某核電汽輪機(jī)彎曲高中壓轉(zhuǎn)子廠內(nèi)動(dòng)平衡試驗(yàn)探究

曾楊，祁乃斌，徐榮冬，郭勇，胡用康，周創(chuàng)

（東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽(yáng)，618000）

0　引言

東汽是國(guó)內(nèi)最先具有百萬(wàn)核電機(jī)組制造能力和業(yè)績(jī)的汽輪機(jī)制造企業(yè)，從2005年嶺澳3號(hào)機(jī)開(kāi)始，至今市場(chǎng)占有率超過(guò)50%，并率先實(shí)現(xiàn)了核電汽輪機(jī)批量化生產(chǎn)。東汽從法國(guó)ALSTOM引進(jìn)的1000 MW等級(jí)半轉(zhuǎn)速核電汽輪機(jī)組已經(jīng)在國(guó)內(nèi)多個(gè)核電站成功投入商業(yè)運(yùn)行。該類機(jī)組采用高中壓合缸形式，高中壓轉(zhuǎn)子較為細(xì)長(zhǎng)，轉(zhuǎn)子發(fā)生較嚴(yán)重且持續(xù)的碰磨后容易產(chǎn)生大軸彎曲現(xiàn)象。某核電站1#機(jī)組高中壓轉(zhuǎn)子大軸嚴(yán)重彎曲，無(wú)法繼續(xù)運(yùn)行，返回制造廠修復(fù)并進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)，本文就該核電汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子彎曲不平衡量的分析，廠內(nèi)動(dòng)平衡試驗(yàn)的平衡方法和振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行探究。

1　轉(zhuǎn)子彎曲情況介紹

1.1　轉(zhuǎn)子基本情況簡(jiǎn)介

該核電高中壓轉(zhuǎn)子總長(zhǎng)11856 mm，兩軸頸支撐間距9500 mm，包含葉片總重108 t，兩軸頸名義尺寸都是?630 mm，高壓4級(jí)葉片，中壓9級(jí)葉片。共有10處平衡槽或平衡螺塞孔，如圖1所示，A和B處為平衡螺塞孔，一般用于現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡，其余C至J處均為平衡槽，廠內(nèi)動(dòng)平衡使用。其中平衡槽H和I在同一平衡平面，H平衡半徑比I的略大。工作轉(zhuǎn)速1500 r/min，全新轉(zhuǎn)子最高超速轉(zhuǎn)速為1800 r/min，根據(jù)該彎曲轉(zhuǎn)子修復(fù)技術(shù)協(xié)議，最高超速轉(zhuǎn)速僅到1700 r/min。

圖1　轉(zhuǎn)子平衡槽或平衡螺孔分布圖

1.2　轉(zhuǎn)子彎曲情況簡(jiǎn)介

某核電站1#機(jī)組汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子在一次機(jī)組大修完成后進(jìn)行100%甩負(fù)荷帶廠用電后重新啟動(dòng)期間發(fā)生大軸彎曲現(xiàn)象，彎曲量較大，已無(wú)法正常運(yùn)行，返回制造廠進(jìn)行修復(fù)。

返回制造廠后進(jìn)行跳動(dòng)檢查發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)子已經(jīng)彎曲成弓形。從電機(jī)側(cè)至汽機(jī)側(cè)共19處檢查了徑向跳動(dòng)，每處沿圓周每隔22.5°測(cè)量一個(gè)跳動(dòng)值，共測(cè)量8個(gè)點(diǎn)。根據(jù)跳動(dòng)檢查結(jié)果，處理得到轉(zhuǎn)子彎曲曲線，如圖2所示，轉(zhuǎn)子中部最大的彎曲量已經(jīng)達(dá)到了0.145 mm。

