高速動(dòng)平衡試驗(yàn)對機(jī)組軸系振動(dòng)的影響

張瑩

[摘? ? 要]某電廠汽輪發(fā)電機(jī)組通流改造更換的新轉(zhuǎn)子在出廠前進(jìn)行的高速動(dòng)平衡試驗(yàn)高標(biāo)準(zhǔn)完成，機(jī)組整套啟動(dòng)后軸系振動(dòng)較好，振動(dòng)值全部控制在國標(biāo)規(guī)定的優(yōu)秀范圍內(nèi)，機(jī)組啟動(dòng)一次沖轉(zhuǎn)成功，一次并網(wǎng)成功，實(shí)現(xiàn)了零次動(dòng)平衡啟動(dòng)的目標(biāo)。

[關(guān)鍵詞]高速動(dòng)平衡;軸系振動(dòng);影響

[中圖分類號]TH117.2 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）12–00–02

Influence of the High-Speed Dynamic Balance Test

on the Vibration of the Unit Shaft System

Zhang ying

[Abstract]The new rotor of a steam turbine generator unit was completed with high standard， the whole set of shaft vibration is good， the vibration value is controlled within the excellent range stipulated in the national standard， the unit started a successful rush， and a successful grid connection， realizing the goal of zero dynamic balance start.

[Keywords]high-speed dynamic balance; axis system vibration; impact

某電廠利用對兩臺俄制800 MW機(jī)組節(jié)能減排增容優(yōu)化升級改造機(jī)會(huì)對汽輪機(jī)進(jìn)行了通流改造并徹底消除汽輪發(fā)電機(jī)組軸系振動(dòng)偏高的缺陷。汽輪機(jī)改造后一次沖轉(zhuǎn)成功，一次并網(wǎng)成功，機(jī)組最高負(fù)荷達(dá)到900 WM，軸系振動(dòng)值全部控制在優(yōu)秀值范圍內(nèi)，成功實(shí)現(xiàn)了零次動(dòng)平衡的目標(biāo)。

1 轉(zhuǎn)子的分類

根據(jù)轉(zhuǎn)子的工作狀態(tài)和力學(xué)特性，從平衡的觀點(diǎn)出發(fā)，常把轉(zhuǎn)子分成兩類：剛性轉(zhuǎn)子和撓性轉(zhuǎn)子。一般來說，凡是工作轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)低于轉(zhuǎn)子的一階彎曲臨界轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)子視為剛性轉(zhuǎn)子;而把工作轉(zhuǎn)速接近或超過轉(zhuǎn)子的一階彎曲臨界轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)子視為撓性轉(zhuǎn)子。

通常剛性轉(zhuǎn)子是指剛度相當(dāng)大，轉(zhuǎn)子在不平衡離心慣性力的作用下所產(chǎn)生的動(dòng)撓度很小，以致在轉(zhuǎn)子工作和平衡的過程中可以忽略不計(jì)。撓性轉(zhuǎn)子由于在運(yùn)轉(zhuǎn)及平衡時(shí)將產(chǎn)生撓曲變形，其情況要復(fù)雜得多。

2 撓性轉(zhuǎn)子出廠前高速動(dòng)平衡

轉(zhuǎn)子在汽輪機(jī)廠制造裝配完畢后，出廠前一般需要做高速動(dòng)平衡。轉(zhuǎn)子平衡是一種檢查并在必要時(shí)調(diào)整轉(zhuǎn)子質(zhì)量分布的工藝過程，其目的是使由不平衡引起的機(jī)器振動(dòng)、轉(zhuǎn)子撓度和軸承動(dòng)反力低于允許值。

目前國內(nèi)運(yùn)行的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子多為撓性轉(zhuǎn)子。撓性轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子的撓曲變形會(huì)產(chǎn)生附加的不平衡，撓性轉(zhuǎn)子平衡與剛性轉(zhuǎn)子平衡有所不同，要采用撓性轉(zhuǎn)子平衡理論進(jìn)行高速動(dòng)平衡。

