大型高速動(dòng)平衡機(jī)組的設(shè)計(jì)要點(diǎn)及（DCS）控制

卜小祥

（南京汽輪電機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，江蘇南京 210037）

高速動(dòng)平衡機(jī)組是檢測(cè)汽輪機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)核心部件——轉(zhuǎn)子動(dòng)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(jī)/發(fā)電機(jī)整機(jī)高品質(zhì)的關(guān)鍵。為此，公司研制了100 t大型動(dòng)平衡機(jī)組設(shè)備，可為大型汽輪機(jī)/發(fā)電機(jī)組的研發(fā)和生產(chǎn)提供關(guān)鍵檢測(cè)設(shè)備。

1 高速動(dòng)平衡機(jī)組結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 基本要求

汽輪機(jī)/發(fā)電機(jī)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(gè)不平衡量會(huì)使高速旋轉(zhuǎn)剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量發(fā)生變化，當(dāng)這個(gè)不平衡量超過一定數(shù)值后，就會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成飛車或更大事故。因此轉(zhuǎn)子剛體在正常投運(yùn)前要進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)不同速度段的動(dòng)態(tài)平衡檢測(cè)，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(dòng)態(tài)不平衡，達(dá)到產(chǎn)品規(guī)定的允許值要求。

1.2 實(shí)施要求

高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子必須在密封的相對(duì)真空的空間內(nèi)運(yùn)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(fēng)效應(yīng)，減小了驅(qū)動(dòng)阻力，也就消除了大量的熱能對(duì)艙體內(nèi)強(qiáng)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(duì)真空，絕對(duì)真空實(shí)際上是不存在的。該平衡機(jī)組要求在絕對(duì)壓力133.3 Pa狀態(tài)下運(yùn)行。

2 設(shè)計(jì)參數(shù)

本文所設(shè)計(jì)的平衡機(jī)組基本參數(shù)如表1所示。

表1 基本設(shè)計(jì)參數(shù)

3 設(shè)備構(gòu)成

3.1 高速動(dòng)平衡機(jī)

高速動(dòng)平衡機(jī)是真空艙內(nèi)支承轉(zhuǎn)子進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)和超速試驗(yàn)的關(guān)鍵設(shè)備，主要由擺架和動(dòng)平衡測(cè)量系統(tǒng)（包括電測(cè)箱和計(jì)算機(jī)輔助測(cè)量分析系統(tǒng)）組成。擺架的軸承座座孔內(nèi)配置滑動(dòng)軸承，并設(shè)有潤(rùn)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(jī)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(dòng)平衡機(jī)徑向支承剛度各向同性，另一方面當(dāng)試驗(yàn)轉(zhuǎn)子放在軸承座上時(shí)，軸承座可以自動(dòng)找正，使兩軸承中心線與轉(zhuǎn)子軸線一致。當(dāng)附加剛度部件油缸通入高壓油時(shí)，可使高速動(dòng)平衡機(jī)的支承剛度提高50%～70%，起到旁移臨界轉(zhuǎn)速和安全保護(hù)作用。

軸承座振動(dòng)信號(hào)靠機(jī)械放大機(jī)構(gòu)和傳感器輸出，用于平衡機(jī)測(cè)量和振動(dòng)報(bào)警。電測(cè)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(chǔ)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(dòng)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(cè)量讀數(shù)可顯示可存儲(chǔ)，存儲(chǔ)的振動(dòng)速度可轉(zhuǎn)化為位移值，存儲(chǔ)的測(cè)量數(shù)據(jù)可顯示并打印成奈奎斯特圖。

計(jì)算機(jī)輔助測(cè)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(jìn)行1倍頻和2倍頻成分測(cè)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(kuò)展。

3.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

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

圖1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)示意圖

交流異步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的功率傳遞給真空艙內(nèi)的試驗(yàn)轉(zhuǎn)子，并起到對(duì)試驗(yàn)轉(zhuǎn)子盤車，承受試驗(yàn)轉(zhuǎn)子軸向推力，調(diào)節(jié)補(bǔ)償試驗(yàn)轉(zhuǎn)子軸向安裝距離偏差。盤車裝置采用兩個(gè)對(duì)稱布置的直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，能連續(xù)盤車和在真空艙內(nèi)點(diǎn)動(dòng)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(yàn)轉(zhuǎn)子之間的連接，達(dá)到方便安裝、傳遞扭矩和防止驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)傳遞給試驗(yàn)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(jī)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(hù)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)不超載，又能保證被試轉(zhuǎn)子在額定扭矩范圍內(nèi)運(yùn)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(yùn)轉(zhuǎn)的場(chǎng)所，主要由筒體（壁厚20 mm、內(nèi)徑D6 500 mm、凈長(zhǎng)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(dòng)裝置移動(dòng)，移動(dòng)速度0～3 m/min（無級(jí)調(diào)速）。真空艙的設(shè)計(jì)要點(diǎn)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(shí)的負(fù)壓，密封性可得到保證。

