25MW 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子掉葉片的配重處理

紀(jì)烈鵬，周偉民

（中國(guó)石油化工股份有限公司 天津分公司，天津 300271）

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子屬于回轉(zhuǎn)體，轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡引起振動(dòng)是由于轉(zhuǎn)子質(zhì)量偏心或轉(zhuǎn)子出現(xiàn)缺損造成的，是汽輪機(jī)組運(yùn)行中經(jīng)常遇到的問題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，旋轉(zhuǎn)機(jī)械約有70%的故障與轉(zhuǎn)子不平衡有關(guān)，轉(zhuǎn)子經(jīng)過長(zhǎng)期運(yùn)行后出現(xiàn)掉葉片的故障就屬于此類。在生產(chǎn)發(fā)電任務(wù)比較重的情況下，更換葉片耗時(shí)長(zhǎng)，加配重塊重新找好動(dòng)平衡就成為簡(jiǎn)單實(shí)用的方法。這種方法常常應(yīng)用在原先轉(zhuǎn)子已經(jīng)動(dòng)平衡合格后突發(fā)掉葉片故障，造成轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡引發(fā)振動(dòng)的情況，經(jīng)過簡(jiǎn)單分析計(jì)算、加配重后，就能有效地消除。

筆者針對(duì)某熱電廠汽輪機(jī)發(fā)生掉葉片事故的處理過程進(jìn)行分析說明。

1 故障概況

某熱電廠25 MW 汽輪機(jī)組是由單缸、中壓、純凝汽機(jī)組改造成為非調(diào)整抽汽的供熱機(jī)組，現(xiàn)型號(hào)為FC25－3.43/1.0。該機(jī)組長(zhǎng)期調(diào)峰運(yùn)行，在運(yùn)行過程中突然出現(xiàn)高、中壓缸部分聲音異常，振動(dòng)突然增大的現(xiàn)象；用便攜式測(cè)振儀對(duì)主要軸瓦振動(dòng)情況進(jìn)行了緊急測(cè)量，其結(jié)果見表1。

表1 故障發(fā)生時(shí)各主要軸瓦振動(dòng)幅值 μm

由于2號(hào)瓦振幅超過了軸承座振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)，且其余軸瓦振動(dòng)幅值也有所升高，明顯處于異常狀態(tài)，于是打閘停機(jī)。根據(jù)機(jī)組故障現(xiàn)象，與之前正常運(yùn)行時(shí)所測(cè)振動(dòng)幅值比較，垂直和水平方向振幅增長(zhǎng)程度較為明顯（特別是2號(hào)瓦），且為突變，初步認(rèn)為故障的最大可能是汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子掉葉片。

經(jīng)揭缸、轉(zhuǎn)子起吊出缸后檢查，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子第9級(jí)葉輪掉了1 片葉片，斷裂處距離葉根大約70mm，斷面呈裂紋延展性裂透，最終扭轉(zhuǎn)離斷甩脫。檢查下汽缸，缸體無(wú)損傷問題，在下汽缸底部第9 級(jí)對(duì)應(yīng)位置的本體疏水槽道內(nèi)找到離斷葉片；檢查轉(zhuǎn)子第9級(jí)葉輪及相鄰葉輪、葉片，所造成的損傷不大；檢查轉(zhuǎn)子彎曲和各軸瓦狀況，由于打閘停機(jī)處理比較及時(shí)，沒有造成其他異常。

2 掉葉片問題的處理

該故障屬于由汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子掉葉片引起的突發(fā)性不平衡。對(duì)于掉葉片，有三種處理方法:

（1）更換葉片。這種方法處理徹底，不留隱患，但更換葉片需要較長(zhǎng)時(shí)間和專用工具，工藝較為繁瑣。在生產(chǎn)任務(wù)重、時(shí)間緊迫的情況下，無(wú)論進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)更換還是送到專業(yè)廠家更換，檢修時(shí)間都較長(zhǎng)，因此采用這種方法是時(shí)間所不允許的。

（2）在葉輪所掉葉片處的另一側(cè)對(duì)應(yīng)位置上，敲掉相同質(zhì)量的部分葉片。這樣的處理方法快速、也較為簡(jiǎn)單，也能達(dá)到轉(zhuǎn)子的平衡；但弊處也是很明顯的:首先切割工藝要掌握好，否則易引起相鄰葉片打火，或會(huì)使相鄰葉片局部材質(zhì)性能發(fā)生變化，在以后的運(yùn)行中存在葉片發(fā)生變形或延展性裂紋，甚至斷裂的可能性；其次將完好葉片割掉也較為可惜。

（3）給汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子加配重。通過加配重塊，使汽輪機(jī)動(dòng)、靜平衡都達(dá)到合格狀態(tài)。由于實(shí)際掉1片葉片的狀況比較直觀明了，所以采用配重方法比較簡(jiǎn)單易行，花費(fèi)時(shí)間也較短，因此采用該方法。

2.1 轉(zhuǎn)子加平衡配重

根據(jù)相關(guān)圖紙，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況確定實(shí)施的方案及措施，進(jìn)行配重準(zhǔn)備。