圖2　轉(zhuǎn)子彎曲曲線

2　動(dòng)平衡方案確定

2.1　不平衡量理論分析

根據(jù)不平衡等級(jí)G2.5，該轉(zhuǎn)子允許的剩余不平衡量為1581 kg·mm。通過(guò)跳動(dòng)檢查結(jié)果得出的偏心量及轉(zhuǎn)子分段質(zhì)量計(jì)算出沿軸向的不平衡量分布，見(jiàn)圖3。從圖中可看出絕大部分不平衡量都集中在轉(zhuǎn)子跨內(nèi)區(qū)域?？鐑?nèi)總不平衡量為11126 kg·mm，是允許剩余不平衡量的7倍。

圖3　轉(zhuǎn)子各分段彎曲不平衡量分布

由于H和I平衡槽在同一平衡平面，除去A和B兩平衡螺塞孔，轉(zhuǎn)子跨內(nèi)共有7個(gè)平衡平面，分別對(duì)每個(gè)平衡面附近的不平衡量進(jìn)行累加，每個(gè)區(qū)段的不平衡量及需加重的平衡塊重量見(jiàn)表1。從表中可以看出，各平面需加平衡塊的總量高達(dá)14.56 kg，而該轉(zhuǎn)子在出廠前第一次進(jìn)行動(dòng)平衡時(shí)最終所加平衡塊重量不到2 kg。

表1　不平衡量在各平衡平面分布

2.2　動(dòng)平衡試驗(yàn)策略分析

從2.1的分析及動(dòng)平衡實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可知，不平衡量太大，直接進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)，平衡難度極大。首先采取對(duì)彎曲轉(zhuǎn)子本體上跳動(dòng)的高點(diǎn)進(jìn)行部分車削，這樣可以有效減少不平衡量，降低動(dòng)平衡試驗(yàn)難度。

轉(zhuǎn)子的第一臨界轉(zhuǎn)速在920 r/min左右，第二臨界轉(zhuǎn)速約在2300 r/min，雖然轉(zhuǎn)子最高超速轉(zhuǎn)速不會(huì)越過(guò)第二臨界轉(zhuǎn)速，但是在工作轉(zhuǎn)速及超速時(shí)轉(zhuǎn)子振動(dòng)會(huì)出現(xiàn)第二臨界振型。對(duì)于彎曲高中壓轉(zhuǎn)子的平衡，東汽僅有300 MW、600 MW等級(jí)機(jī)組高中壓轉(zhuǎn)子彎曲平衡的經(jīng)驗(yàn)，這類轉(zhuǎn)子跨內(nèi)僅有3個(gè)平衡平面，居中一個(gè)，兩側(cè)各一個(gè)，居中的用于平衡第一臨界轉(zhuǎn)速時(shí)的振動(dòng)，兩側(cè)通過(guò)加反對(duì)稱力偶平衡第二臨界轉(zhuǎn)速時(shí)的振動(dòng)。對(duì)于核電高中壓轉(zhuǎn)子，跨內(nèi)多達(dá)7個(gè)平衡平面，如何選取加重平面尤為重要。此轉(zhuǎn)子沒(méi)有彎曲時(shí)，基本上僅用C和H平衡槽進(jìn)行加重平衡即可將振動(dòng)平衡到優(yōu)秀的狀態(tài)。由于該轉(zhuǎn)子彎曲程度較大，跨距長(zhǎng)，重量大，并根據(jù)以往彎曲高中壓轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡的經(jīng)驗(yàn)及對(duì)轉(zhuǎn)子跳動(dòng)數(shù)據(jù)和彎曲量的分析，決定在實(shí)際動(dòng)平衡試驗(yàn)時(shí)采用如下步驟進(jìn)行平衡：

（1）第一次低速動(dòng)平衡試驗(yàn)時(shí)，兩個(gè)平衡平面分別標(biāo)定在C和J,實(shí)際加重時(shí)，只按照平衡機(jī)顯示的不平衡量的50%～70%在C、J平衡槽進(jìn)行加重，并適當(dāng)往中部平衡槽F上進(jìn)行分配，中部平衡槽F占本次加重量的10%～30%。

