第四节 轴系的扭转振动
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汽轮发电机组的轴系扭振电力系统的某些故障和运行方式,往往导致大型汽轮发电机组的轴系扭转振动,以致造成轴系某些部件或联轴器的疲劳损坏。
轴系扭振是指组成轴系的多个转子,如汽轮机的高、中、低压转子,发电机、励磁机转子等之间产生的相对扭转振动。
随着汽轮发电机组单机容量增大,轴系的功率密度亦相对增大,以及轴系长度的加长和截面积相对下降,整个轴系成为一个两端自由的弹性系统,并存在着各种不同振型的固有的轴系扭转振动频率。
同时随着大电网远距离输电使系统结构和输电技术愈趋复杂。
由于这两方面的原因,电力系统因故障或运行方式的改变所引起的电气系统与轴系机械系统扭振频率的耦合作用,将会导致大型汽轮发电机组的轴系扭转振动,严重威胁机组的安全运行。
产生轴系扭振的原因,归纳起来为两个方面:一是电气或机械扰动使机组输入与输出功率(转矩)失去平衡,或者出现电气谐振与轴系机械固有扭振频率相互重合而导致机电共振;二是大机组轴系自身所具有的扭振系统的特性不能满足电网运行的要求。
因此,无论产生的原因如何,从性质上又可将轴系扭振分为:短时间冲击性扭振和长时间机电耦合共振性扭振等两种情况。
从原则上讲,电力系统出现的各种较严重的电气扰动和切合操作都会引起大型汽轮发电机组轴系扭振,从而产生交变应力并导致轴系疲劳或损坏,只是其影响程度随运行条件、电气扰动和切合操作方式、频率(次数)等不同而异。
其中影响较大的可归纳为以下四个方面:1.电力系统故障与切合操作对轴系扭振的影响:通常的线路开关切合操作,特别是功率的突变和频繁的变化;手动、自动和非同期并网;输出线路上各种类型的短路和重合闸等都会激发轴系的扭振并造成疲劳损伤。
2.发电厂近距离短路和切除对轴系扭振的影响:发电厂近距离(包括发电机端)二相或三相短路并切除以及不同相位的并网,都会导致很高的轴系扭转机械应力。
例如在发电机发生三相短路时,短路处电压下降接近于零,于是在短路持续时间内,一方面与短路前有功负荷对应的同步电磁转矩接近于零,同时发电机因短路并以振荡形式出现的暂态电磁转距将激发起整个轴系的扭转振动。