系扭振安全性分析［J］．現(xiàn)代電力，2010，27(5):82-85．

［6］張曉光．國產(chǎn)300，600 MW 汽輪機組軸系扭振研究的新思路［J］．吉林電力技術(shù)，1998(2):17-19．

［7］何成兵，顧煜炯，邢誠．短路故障時汽輪發(fā)電機組軸系彎扭耦合振動分析［J］．中國電機工程學報，2010，30(32):84-90．

［8］岑海鳳，王西田．機網(wǎng)擾動下汽輪發(fā)電機組軸系扭振的評估［C］．北京:中國高等學校電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)第二十四屆學術(shù)年會論文集(上冊)，2008．470-474．