（2）完成第一步后進(jìn)行第二次低速動(dòng)平衡試驗(yàn)，兩個(gè)平衡平面分別標(biāo)定在D和H兩平衡平面，按照平衡機(jī)顯示的不平衡量在D、H平衡槽進(jìn)行加重，并適當(dāng)往中部平衡槽G上進(jìn)行分配，同樣的，中部平衡槽G占本次加重量的10%～30%。

（3）在分兩次完成低速動(dòng)平衡試驗(yàn)后，加重量分配到了平衡槽C、D、F、G、H、J等上面，使之與轉(zhuǎn)子實(shí)際的不衡量位置相近。然后進(jìn)行高速動(dòng)平衡試驗(yàn)，根據(jù)實(shí)際振動(dòng)情況采用影響系數(shù)法進(jìn)行相應(yīng)的平衡，即轉(zhuǎn)子第一臨界轉(zhuǎn)速時(shí)振動(dòng)值偏大，在平衡槽F或G上加重平衡；轉(zhuǎn)子靠近第二臨界轉(zhuǎn)速時(shí)振動(dòng)值偏大，利用平衡槽C和H或者平衡槽D和H加反對(duì)稱的力偶進(jìn)行平衡；若分別進(jìn)行加重不平衡仍然達(dá)不到滿意效果，最后還可采取最小二乘法進(jìn)行綜合調(diào)整加重。

由于彎曲轉(zhuǎn)子的不衡量大部分集中在轉(zhuǎn)子中部位置，所以步驟1與2的實(shí)施主要作用是減少了轉(zhuǎn)子大部分不平衡量，同時(shí)也對(duì)第一臨界轉(zhuǎn)速時(shí)振動(dòng)的平衡有很大益處。

2.3　制定動(dòng)平衡判定標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)于引進(jìn)ALSTOM技術(shù)制造的核電半轉(zhuǎn)速汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子，東汽采用ALSTOM的判定準(zhǔn)則，具體到工作轉(zhuǎn)速為1500 r/min的轉(zhuǎn)子，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)振幅值有以下要求。

（1）除臨界轉(zhuǎn)速點(diǎn)（共振點(diǎn)）外，在0～1650 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，軸承（或軸承座）的基頻絕對(duì)振動(dòng)位移單峰（0-peak）值不應(yīng)超過(guò)10 μm。轉(zhuǎn)速高于1650 r/min區(qū)域內(nèi)的振幅值僅作為參考信息提供。

（2）臨界轉(zhuǎn)速時(shí)（共振點(diǎn)）軸承（或軸承座）的基頻絕對(duì)振動(dòng)位移單峰（0-peak）值不應(yīng)超過(guò)額定轉(zhuǎn)速時(shí)振幅限定值的2倍，即20 μm。

但是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于發(fā)生過(guò)永久彎曲的全轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)子，由于配重量大和振動(dòng)幅值難以平衡到小量級(jí)，動(dòng)平衡試驗(yàn)難度較大。對(duì)于該彎曲轉(zhuǎn)子，若按照新轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡判定標(biāo)準(zhǔn)來(lái)考核，要求相當(dāng)高。對(duì)此參照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 10816-2，該標(biāo)準(zhǔn)將現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組的瓦振控制值劃分了4個(gè)區(qū)域，對(duì)于工作轉(zhuǎn)速為1500 r/min的轉(zhuǎn)子，A/B區(qū)域的界限值為2.8 mm/sr.m.s(通頻)。參照這個(gè)界限值，東汽提出取1.8 mm/s r.m.s（轉(zhuǎn)頻）作為該彎曲轉(zhuǎn)子在0～1650 r/min（除臨界轉(zhuǎn)速點(diǎn)）的振動(dòng)控制值，折算成振動(dòng)位移雙峰值約為32 μm p-p，臨界轉(zhuǎn)速時(shí)的振動(dòng)控制值按2倍關(guān)系取定，即～64 μm。最終電廠經(jīng)過(guò)專家組的評(píng)審?fù)饬松鲜隹刂浦底鳛閯?dòng)平衡的判定標(biāo)準(zhǔn)，但是也提出了最終動(dòng)平衡的目標(biāo)值：轉(zhuǎn)子在額定轉(zhuǎn)速下，蓋振基頻振動(dòng)位移雙峰值低于16 μm，臨界轉(zhuǎn)速時(shí)低于32 μm。ALSTOM標(biāo)準(zhǔn)，驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)及目標(biāo)值對(duì)比如表2所示。