2.1 撓性轉(zhuǎn)子不平衡分布

撓性轉(zhuǎn)子的平衡狀態(tài)隨著轉(zhuǎn)速改變而改變，撓性轉(zhuǎn)子不平衡在轉(zhuǎn)子內(nèi)分布和剛性轉(zhuǎn)子一樣，在轉(zhuǎn)子整個(gè)長度內(nèi)很多平面內(nèi)存在，而且不平衡分布往往是未知的。

平衡撓性轉(zhuǎn)子的理想方法：在每個(gè)微小軸段上對該軸段本身的不平衡量進(jìn)行校正，使該轉(zhuǎn)子每個(gè)軸段的質(zhì)心都位于旋轉(zhuǎn)軸線上。用這種理想方法平衡的轉(zhuǎn)子，將沒有靜不平衡和偶不平衡，也沒有振型不平衡，是一個(gè)完全平衡的轉(zhuǎn)子。

實(shí)際上，平衡轉(zhuǎn)子時(shí)通常只能在有限個(gè)校正平面上加重，因而平衡重量與轉(zhuǎn)子實(shí)際不平衡軸向分布差別較大，當(dāng)轉(zhuǎn)速升高后，各平面上不平衡力和所加平衡重量產(chǎn)生的不平衡力形成內(nèi)力矩，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生撓曲變形，使轉(zhuǎn)子平衡被破壞。

2.2 撓性轉(zhuǎn)子的振型

對于有阻尼的轉(zhuǎn)子的支承系統(tǒng)，撓性轉(zhuǎn)子支承在徑向剛度各向同性的軸承上，在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)可能會(huì)表現(xiàn)出一階振型、二階振型和三階振型。

撓性轉(zhuǎn)子不平衡分布能用振型不平衡量來表示，每個(gè)振型的撓度由相應(yīng)的振型不平衡量引起。撓性轉(zhuǎn)子通常要求在高速下多面平衡，綜合采用振型平衡法和影響系數(shù)法，通過在校正平面上加一組校正重量，減少某一階振型的不平衡量，從而使相應(yīng)振型的撓度減少。

一般來說，平衡一階不平衡需要3個(gè)校正平面，平衡二階不平衡需要4個(gè)校正平面。

2.3 撓性轉(zhuǎn)子平衡的目標(biāo)

撓性轉(zhuǎn)子在平衡之前，需要確定平衡準(zhǔn)則，使平衡工藝有效、經(jīng)濟(jì)，并滿足現(xiàn)場的實(shí)際需要。

由于只能在有限個(gè)校正平面上加重，因此撓性轉(zhuǎn)子一般無法做到完全平衡，平衡后總會(huì)有剩余不平衡。平衡撓性轉(zhuǎn)子不是剩余不平衡越小越好，而是要根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際需要來確定平衡精度。只要在整個(gè)工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)子剩余不平衡小于國家標(biāo)準(zhǔn)

GB/T 9239.1—2006《機(jī)械振動(dòng)恒態(tài)（剛性）轉(zhuǎn)子平衡品質(zhì)要求分》（第1部）和GB/T 6557—2009《撓性轉(zhuǎn)子機(jī)械平衡的方法和準(zhǔn)則》規(guī)定的允許值即可。

2.4 撓性轉(zhuǎn)子高速動(dòng)平衡方法

撓性轉(zhuǎn)子在高速平衡機(jī)上做高速動(dòng)平衡，需要選擇適當(dāng)?shù)妮S承，使其支承剛度盡量接近現(xiàn)場軸承，以保證轉(zhuǎn)子在高速平衡機(jī)上的主要振型和現(xiàn)場相同。