2.1.1 配重質(zhì)量的確定

將斷落葉片進(jìn)行稱重，且加上估算的運(yùn)行中的磨損部分，共為0.59kg。

根據(jù)回轉(zhuǎn)體的剛性轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡原理，對(duì)于任何動(dòng)態(tài)不平衡的回轉(zhuǎn)體，無(wú)論在幾個(gè)不同的回轉(zhuǎn)面內(nèi)，有多少個(gè)偏心質(zhì)量，都只需在任選的兩個(gè)平面內(nèi)分別加上一個(gè)配重而使其達(dá)到平衡的狀態(tài)。這樣，要使轉(zhuǎn)子達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，必須使轉(zhuǎn)子的偏心質(zhì)量的離心慣性力之和∑P與其所形成的慣性力偶之和∑M均為零才可，即∑P＝0和∑M＝0［1］。

第9級(jí)葉輪掉葉片后，相當(dāng)于在斷葉處葉輪直徑的對(duì)側(cè)位置增加了一個(gè)與斷葉相同的質(zhì)量（稱為Q9），即Q9＝0.59kg。由于轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡引起的離心力，總可以分解為作用在任意兩個(gè)與之相平行平面上的兩個(gè)分力，所以對(duì)此離心質(zhì)量進(jìn)行平衡，可以在汽輪機(jī)的前端雙列速度級(jí)輪盤和末級(jí)第13級(jí)葉輪上的配重槽內(nèi)加配重（因?yàn)榈?級(jí)葉輪沒有配重槽）?，F(xiàn)在稱雙列速度級(jí)葉輪為Ⅰ面，稱第13級(jí)葉輪為Ⅱ面。因此，第9級(jí)不平衡質(zhì)量Q9可以分解為Ⅰ面和Ⅱ面內(nèi)的兩個(gè)分力，即Q9＝Q9Ⅰ＋Q9Ⅱ，見圖1。

圖1 轉(zhuǎn)子加配重的結(jié)構(gòu)示意圖（單位:mm）

很顯然，只要在Ⅰ面和Ⅱ面內(nèi)各加一個(gè)配重，分別使兩個(gè)平面內(nèi)的∑P與∑M均等于零，轉(zhuǎn)子也就平衡了。

2.1.2 配重質(zhì)量的計(jì)算

由圖1 可見，就Ⅱ面而言，設(shè)所加配重塊質(zhì)量為QⅡ（kg），則在Ⅱ面內(nèi)有:

式中:∑P為平面Ⅱ內(nèi)慣性力QⅡ和Q9Ⅱ之和；∑M為慣性力偶MQⅡ與MQ9Ⅱ之和。

其步驟如下:

（1）根據(jù)式（1），QⅡ＝－Q9Ⅱ。由于所掉葉片位置確定，所以配重的位置和方向也就很容易確定，可知所加配重QⅡ與不平衡質(zhì)量在Ⅱ面的分量Q9Ⅱ大小相等，方向相反。

（2）由于所加配重QⅡ的慣性力偶MQⅡ＝QⅡω2rⅡ，而Q9在Ⅱ面內(nèi)的分力Q9Ⅱ的慣性力偶為∑MQ9Ⅱ＝Q9（L9/L）ω2r9，則根據(jù)式（2）可知QⅡω2rⅡ＋Q9（L9/L）ω2r9＝0，簡(jiǎn)化后得:

同時(shí)可知在Ⅱ面內(nèi)它們的重徑積之比為:

式中:QⅡ?yàn)棰蛎鎯?nèi)所加質(zhì)量，kg；g為重力加速度，m/s2；ω為旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s；rⅡ?yàn)棰蛎媾渲夭郯霃?，m；Q9為第9級(jí)葉輪偏心質(zhì)量，kg；r9為第9級(jí)葉輪偏心質(zhì)量質(zhì)心半徑，m。

（3）由圖1可知:rⅡ＝0.65m，Q9＝0.59kg，L9＝1.8m，L＝2.6m，r9＝0.7m。將數(shù)據(jù)代入式（3）:0.65QⅡ＝0.59×（1.8/2.6）×0.7，得出Ⅱ面內(nèi)的配重QⅡ＝0.44kg。

同理，可以求得在Ⅰ面內(nèi)所加的配重質(zhì)量QⅠ為0.211 8kg。

2.1.3 驗(yàn)算

驗(yàn)算所計(jì)算配重?cái)?shù)據(jù)是否符合轉(zhuǎn)子整體慣性力偶與慣性力偶矩的平衡。由于:

從上述數(shù)據(jù)可知:轉(zhuǎn)子整體慣性力偶與慣性力偶矩已達(dá)平衡，這樣加配重后，可使作用在轉(zhuǎn)子兩端軸承上的動(dòng)反力為零。

需要說明的是，對(duì)于小型汽輪機(jī)來(lái)說，轉(zhuǎn)子雖為撓性轉(zhuǎn)子，但在其工作轉(zhuǎn)速3 000r/min下僅有一個(gè)臨界轉(zhuǎn)速，在此臨界轉(zhuǎn)速附近雖還不是完全達(dá)到平衡，但不平衡量已經(jīng)很??；故配重平衡后，由不平衡質(zhì)量與所加平衡質(zhì)量的離心力所引起的軸向彎矩很小，可以忽略不計(jì)。所以對(duì)于在工作轉(zhuǎn)速下僅有一個(gè)臨界轉(zhuǎn)速的小型汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子僅做低速動(dòng)平衡即可［2］。