3.4 輔機(jī)系統(tǒng)

輔機(jī)系統(tǒng)主要由抽真空機(jī)組和潤(rùn)滑系統(tǒng)構(gòu)成，主抽真空機(jī)組要確保在短時(shí)間內(nèi)使真空艙達(dá)到規(guī)定的真空度，以降低被試轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)功率。采用兩級(jí)羅茨真空泵和一級(jí)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(dāng)漏氣量不超過1 250 mmHgL/s時(shí)，約能在26 min內(nèi)將真空艙內(nèi)抽到133 Pa絕對(duì)壓力。潤(rùn)滑系統(tǒng)包括大氣油站和真空油站，分別給交流異步電動(dòng)機(jī)和擺架提供冷卻和潤(rùn)滑，頂軸油則是在驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)給被試轉(zhuǎn)子提供一個(gè)徑向推力，減小摩擦力，以利于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)。

3.5 測(cè)量控制系統(tǒng)

本套設(shè)備測(cè)量控制系統(tǒng)主要由驅(qū)動(dòng)操作控制系統(tǒng)和輔機(jī)測(cè)量監(jiān)控系統(tǒng)組成;驅(qū)動(dòng)操作控制系統(tǒng)用于對(duì)交流異步電動(dòng)機(jī)的監(jiān)控，具有扭矩給定和預(yù)選、旋轉(zhuǎn)方向預(yù)選、轉(zhuǎn)速給定和預(yù)選、停機(jī)制動(dòng)等功能。

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的交流異步電動(dòng)機(jī)只有同時(shí)滿足下列條件時(shí)才能正常啟動(dòng):

1）3 300 kW變頻電源運(yùn)行正常;

2）工藝輔機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行正常（系指潤(rùn)滑油進(jìn)油壓力、頂軸油進(jìn)油壓力、冷卻水進(jìn)水壓力、潤(rùn)滑油油溫、真空艙內(nèi)絕對(duì)壓力達(dá)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(jī)處于備發(fā)狀態(tài)，斷電10 s內(nèi)即能啟動(dòng)）;

4）緊急停機(jī)按鈕處于非停機(jī)狀態(tài)。

驅(qū)動(dòng)操作控制系統(tǒng)設(shè)置下列信號(hào)報(bào)警和聯(lián)鎖停機(jī)（指停驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的交流異步電動(dòng)機(jī)）:

1）變頻電源、交流異步電動(dòng)機(jī)電流高、冷卻水回水溫度高、交流異步電動(dòng)機(jī)定子溫度高等信號(hào)報(bào)警并延時(shí)停機(jī);

2）擺架軸承軸瓦溫度高、被試轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和擺架振動(dòng)值超過給定值、潤(rùn)滑油進(jìn)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(hào)報(bào)警并延時(shí)停機(jī)。

輔機(jī)測(cè)量監(jiān)控系統(tǒng)是對(duì)工藝輔助設(shè)備的監(jiān)控，采用集散式（DCS）方式與驅(qū)動(dòng)操作控制系統(tǒng)組成一個(gè)全面的監(jiān)控平臺(tái)。由一個(gè)DCS機(jī)柜和若干個(gè)操作站組成，各操作站分別對(duì)潤(rùn)滑油系統(tǒng)、抽真空系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、擺架和試驗(yàn)轉(zhuǎn)子本體、柴油發(fā)電機(jī)組相關(guān)參數(shù)測(cè)量監(jiān)測(cè);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(jì)算機(jī)作為管理核心，在組態(tài)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的組態(tài)、參數(shù)設(shè)定、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控、故障信號(hào)報(bào)警等各子系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)總線相聯(lián)絡(luò)，組成開放式總線系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)輔機(jī)測(cè)量監(jiān)控系統(tǒng)中各子系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)操作控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)高速通訊，達(dá)到輔機(jī)測(cè)量監(jiān)控系統(tǒng)乃至整套動(dòng)平衡機(jī)組的正常運(yùn)行的目的。

4 結(jié)語(yǔ)

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

［1］中國(guó)機(jī)械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)匯編.平衡和平衡機(jī)篇［M］.GB/T 4201—2006/ISO 2953:1999.

［2］張正松，等.旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)及故障診斷［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1991.