對(duì)某臺(tái)抽汽式汽輪發(fā)電機(jī)的動(dòng)平衡調(diào)試

倪秋華，高 偉

（蘇州熱工研究院有限公司，江蘇蘇州 215004）

0 引言

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，因轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡而產(chǎn)生的離心力是導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)的最基本和最普遍的原因[1]。在現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生的振動(dòng)故障中，由于軸系不平衡或間接質(zhì)量不平衡造成的約占80%?，F(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡是消除過大振動(dòng)的一種重要手段。

1 不平衡振動(dòng)機(jī)理分析[2-4]

研究分析不平衡振動(dòng)機(jī)理，最簡(jiǎn)單的模型是單圓盤轉(zhuǎn)子，如圖1所示。軸兩端為簡(jiǎn)支鏈接，單圓盤固定于橫梁（轉(zhuǎn)軸）中部。

圖1 模型

如圖2所示，若圓盤重心c與轉(zhuǎn)軸中心o'并沒有重合，而圓盤以角速度Ω轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在坐標(biāo)軸上重心c的加速度投影則為：

圖2 質(zhì)量不平衡

其中e=o'c為圓盤的偏心距。在轉(zhuǎn)軸的彈性力F作用下，有

把式(2)代入式(l)，可得軸心o′運(yùn)動(dòng)的微分方程：

這就是強(qiáng)迫振動(dòng)的微分方程。式(3)右邊相當(dāng)于不平衡質(zhì)量所產(chǎn)生的激振力。將(3)改寫為復(fù)變量的形式:

其特解為:

把式(5)代入式(4)后，即可求得振幅：

那么轉(zhuǎn)軸中心o′對(duì)不平衡質(zhì)量的響應(yīng)為：

比較式(4)與式(7)，軸心o′的響應(yīng)頻率和偏心質(zhì)量產(chǎn)生的激振力頻率相同，而Ω＜ωn時(shí)兩者相位相同，Ω＞ωn時(shí)兩者相位相差180°。換言之，在圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)圖2中的點(diǎn)o、o′和c點(diǎn)始終保持在同一條直線上，而這一條直線繞點(diǎn)o以角速度Ω轉(zhuǎn)動(dòng)。點(diǎn)o′和點(diǎn)c的軌跡是半徑不相等的同心圓。

由式(6)可知，當(dāng)Ω=ωn時(shí)， ||A→∞，這就是所謂的“共振”。事實(shí)上由于阻尼的存在，振幅 ||A不會(huì)無窮大，而是有限的較大值。其中，ωn即俗稱的“臨界轉(zhuǎn)速”。

研究不平衡響應(yīng)時(shí)，如果同時(shí)考慮到外阻力的作用，則式(4)變?yōu)椋?/p>

其解為：

其中，

式(10)即幅頻響應(yīng)與相頻響應(yīng)。

2 動(dòng)平衡方法的基本思路

動(dòng)平衡方法的基本思路[5]是向量法：在一定的平衡轉(zhuǎn)速下，選取有代表性的振動(dòng)向量作為基本數(shù)據(jù)，在轉(zhuǎn)子上施加一試加重量，根據(jù)加試重后振動(dòng)的向量變化得到加重對(duì)振動(dòng)的影響系數(shù)，最后根據(jù)影響系數(shù)求出應(yīng)加的平衡重量。

注意，選取表征性的振動(dòng)向量是首要的問題，試加重的位置也十分關(guān)鍵。如果表征性振動(dòng)向量選取正確而且試重一次加重即可解決問題，至多二次甚至一次即可。影響系數(shù)在同型轉(zhuǎn)子上也不可認(rèn)為是常數(shù)。實(shí)踐表明影響系數(shù)是一個(gè)曲線，只有取較小的弧段時(shí)，也就是試加重與再加重的角度相差不大時(shí)方可近似看成保持線性關(guān)系。如果試加重與再次加重的角度相差越大，其非線性程度越大，則實(shí)際結(jié)果與計(jì)算結(jié)果相差也越大。

振動(dòng)有幅值和相位，配重有重量和角度，兩者都是矢量。上述所有加、減、乘、除計(jì)算都要采用矢量運(yùn)算法則。加重角度的計(jì)算是以轉(zhuǎn)軸上鍵相位置（鍵槽或反光帶）為零點(diǎn)。加重角度求出后，應(yīng)該逆轉(zhuǎn)還是順轉(zhuǎn)加重取決于儀表測(cè)相原理。

現(xiàn)場(chǎng)平衡中大量采用對(duì)稱加重或反對(duì)稱加重[6]，這樣的加重方式稱為成組加重[7]。線性振動(dòng)系統(tǒng)滿足疊加定理，即若干不平衡力引起的振動(dòng)等于各個(gè)不平衡力單獨(dú)作用引起的振動(dòng)的疊加。不難理解，在成組加重的情況下，如果力系中的每個(gè)力按同樣的比例增大或減小，振動(dòng)的幅值也將按同樣的比例增大或減小。這與單個(gè)力作用的特點(diǎn)是相同的。因此可以由成組加重振動(dòng)的變化求得成組加重的影響系數(shù)，進(jìn)而確定成組加重的大小和位置。在計(jì)算時(shí)，以成組加重的某一個(gè)質(zhì)量的大小和角度代入計(jì)算，通常以在轉(zhuǎn)子前端的試加質(zhì)量作為成組加重的基準(zhǔn)。在現(xiàn)場(chǎng)平衡中，臨界轉(zhuǎn)速的平衡一定要對(duì)稱加重來消除一階形式的振動(dòng)。絕大多數(shù)情況下工作轉(zhuǎn)速的振動(dòng)是由二階不平衡引起的，對(duì)于低壓轉(zhuǎn)子和發(fā)電機(jī)這樣的對(duì)稱轉(zhuǎn)子可以通過反對(duì)稱加重校正。