高速平衡機(jī)上一般裝有速度型振動(dòng)傳感器，建議再加裝渦流傳感器，在兩個(gè)軸承同一軸向平面上相隔90o各安裝兩個(gè)渦流傳感器，測量轉(zhuǎn)子的相對軸振動(dòng)。轉(zhuǎn)子平衡前需要在某個(gè)低轉(zhuǎn)數(shù)下運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間以消除臨時(shí)彎曲。

撓性轉(zhuǎn)子需要逐次在一系列的平衡轉(zhuǎn)數(shù)下按振型原理逐階進(jìn)行平衡：①在一階臨界轉(zhuǎn)速以下某一較低轉(zhuǎn)速下進(jìn)行低速動(dòng)平衡;②在靠近一階臨界轉(zhuǎn)速的某個(gè)安全轉(zhuǎn)速下進(jìn)行平衡;③在靠近二階臨界轉(zhuǎn)速的某個(gè)安全轉(zhuǎn)速下進(jìn)行平衡;④在3000 r/min下進(jìn)行高速動(dòng)平衡。

2.5 撓性轉(zhuǎn)子平衡品質(zhì)

一般用考核轉(zhuǎn)子剩余不平衡量的方法來評定撓性轉(zhuǎn)子的平衡品質(zhì)。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9239.1—2006《機(jī)械振動(dòng)恒態(tài)（剛性）轉(zhuǎn)子平衡品質(zhì)要求分》（第1部）和GB/T 6557—2009《撓性轉(zhuǎn)子機(jī)械平衡的方法和準(zhǔn)則》，汽輪機(jī)組轉(zhuǎn)子平衡品質(zhì)要求達(dá)到G2.5級，即要求eper·Ω≤2.5 mm/s。

對于受一階和二階振型不平衡量明顯影響的轉(zhuǎn)子，不論其不平衡分布如何，剩余不平衡量不應(yīng)超過下述限值，該值用國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9239—2006中等效剛性轉(zhuǎn)子的剩余不平衡量的百分比表示。

①低速動(dòng)平衡的剩余不平衡量不應(yīng)超過100 %;

②等效一階振型的剩余不平衡量不應(yīng)超過60 %;

③等效二階振型的剩余不平衡量不應(yīng)超過60 %;

④在3 000 r/min工作轉(zhuǎn)速下，剩余不平衡量不應(yīng)超過100 %。

3 出廠前高速動(dòng)平衡試驗(yàn)數(shù)據(jù)

該電廠汽輪發(fā)電機(jī)組軸系由七段轉(zhuǎn)子組成，即高壓轉(zhuǎn)子、中壓轉(zhuǎn)子、1號低壓轉(zhuǎn)子、2號低壓轉(zhuǎn)子、3號低壓轉(zhuǎn)子、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子組成，五根新制造的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子出廠均進(jìn)行了嚴(yán)格的高速動(dòng)平衡試驗(yàn)。

出廠高速動(dòng)平衡試驗(yàn)要求：低壓轉(zhuǎn)子工作轉(zhuǎn)速下振速≤1.8 mm/s，臨界轉(zhuǎn)速下振速≤2.8 mm/s;高、中壓轉(zhuǎn)子工作轉(zhuǎn)速下振速≤2.5 mm/s，臨界轉(zhuǎn)速下振速≤2.8 mm/s。該電廠與制作廠技術(shù)協(xié)議要求：振速≤1.2 mm/s。試驗(yàn)結(jié)果全部控制在1.0 mm/s以下。

高、中、低壓轉(zhuǎn)子高速動(dòng)平衡試驗(yàn)結(jié)果見表1～表5。

4 轉(zhuǎn)子現(xiàn)場安裝中需要關(guān)注的一些技術(shù)指標(biāo)

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子返回現(xiàn)場安裝時(shí)，要嚴(yán)格按照試驗(yàn)前制定的《汽輪機(jī)檢修工藝規(guī)程》要求進(jìn)行，與振動(dòng)有關(guān)的一些技術(shù)指標(biāo)要求達(dá)到下列標(biāo)準(zhǔn)：

