大型高速動平衡機組的設(shè)計要點及（DCS）控制

卜小祥

（南京汽輪電機（集團）有限責任公司，江蘇南京 210037）

高速動平衡機組是檢測汽輪機/發(fā)動機核心部件——轉(zhuǎn)子動態(tài)平衡的重要設(shè)備。它的高效率和高品質(zhì)的工作是確保汽輪機/發(fā)電機整機高品質(zhì)的關(guān)鍵。為此，公司研制了100 t大型動平衡機組設(shè)備，可為大型汽輪機/發(fā)電機組的研發(fā)和生產(chǎn)提供關(guān)鍵檢測設(shè)備。

1 高速動平衡機組結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 基本要求

汽輪機/發(fā)電機核心部件——轉(zhuǎn)子是一高速旋轉(zhuǎn)的剛體，由于其內(nèi)部材料的不均勻性和制造加工的原因，可能造成在某些相位產(chǎn)生不同矢量的不平衡量。這個不平衡量會使高速旋轉(zhuǎn)剛體的轉(zhuǎn)動慣量發(fā)生變化，當這個不平衡量超過一定數(shù)值后，就會產(chǎn)生振動和噪聲，嚴重時會造成飛車或更大事故。因此轉(zhuǎn)子剛體在正常投運前要進行運行狀態(tài)不同速度段的動態(tài)平衡檢測，找出不平衡量的相位和數(shù)值，以除去不平衡量或加配重來減小轉(zhuǎn)子剛體的動態(tài)不平衡，達到產(chǎn)品規(guī)定的允許值要求。

1.2 實施要求

高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子必須在密封的相對真空的空間內(nèi)運行，這是基于高速旋轉(zhuǎn)的剛體在真空中旋轉(zhuǎn)不產(chǎn)生大量的熱能，消除了鼓風效應(yīng)，減小了驅(qū)動阻力，也就消除了大量的熱能對艙體內(nèi)強電和弱電器材的侵害，第二則是從安全的角度考慮。完全沒有氣體的空間狀態(tài)稱為絕對真空，絕對真空實際上是不存在的。該平衡機組要求在絕對壓力133.3 Pa狀態(tài)下運行。

2 設(shè)計參數(shù)

本文所設(shè)計的平衡機組基本參數(shù)如表1所示。

表1 基本設(shè)計參數(shù)

3 設(shè)備構(gòu)成

3.1 高速動平衡機

高速動平衡機是真空艙內(nèi)支承轉(zhuǎn)子進行動平衡試驗和超速試驗的關(guān)鍵設(shè)備，主要由擺架和動平衡測量系統(tǒng)（包括電測箱和計算機輔助測量分析系統(tǒng)）組成。擺架的軸承座座孔內(nèi)配置滑動軸承，并設(shè)有潤滑油路和頂軸油路，通過兩側(cè)的彈性支承桿裝置支承在機座上，彈性支承桿裝置每側(cè)另有兩根變截面彈性支承桿，各成45°方向。一方面使動平衡機徑向支承剛度各向同性，另一方面當試驗轉(zhuǎn)子放在軸承座上時，軸承座可以自動找正，使兩軸承中心線與轉(zhuǎn)子軸線一致。當附加剛度部件油缸通入高壓油時，可使高速動平衡機的支承剛度提高50%～70%，起到旁移臨界轉(zhuǎn)速和安全保護作用。

軸承座振動信號靠機械放大機構(gòu)和傳感器輸出，用于平衡機測量和振動報警。電測箱的主要功能是在顯示器上以數(shù)字和矢量方式顯示不平衡量和相位;可存儲100種轉(zhuǎn)子參數(shù)，有Rotor-specific calibration軟件支持，它是專為非線性振動系統(tǒng)開發(fā)的，能使高速撓性轉(zhuǎn)子平衡操作同線性系統(tǒng)一樣方便。在轉(zhuǎn)子剛體升速過程中測量讀數(shù)可顯示可存儲，存儲的振動速度可轉(zhuǎn)化為位移值，存儲的測量數(shù)據(jù)可顯示并打印成奈奎斯特圖。

