高速動平衡試驗對機組軸系振動的影響

張瑩

[摘? ? 要]某電廠汽輪發電機組通流改造更換的新轉子在出廠前進行的高速動平衡試驗高標準完成，機組整套啟動后軸系振動較好，振動值全部控制在國標規定的優秀范圍內，機組啟動一次沖轉成功，一次并網成功，實現了零次動平衡啟動的目標。

[關鍵詞]高速動平衡;軸系振動;影響

[中圖分類號]TH117.2 [文獻標志碼]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機組節能減排增容優化升級改造機會對汽輪機進行了通流改造并徹底消除汽輪發電機組軸系振動偏高的缺陷。汽輪機改造后一次沖轉成功，一次并網成功，機組最高負荷達到900 WM，軸系振動值全部控制在優秀值范圍內，成功實現了零次動平衡的目標。

1 轉子的分類

根據轉子的工作狀態和力學特性，從平衡的觀點出發，常把轉子分成兩類：剛性轉子和撓性轉子。一般來說，凡是工作轉速遠低于轉子的一階彎曲臨界轉速的轉子視為剛性轉子;而把工作轉速接近或超過轉子的一階彎曲臨界轉速的轉子視為撓性轉子。

通常剛性轉子是指剛度相當大，轉子在不平衡離心慣性力的作用下所產生的動撓度很小，以致在轉子工作和平衡的過程中可以忽略不計。撓性轉子由于在運轉及平衡時將產生撓曲變形，其情況要復雜得多。

2 撓性轉子出廠前高速動平衡

轉子在汽輪機廠制造裝配完畢后，出廠前一般需要做高速動平衡。轉子平衡是一種檢查并在必要時調整轉子質量分布的工藝過程，其目的是使由不平衡引起的機器振動、轉子撓度和軸承動反力低于允許值。

目前國內運行的汽輪機轉子多為撓性轉子。撓性轉子在轉動狀態下，轉子的撓曲變形會產生附加的不平衡，撓性轉子平衡與剛性轉子平衡有所不同，要采用撓性轉子平衡理論進行高速動平衡。

2.1 撓性轉子不平衡分布

撓性轉子的平衡狀態隨著轉速改變而改變，撓性轉子不平衡在轉子內分布和剛性轉子一樣，在轉子整個長度內很多平面內存在，而且不平衡分布往往是未知的。

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

實際上，平衡轉子時通常只能在有限個校正平面上加重，因而平衡重量與轉子實際不平衡軸向分布差別較大，當轉速升高后，各平面上不平衡力和所加平衡重量產生的不平衡力形成內力矩，轉子產生撓曲變形，使轉子平衡被破壞。

2.2 撓性轉子的振型

對于有阻尼的轉子的支承系統，撓性轉子支承在徑向剛度各向同性的軸承上，在工作轉速范圍內可能會表現出一階振型、二階振型和三階振型。

撓性轉子不平衡分布能用振型不平衡量來表示，每個振型的撓度由相應的振型不平衡量引起。撓性轉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，從而使相應振型的撓度減少。

一般來說，平衡一階不平衡需要3個校正平面，平衡二階不平衡需要4個校正平面。

2.3 撓性轉子平衡的目標

撓性轉子在平衡之前，需要確定平衡準則，使平衡工藝有效、經濟，并滿足現場的實際需要。

由于只能在有限個校正平面上加重，因此撓性轉子一般無法做到完全平衡，平衡后總會有剩余不平衡。平衡撓性轉子不是剩余不平衡越小越好，而是要根據現場實際需要來確定平衡精度。只要在整個工作轉速范圍內，轉子剩余不平衡小于國家標準

GB/T 9239.1—2006《機械振動恒態（剛性）轉子平衡品質要求分》（第1部）和GB/T 6557—2009《撓性轉子機械平衡的方法和準則》規定的允許值即可。

2.4 撓性轉子高速動平衡方法

撓性轉子在高速平衡機上做高速動平衡，需要選擇適當的軸承，使其支承剛度盡量接近現場軸承，以保證轉子在高速平衡機上的主要振型和現場相同。

高速平衡機上一般裝有速度型振動傳感器，建議再加裝渦流傳感器，在兩個軸承同一軸向平面上相隔90o各安裝兩個渦流傳感器，測量轉子的相對軸振動。轉子平衡前需要在某個低轉數下運轉一段時間以消除臨時彎曲。

