大型汽輪機轉(zhuǎn)子現(xiàn)場動平衡分析與處理

陳錦程

(廈門東亞機械工業(yè)股份有限公司， 福建廈門 361100)

高速旋轉(zhuǎn)機械的轉(zhuǎn)子不平衡受許多因素影響，即引起振動的原因有很多，特別是大型的汽輪機轉(zhuǎn)子高速動平衡是一個復(fù)雜的過程。目前，電廠的振動故障主要分為強迫振動和自激振動兩類，其中強迫振動占90% 以上，而現(xiàn)場發(fā)生的振動故障中，約80%是由軸系直接或間接質(zhì)量不平衡造成的[1]。

筆者分析了質(zhì)量不平衡引起振動的機理及特征，提出一種近似處理方法。針對某電廠600 MW超臨界汽輪發(fā)電機組大修后振動大的情況，進(jìn)行全面測試與分析后，判斷啟停機轉(zhuǎn)子過臨界轉(zhuǎn)速時振動大的主要原因是高中壓轉(zhuǎn)子存在較大的質(zhì)量不平衡。使用該近似處理方法，通過一次停機就可以確定不平衡量的方向和大小；在不揭缸的情況下，一次性完成動平衡調(diào)整。而傳統(tǒng)的矢量平衡法需要先試加平衡塊后進(jìn)行啟機試驗，通過矢量三角形計算才能確定不平衡量的方向和大小，至少需要通過兩次啟停機加平衡塊才能完成動平衡調(diào)整[2]。

1 質(zhì)量不平衡引起振動的機理及其近似處理

1.1 撓性轉(zhuǎn)子振動理論基礎(chǔ)

汽輪機轉(zhuǎn)子為撓性轉(zhuǎn)子，質(zhì)量不平衡會引起很大的基頻振動：當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速一定時，振幅和相位(簡稱幅相)通常是穩(wěn)定的；當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過臨界轉(zhuǎn)速時，由于共振，會使振幅顯著增大；當(dāng)轉(zhuǎn)速超過臨界轉(zhuǎn)速后，振幅會很快回落。

撓性轉(zhuǎn)子的運動微分方程為：

式中：M為轉(zhuǎn)子質(zhì)量；c為阻尼系數(shù)；k為系統(tǒng)剛度；ε為不平衡偏心距；Ω為轉(zhuǎn)速[3]；t為時間變量；β為不平衡量的相位。

令r=x+jy，整理式(1)得：

(2)

式中：ω為轉(zhuǎn)子固有頻率。

(3)

(4)

為便于理解，當(dāng)Ωt+β=0時，旋轉(zhuǎn)矢量的實部落在實數(shù)坐標(biāo)x軸上，而虛部平行于虛數(shù)坐標(biāo)y軸[3](見圖1)。

圖1 Ωt+β=0時的

(5)

1.2 近似處理方法

當(dāng)η趨近于1,即轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速接近臨界轉(zhuǎn)速時，tanα趨近于無窮大，即α為90°，則

(6)

(7)

不平衡量U為：

(8)

2 質(zhì)量不平衡故障分析與處理

2.1 機組概況

該電廠1號600 MW超臨界汽輪發(fā)電機組，汽輪機為超臨界、單軸、三缸四排汽、高中壓合缸的汽輪機。汽輪機轉(zhuǎn)子軸瓦分布見圖2，各轉(zhuǎn)子的一階臨界轉(zhuǎn)速、二階臨界轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子質(zhì)量見表1。

HP—高壓缸；IP—中壓缸；LP—低壓缸；G—發(fā)電機；E—勵磁機。

表1 汽輪機臨界轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)子質(zhì)量

2.2 振動特征

停機大修后啟機時，在暖機過程中轉(zhuǎn)子通過臨界轉(zhuǎn)速時，高中壓缸轉(zhuǎn)子兩端軸瓦，即1號軸瓦和2號軸瓦振動較大，幅相軌跡見圖3、圖4(圖中離中心點的距離為振幅，單位為μm；角度代表振幅的相位；軌跡線上的數(shù)字為該點的轉(zhuǎn)速，單位為r/min)。

圖3 調(diào)整前1號軸瓦幅相軌跡圖

圖4 調(diào)整前2號軸瓦幅相軌跡圖

從圖3、圖4可以看出： 1號軸瓦轉(zhuǎn)速為1 720 r/min時，振幅最大為64 μm，2號軸瓦轉(zhuǎn)速為1 720 r/min時，振幅最大為90 μm。轉(zhuǎn)子在一階臨界轉(zhuǎn)速(1 625 r/min)附近時，振幅明顯加大，通過臨界轉(zhuǎn)速后振幅很快減小，且1號軸瓦與2號軸瓦的幅相變化基本相同，符合質(zhì)量不平衡產(chǎn)生一階振動的特征，判斷為轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡造成的振動。

2.3 故障處理

由圖3、圖4可以看出：當(dāng)轉(zhuǎn)子在一階臨界轉(zhuǎn)速(1 625 r/min)時，1號軸瓦的振動相位為130°，2號軸瓦的振動相位為135°，平均振動相位132.5°，所以不平衡量U的相位為42.5°，應(yīng)加平衡塊的位置為222.5°。

由式(8)及表1計算可得M=32.2 t 。

因此在4個位置上加平衡塊，每塊平衡塊的質(zhì)量為277 g(見圖5)。

PL-1—調(diào)端平衡面；PL-2—中間平衡面；PL-3—電端平衡面。圖5 平衡塊添加位置記錄

3 結(jié)果與分析

按上述方案調(diào)整后1號軸瓦、2號軸瓦的幅相軌跡圖見圖6、圖7。從圖6、圖7可以看出：振幅與調(diào)整前對比明顯減小，其中1號軸瓦最大振幅為43 μm，2號軸瓦最大振幅為60 μm，均符合設(shè)計要求。

圖6 調(diào)整后1號軸瓦幅相軌跡圖

圖7 調(diào)整后2號軸瓦幅相軌跡圖

4 結(jié)語

針對某電廠600 MW超臨界汽輪發(fā)電機組停機大修后1號軸瓦和2號軸瓦振動過大，通過分析判斷為轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡引起的振動，提出一種近似處理方法計算出不平衡量的大小和方位，一次性完成動平衡調(diào)整，取得良好效果。

在預(yù)知轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速的條件下，使用該方法只需要啟停機一次，就可以確定不平衡量的方向和大小，一次性完成動平衡調(diào)整。與傳統(tǒng)的矢量平衡法相比，該近似處理方法可以減少機組啟停次數(shù)，減少機組在質(zhì)量不平衡情況下多次啟停發(fā)生事故的危險，節(jié)省動平衡調(diào)整的時間和能源。