計算機輔助測量分析系統(tǒng)的所有通道均采用瓦特表原理濾波，跟蹤式帶通濾波器，可進行1倍頻和2倍頻成分測量，可接入位移（電渦流）、速度（磁電）、加速度傳感器，數(shù)據(jù)可由RS—232C接口輸出打印，通道數(shù)可擴展。

3.2 驅(qū)動系統(tǒng)

平衡機的驅(qū)動系統(tǒng)主要由交流異步電動機、中間軸裝置、萬向聯(lián)軸器、變剛度油站等組成驅(qū)動系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖圖1所示。

圖1 驅(qū)動系統(tǒng)示意圖

交流異步電動機具有在0～3 000 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)恒轉(zhuǎn)矩（額定轉(zhuǎn)矩10 500 Nm）和在3 000～3 600 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)恒功率（額定功率3 300 kW）的工作特性。

主要技術(shù)規(guī)格如下:

額定功率 3 300 kW

額定電壓 6 000 V

額定轉(zhuǎn)速 3 000 r/min

最大轉(zhuǎn)速 3 600 r/min

中間軸裝置將交流異步電動機的功率傳遞給真空艙內(nèi)的試驗轉(zhuǎn)子，并起到對試驗轉(zhuǎn)子盤車，承受試驗轉(zhuǎn)子軸向推力，調(diào)節(jié)補償試驗轉(zhuǎn)子軸向安裝距離偏差。盤車裝置采用兩個對稱布置的直流電動機驅(qū)動，能連續(xù)盤車和在真空艙內(nèi)點動操作;可承受:

最大額定傳遞轉(zhuǎn)矩 12 000 Nm

最大轉(zhuǎn)速 3 600 r/min

載荷性質(zhì) 交變載荷

最大軸向推力 35 kN

盤車速度 5 r/min

軸向最大位移量 ±40 mm

萬向聯(lián)軸器用于中間軸裝置與試驗轉(zhuǎn)子之間的連接，達到方便安裝、傳遞扭矩和防止驅(qū)動系統(tǒng)振動傳遞給試驗轉(zhuǎn)子的目的。萬向聯(lián)軸器與中間軸裝置主軸連接的連接機構(gòu)上配備了過載裝置，可根據(jù)被試轉(zhuǎn)子的大小不同和所需扭矩不同，配裝相應(yīng)額定扭矩的萬向聯(lián)軸器（表2），這樣即能保護驅(qū)動電動機不超載，又能保證被試轉(zhuǎn)子在額定扭矩范圍內(nèi)運行。

表2 過載裝置參數(shù)

3.3 真空艙鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

真空艙是被試轉(zhuǎn)子高速運轉(zhuǎn)的場所，主要由筒體（壁厚20 mm、內(nèi)徑D6 500 mm、凈長16 m）、大門、后墻板鋼結(jié)構(gòu)和2 m厚鋼筋混凝土組成。大門采用地面移動裝置移動，移動速度0～3 m/min（無級調(diào)速）。真空艙的設(shè)計要點是密封性和牢固性，真空艙筒體結(jié)構(gòu)大門設(shè)有特制的靜密封圈和大門壓緊裝置，再加上真空艙在工作狀態(tài)時的負壓，密封性可得到保證。

3.4 輔機系統(tǒng)