表2　振動(dòng)位移雙峰值標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比單位：μm

3　動(dòng)平衡試驗(yàn)實(shí)施

3.1　動(dòng)平衡試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

正式進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，按照2.2的策略進(jìn)行，分兩步完成低速動(dòng)平衡試驗(yàn)。第一次進(jìn)行高速動(dòng)平衡試驗(yàn)時(shí)，最高轉(zhuǎn)速升至了1650 r/min，此時(shí)第一臨界轉(zhuǎn)速時(shí)的振動(dòng)幅值出人意料的小，達(dá)到ALSTOM對(duì)于新轉(zhuǎn)子的振動(dòng)值要求，工作轉(zhuǎn)速時(shí)的振動(dòng)幅值也達(dá)到了驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)要求，見(jiàn)表3。

表3　第一次升高速時(shí)振動(dòng)值

從第一次升高速時(shí)振動(dòng)值可以看出，低速動(dòng)平衡的策略是十分正確的，已經(jīng)平衡掉了絕大部分第一臨界轉(zhuǎn)速時(shí)的振動(dòng)值，大大減小了高速動(dòng)平衡試驗(yàn)的難度，節(jié)約了動(dòng)平衡時(shí)間。

經(jīng)過(guò)分析，工作轉(zhuǎn)速時(shí)振動(dòng)值還有進(jìn)一步減小的空間，因?yàn)檎駝?dòng)的相位接近反相，主要受第二臨界振型影響，可以通過(guò)加反對(duì)稱力偶來(lái)進(jìn)行平衡。經(jīng)過(guò)兩次加重平衡，最終轉(zhuǎn)子在0～1650 r/min的振動(dòng)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于目標(biāo)值，達(dá)到了ALSTOM對(duì)于新轉(zhuǎn)子的振動(dòng)值要求，動(dòng)平衡試驗(yàn)取得了圓滿成功。最終動(dòng)平衡試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4和圖4。

表4　最終平衡結(jié)果振動(dòng)值

圖4　最終平衡結(jié)果Bode圖

3.2　所加平衡塊重量與位置角

動(dòng)平衡試驗(yàn)結(jié)束后，所加的平衡塊重量及位置角見(jiàn)表5。

表5　最終所加平衡塊重量級(jí)位置角

除去D和H平衡槽中的530 g反對(duì)稱力偶外，其余平衡塊相位都在248°～280°的32°范圍內(nèi)，且所加重量接近7000 g。從而印證了彎曲轉(zhuǎn)子的不平衡量主要集中在中部，基本同向，且不平衡量較大的觀點(diǎn)。也充分說(shuō)明了轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡的難度，但最終能達(dá)到如此優(yōu)秀的平衡結(jié)果，也反應(yīng)出前期對(duì)轉(zhuǎn)子不平衡量分布及重量的分析和采取的動(dòng)平衡策略是正確的。

4　結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)最終試驗(yàn)結(jié)果證明，本文對(duì)彎曲轉(zhuǎn)子不衡量分布的分析及所運(yùn)用的平衡方法是正確的，使最終的振動(dòng)幅值降低到優(yōu)秀水平，為平衡彎曲轉(zhuǎn)子積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

[1]楊建剛.旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)分析與工程應(yīng)用[M].北京：中國(guó)電力出版社，2007.

[2]周仁睦.轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡原理、方法和標(biāo)準(zhǔn)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1992.