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分析與動(dòng)平衡調(diào)試

某廠1號(hào)汽輪發(fā)電機(jī)組的汽輪機(jī)是由哈爾濱汽輪機(jī)廠生產(chǎn)、發(fā)電機(jī)由杭州發(fā)電設(shè)備廠生產(chǎn)，容量為6 000 kW的抽汽式汽輪發(fā)電機(jī)組，其型號(hào)為c6-3.43/0.49。軸系結(jié)構(gòu)如圖3所示，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子分別由兩端軸承支撐，其中#2瓦和#3瓦共用一個(gè)軸承座并坐落在排汽缸上。機(jī)組調(diào)試期間出現(xiàn)振動(dòng)問題，主要表現(xiàn)是機(jī)組過臨界及定速3 000 r/min時(shí)#3瓦振動(dòng)偏大，突出表現(xiàn)在水平方向上。

圖3 汽輪發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)圖

為分析振動(dòng)故障原因，該試驗(yàn)對(duì)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行了振動(dòng)數(shù)據(jù)采集。在開機(jī)升速過程中測(cè)量了#3瓦和#4瓦的水平和垂直振動(dòng)，降負(fù)荷解列降速過程測(cè)量了#3瓦和#4瓦的水平振動(dòng)情況。加重前#3瓦和#4瓦的水平振動(dòng)數(shù)據(jù)見表1。

表1 振動(dòng)數(shù)據(jù)（基頻∠相位/通頻）

在定速3 000 r/min時(shí)，#3振動(dòng)的通頻值54.9μm，工頻值的幅值為49.6μm，工頻占主要成分，所以判斷振動(dòng)故障為強(qiáng)迫振動(dòng)。在開機(jī)升速過程和降負(fù)荷解列過程，3 000 r/min時(shí)#3振動(dòng)差別很大。說明引起強(qiáng)迫振動(dòng)的力不是簡(jiǎn)單的不平衡力，如果是簡(jiǎn)單的不平衡力，在轉(zhuǎn)速一定的情況下，振動(dòng)是穩(wěn)定的。本機(jī)組振動(dòng)情況與上述不符，所以該強(qiáng)迫振動(dòng)屬于非穩(wěn)態(tài)的強(qiáng)迫振動(dòng)，作用在轉(zhuǎn)子上的不平衡力是變化的，所以引起在轉(zhuǎn)速不變的情況下，振動(dòng)是變化的[9]。在運(yùn)行過程中，支撐剛度的降低可引起非穩(wěn)態(tài)強(qiáng)迫振動(dòng)，一般與機(jī)組的膨脹有關(guān)。結(jié)合本機(jī)組實(shí)際情況，#2瓦和#3瓦共用一個(gè)軸承座并坐落在排汽缸上，如果排汽溫度過高，會(huì)引起排汽缸膨脹，使坐落在其上的軸瓦剛度降低，從而會(huì)引起不穩(wěn)定振動(dòng)[10]。觀察機(jī)組的運(yùn)行情況，發(fā)現(xiàn)其排汽缸溫度達(dá)到150℃，溫度過高，會(huì)引起排汽缸過量膨脹，正好符合分析的振動(dòng)特性，在帶負(fù)荷時(shí)，隨著負(fù)荷的增加，振動(dòng)降低，因?yàn)閹ж?fù)荷后排汽溫度降低，膨脹程度降低，振動(dòng)程度減小，這就進(jìn)一步證明該非穩(wěn)態(tài)振動(dòng)是由排汽缸溫度過高，排汽缸膨脹，導(dǎo)致在其上的軸承剛度降低，工作轉(zhuǎn)速#3振動(dòng)偏大，綜合故障的原因，通過在發(fā)電機(jī)兩側(cè)做動(dòng)平衡來降低振動(dòng)情況，平衡質(zhì)量加重大小及位置如圖4所示。試加重后及改變方案校正加重后的振動(dòng)數(shù)據(jù)見表2。而校正加重后定速3000 r/min后滿負(fù)荷時(shí)#3軸承和#4軸承的水平振動(dòng)基頻分別為14.1μm∠108°和12.6μm∠74°。通過動(dòng)平衡試驗(yàn)，#3軸承的振動(dòng)幅值由原來的50μm降低到14μm，振動(dòng)達(dá)到優(yōu)秀水平。動(dòng)平衡調(diào)試圓滿成功。

圖4 平衡質(zhì)量示意圖

表2 振動(dòng)數(shù)據(jù)（基頻∠相位/通頻）

4 結(jié)論

（1）綜合分析可知引起#3軸承的振動(dòng)是由于排汽缸溫度過高，排汽缸受熱膨脹，導(dǎo)致坐落在其上的軸承剛度降低從而導(dǎo)致的非穩(wěn)態(tài)強(qiáng)迫振動(dòng)，同時(shí)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子還存在熱態(tài)質(zhì)量不平衡。

（2）實(shí)際的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不可能完全是對(duì)稱的，有時(shí)轉(zhuǎn)子兩端支撐系統(tǒng)的特性差別很大，因此用相位關(guān)系判斷不一定完全可靠。存在這樣的情況：轉(zhuǎn)子兩軸承相位較為接近（即同相分量較大），但是經(jīng)過反對(duì)稱加重后，振動(dòng)大幅降低，說明轉(zhuǎn)子上的不平衡仍然是二階的。所以判斷不平衡性質(zhì)的主要依據(jù)是轉(zhuǎn)速，相位只能起參考作用。

（3）建議在開機(jī)時(shí)，適當(dāng)?shù)目刂婆瘷C(jī)時(shí)間來控制排汽缸溫度使其不超過100℃。