輔機系統(tǒng)主要由抽真空機組和潤滑系統(tǒng)構(gòu)成，主抽真空機組要確保在短時間內(nèi)使真空艙達到規(guī)定的真空度，以降低被試轉(zhuǎn)子驅(qū)動功率。采用兩級羅茨真空泵和一級滑閥真空泵以及中間冷卻器、油氣分離器等組成，抽氣速率2 500/s，當漏氣量不超過1 250 mmHgL/s時，約能在26 min內(nèi)將真空艙內(nèi)抽到133 Pa絕對壓力。潤滑系統(tǒng)包括大氣油站和真空油站，分別給交流異步電動機和擺架提供冷卻和潤滑，頂軸油則是在驅(qū)動電動機啟動時給被試轉(zhuǎn)子提供一個徑向推力，減小摩擦力，以利于驅(qū)動電動機啟動。

3.5 測量控制系統(tǒng)

本套設(shè)備測量控制系統(tǒng)主要由驅(qū)動操作控制系統(tǒng)和輔機測量監(jiān)控系統(tǒng)組成;驅(qū)動操作控制系統(tǒng)用于對交流異步電動機的監(jiān)控，具有扭矩給定和預選、旋轉(zhuǎn)方向預選、轉(zhuǎn)速給定和預選、停機制動等功能。

驅(qū)動系統(tǒng)的交流異步電動機只有同時滿足下列條件時才能正常啟動:

1）3 300 kW變頻電源運行正常;

2）工藝輔機系統(tǒng)運行正常（系指潤滑油進油壓力、頂軸油進油壓力、冷卻水進水壓力、潤滑油油溫、真空艙內(nèi)絕對壓力達到設(shè)定值等）;

3）應(yīng)急備用電源處于備用狀態(tài)（柴油發(fā)電機處于備發(fā)狀態(tài)，斷電10 s內(nèi)即能啟動）;

4）緊急停機按鈕處于非停機狀態(tài)。

驅(qū)動操作控制系統(tǒng)設(shè)置下列信號報警和聯(lián)鎖停機（指停驅(qū)動系統(tǒng)的交流異步電動機）:

1）變頻電源、交流異步電動機電流高、冷卻水回水溫度高、交流異步電動機定子溫度高等信號報警并延時停機;

2）擺架軸承軸瓦溫度高、被試轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和擺架振動值超過給定值、潤滑油進油壓力低、真空泵泵體溫度高、真空艙內(nèi)溫度高（要求＜95℃）等信號報警并延時停機。

輔機測量監(jiān)控系統(tǒng)是對工藝輔助設(shè)備的監(jiān)控，采用集散式（DCS）方式與驅(qū)動操作控制系統(tǒng)組成一個全面的監(jiān)控平臺。由一個DCS機柜和若干個操作站組成，各操作站分別對潤滑油系統(tǒng)、抽真空系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、擺架和試驗轉(zhuǎn)子本體、柴油發(fā)電機組相關(guān)參數(shù)測量監(jiān)測;采用FOXBOROI2（小型DCS）控制器作為各子系統(tǒng)在控制室的控制核心單元，上位計算機作為管理核心，在組態(tài)平臺上實現(xiàn)對系統(tǒng)的組態(tài)、參數(shù)設(shè)定、實時動態(tài)監(jiān)控、故障信號報警等各子系統(tǒng)與現(xiàn)場總線相聯(lián)絡(luò)，組成開放式總線系統(tǒng)，實現(xiàn)輔機測量監(jiān)控系統(tǒng)中各子系統(tǒng)與驅(qū)動操作控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)高速通訊，達到輔機測量監(jiān)控系統(tǒng)乃至整套動平衡機組的正常運行的目的。

4 結(jié)語

該機組用于生產(chǎn)后，可對不同種類（汽輪機/發(fā)電機）轉(zhuǎn)子（高壓、中壓、低壓）以及不同規(guī)格的轉(zhuǎn)子進行動平衡試驗，為300 MW以上汽輪發(fā)電機組的研發(fā)提供了設(shè)備保障。

［1］中國機械工業(yè)標準匯編.平衡和平衡機篇［M］.GB/T 4201—2006/ISO 2953:1999.

［2］張正松，等.旋轉(zhuǎn)機械振動監(jiān)測及故障診斷［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1991.