2.2 配重塊的加工配置

根據(jù)Ⅰ面和Ⅱ面上的燕尾形配重槽截面的結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算出的所加配重的質(zhì)量，繪圖加工出帶擰緊固定螺釘?shù)呐渲貕K若干備用。對(duì)于配重塊所選用的材質(zhì)方面，由于汽輪機(jī)運(yùn)行蒸汽參數(shù)為中溫、中壓（t＝445 ℃、p＝3.43 MPa），故雙列速度級(jí)上所加配重塊和末級(jí)葉輪所加配重塊的材質(zhì)均可選用20G 鋼或鉻鉬鋼，緊固螺釘材質(zhì)與此相同（該次處理選用了20G 鋼）。

2.3 故障處理的工作

2.3.1 配重?cái)?shù)值的修正

分別在汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子雙列速度級(jí)葉輪輪盤（Ⅰ面）和末級(jí)葉輪輪盤（Ⅱ面）的配重槽上劃出與所掉葉片位置角度相同的對(duì)應(yīng)位置，畫出徑向中心線，此即為所加配重塊沿弧形配重槽道的中心位置。用天平稱量配重塊，分別湊出Ⅰ面和Ⅱ面內(nèi)的實(shí)際應(yīng)加配重質(zhì)量0.227kg和0.462kg。由于每組所加配重塊均由若干小配重塊組成，所以需以此線為中心將稱得的每組配重塊向兩側(cè)對(duì)稱排列加在弧形配重槽中。由于Ⅰ面和Ⅱ面上各自分別所加的配重塊組在配重槽道內(nèi)沿槽道呈弧形排列，總體質(zhì)量有所分散，所以必須對(duì)槽道內(nèi)所加配重塊組的弧形累加長(zhǎng)度進(jìn)行修正后，再對(duì)計(jì)算所得配重質(zhì)量數(shù)值進(jìn)行積分運(yùn)算進(jìn)行修正，得出每組實(shí)際應(yīng)加質(zhì)量值，以分別保證所加配重塊組在Ⅰ面或Ⅱ面內(nèi)的所劃徑向中心線方向上的合力大小與Q9Ⅰ或Q9Ⅱ相等。

經(jīng)計(jì)算，Ⅰ面和Ⅱ面實(shí)際應(yīng)加配重質(zhì)量分別調(diào)整為0.227kg和0.462kg。

2.3.2 配重塊的加裝

稱出修正后的兩組配重質(zhì)量，以Ⅰ面和Ⅱ面上所劃的應(yīng)加配重的徑向中心線位置向兩側(cè)對(duì)稱緊密排列加在弧形配重槽內(nèi)。擰緊固定螺釘，將配重塊在槽道內(nèi)牢固頂緊，然后在配重塊組的兩端將配重槽口鑿毛定位，以防止所加配重塊滑脫甩離配重中心位置。

2.3.3 其他工作

除了以上配重工作之外，為保證安全運(yùn)行，對(duì)轉(zhuǎn)子的其他級(jí)葉片做了檢查，第9～13級(jí)葉片均做了測(cè)頻探傷，并認(rèn)真分析了造成掉葉片的原因。從調(diào)整轉(zhuǎn)子中心和各軸瓦間隙值、改善機(jī)組本體與各段抽汽的疏水系統(tǒng)方面，以及后來(lái)在改善運(yùn)行方式的調(diào)整、提高主蒸汽品質(zhì)等方面做了很多工作。

3 配重處理后的效果

對(duì)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子掉葉片配重處理后，進(jìn)行檢修回裝恢復(fù)。經(jīng)過機(jī)組啟動(dòng)、試運(yùn)，直至帶滿負(fù)荷及過程中的巡回巡視檢查，運(yùn)行狀態(tài)均正常。正常運(yùn)行后現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量各主要軸瓦振動(dòng)指標(biāo)見表2。

表2 啟動(dòng)正常后主要軸瓦振動(dòng)幅值指標(biāo)μm

表2數(shù)據(jù)表明:汽輪機(jī)組各軸瓦振動(dòng)指標(biāo)均達(dá)到了優(yōu)良標(biāo)準(zhǔn)的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

這次配重僅僅是在時(shí)間緊、任務(wù)重的緊迫情況下所采取的臨時(shí)搶修處理措施，在隨后的大修中仍需進(jìn)行更換葉片的徹底處理；同時(shí)找出可能引起掉葉片的諸多方面原因，利用大修機(jī)會(huì)，采取有力措施逐項(xiàng)排除解決掉，為機(jī)組的長(zhǎng)周期健康穩(wěn)定運(yùn)行提供有力的保障。

［1］孫桓.機(jī)械原理［M］.北京:高等教育出版社，1988.

［2］顧晃.汽輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)與平衡［M］.2版.北京:中國(guó)電力出版社，1998.