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

2.5 撓性轉子平衡品質

一般用考核轉子剩余不平衡量的方法來評定撓性轉子的平衡品質。根據國家標準GB/T 9239.1—2006《機械振動恒態（剛性）轉子平衡品質要求分》（第1部）和GB/T 6557—2009《撓性轉子機械平衡的方法和準則》，汽輪機組轉子平衡品質要求達到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子，不論其不平衡分布如何，剩余不平衡量不應超過下述限值，該值用國家標準GB/T 9239—2006中等效剛性轉子的剩余不平衡量的百分比表示。

①低速動平衡的剩余不平衡量不應超過100 %;

②等效一階振型的剩余不平衡量不應超過60 %;

③等效二階振型的剩余不平衡量不應超過60 %;

④在3 000 r/min工作轉速下，剩余不平衡量不應超過100 %。

3 出廠前高速動平衡試驗數據

該電廠汽輪發電機組軸系由七段轉子組成，即高壓轉子、中壓轉子、1號低壓轉子、2號低壓轉子、3號低壓轉子、發電機轉子和勵磁機轉子組成，五根新制造的汽輪機轉子出廠均進行了嚴格的高速動平衡試驗。

出廠高速動平衡試驗要求：低壓轉子工作轉速下振速≤1.8 mm/s，臨界轉速下振速≤2.8 mm/s;高、中壓轉子工作轉速下振速≤2.5 mm/s，臨界轉速下振速≤2.8 mm/s。該電廠與制作廠技術協議要求：振速≤1.2 mm/s。試驗結果全部控制在1.0 mm/s以下。

高、中、低壓轉子高速動平衡試驗結果見表1～表5。

4 轉子現場安裝中需要關注的一些技術指標

汽輪機轉子返回現場安裝時，要嚴格按照試驗前制定的《汽輪機檢修工藝規程》要求進行，與振動有關的一些技術指標要求達到下列標準：

①轉子對輪的自由晃度不大于0.02 mm;

②轉子對輪端面瓢偏不大于0.02 mm;

③轉子彎曲度不大于0.06 mm;

④轉子按聯軸器找中心滿足《汽輪機檢修工藝規程》要求，各軸頸的揚度符合制造廠要求;

⑤轉子聯結后對輪組合晃度不大于0.03 mm。

5 撓性轉子現場高速動平衡

當多個轉子相互聯結時，整個軸系將有一系列的臨界轉速和振型。這些臨界轉速和單個未聯結轉子的臨界轉速既不相等也沒有簡單的關系，而且耦合軸系的撓曲形狀也不一定和未聯結轉子的任一振型有簡單的關系。因此，多個耦合轉子的不平衡分布應按照整個軸系的振型不平衡量評定。

如果高速動平衡機所用軸承的支承剛度與現場軸承差別較大，那么轉子在高速平衡機上的主要振型與現場安裝后的主要振型也會有較大差別。

用對輪螺栓聯結轉子時可能會引入不平衡，另外對輪螺栓緊力是否對稱、軸系中心、聯軸器徑向晃度和端面瓢偏等也會對振動有一定影響。

由于上述諸多原因，盡管轉子在汽輪機廠做過高速動平衡，而且平衡品質達到G2.5級要求，當把多個轉子在現場聯結成軸系后，機組仍有可能出現較大振動，這時就需要在現場做高速動平衡。根據機組軸系的實際振型，判斷軸系的不平衡分布，力爭以最少的次數使機組振動達到現場要求。

由于轉子出廠前動平衡試驗嚴格進行，該電廠汽輪機通流改造軸系振動較好，機組整套啟動后，機組軸系振動全部控制在國標要求的優秀范圍內，一次沖轉成功，一次并網成功，實現了零次動平衡啟動，機組最高負荷達900 WM。

6 結束語

該電廠汽輪發電機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。軸系振動均達到國標優秀區域要求，處于國內先進水平。通過對機組長周期運行情況進行檢驗，軸系振動在不同的負荷擾動下，振動情況無明顯變化，實現了振動治理的目標，提高了機組的可用率和可靠性，保證了機組的長周期安全穩定運行。

參考文獻

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