①轉(zhuǎn)子對輪的自由晃度不大于0.02 mm;

②轉(zhuǎn)子對輪端面瓢偏不大于0.02 mm;

③轉(zhuǎn)子彎曲度不大于0.06 mm;

④轉(zhuǎn)子按聯(lián)軸器找中心滿足《汽輪機(jī)檢修工藝規(guī)程》要求，各軸頸的揚(yáng)度符合制造廠要求;

⑤轉(zhuǎn)子聯(lián)結(jié)后對輪組合晃度不大于0.03 mm。

5 撓性轉(zhuǎn)子現(xiàn)場高速動(dòng)平衡

當(dāng)多個(gè)轉(zhuǎn)子相互聯(lián)結(jié)時(shí)，整個(gè)軸系將有一系列的臨界轉(zhuǎn)速和振型。這些臨界轉(zhuǎn)速和單個(gè)未聯(lián)結(jié)轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速既不相等也沒有簡單的關(guān)系，而且耦合軸系的撓曲形狀也不一定和未聯(lián)結(jié)轉(zhuǎn)子的任一振型有簡單的關(guān)系。因此，多個(gè)耦合轉(zhuǎn)子的不平衡分布應(yīng)按照整個(gè)軸系的振型不平衡量評定。

如果高速動(dòng)平衡機(jī)所用軸承的支承剛度與現(xiàn)場軸承差別較大，那么轉(zhuǎn)子在高速平衡機(jī)上的主要振型與現(xiàn)場安裝后的主要振型也會(huì)有較大差別。

用對輪螺栓聯(lián)結(jié)轉(zhuǎn)子時(shí)可能會(huì)引入不平衡，另外對輪螺栓緊力是否對稱、軸系中心、聯(lián)軸器徑向晃度和端面瓢偏等也會(huì)對振動(dòng)有一定影響。

由于上述諸多原因，盡管轉(zhuǎn)子在汽輪機(jī)廠做過高速動(dòng)平衡，而且平衡品質(zhì)達(dá)到G2.5級要求，當(dāng)把多個(gè)轉(zhuǎn)子在現(xiàn)場聯(lián)結(jié)成軸系后，機(jī)組仍有可能出現(xiàn)較大振動(dòng)，這時(shí)就需要在現(xiàn)場做高速動(dòng)平衡。根據(jù)機(jī)組軸系的實(shí)際振型，判斷軸系的不平衡分布，力爭以最少的次數(shù)使機(jī)組振動(dòng)達(dá)到現(xiàn)場要求。

由于轉(zhuǎn)子出廠前動(dòng)平衡試驗(yàn)嚴(yán)格進(jìn)行，該電廠汽輪機(jī)通流改造軸系振動(dòng)較好，機(jī)組整套啟動(dòng)后，機(jī)組軸系振動(dòng)全部控制在國標(biāo)要求的優(yōu)秀范圍內(nèi)，一次沖轉(zhuǎn)成功，一次并網(wǎng)成功，實(shí)現(xiàn)了零次動(dòng)平衡啟動(dòng)，機(jī)組最高負(fù)荷達(dá)900 WM。

6 結(jié)束語

該電廠汽輪發(fā)電機(jī)組軸系軸振振幅最小值為1號軸瓦，振幅為29.95 μm;軸系軸振振幅最大值為13號軸瓦，振幅為90 μm。軸系振動(dòng)均達(dá)到國標(biāo)優(yōu)秀區(qū)域要求，處于國內(nèi)先進(jìn)水平。通過對機(jī)組長周期運(yùn)行情況進(jìn)行檢驗(yàn)，軸系振動(dòng)在不同的負(fù)荷擾動(dòng)下，振動(dòng)情況無明顯變化，實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)治理的目標(biāo)，提高了機(jī)組的可用率和可靠性，保證了機(jī)組的長周期安全穩(wěn)定運(yùn)行。

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