兩平面動(dòng)平衡在動(dòng)葉可調(diào)雙級(jí)軸流式風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用

趙衛(wèi)正， 陳 杰， 周仁米， 顧偉飛， 華 敏

(浙江浙能技術(shù)研究院有限公司， 杭州 310003)

一次風(fēng)機(jī)作為火電廠鍋爐系統(tǒng)中重要設(shè)備，主要功能是將干燥的煤粉送入鍋爐爐膛，使鍋爐安全、穩(wěn)定燃燒。近年來(lái)，動(dòng)葉可調(diào)雙級(jí)葉輪軸流式結(jié)構(gòu)的一次風(fēng)機(jī)在大型火電機(jī)組得到廣泛應(yīng)用。動(dòng)葉可調(diào)雙級(jí)軸流式一次風(fēng)機(jī)通過(guò)液壓裝置來(lái)調(diào)整葉輪動(dòng)葉的安裝角，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)壓和風(fēng)量的調(diào)整，具有效率高、調(diào)節(jié)靈活等特點(diǎn)。一次風(fēng)機(jī)在長(zhǎng)期運(yùn)行中，風(fēng)機(jī)中輸送的煤粉會(huì)對(duì)兩級(jí)葉輪葉片產(chǎn)生磨損和堆積，引起轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡，造成振動(dòng)超標(biāo)[1-3]。

由于動(dòng)葉可調(diào)雙級(jí)軸流式一次風(fēng)機(jī)采用前后兩級(jí)葉輪，兩級(jí)葉輪都會(huì)因磨損造成質(zhì)量不平衡。對(duì)于雙級(jí)葉輪都存在質(zhì)量不平衡的一次風(fēng)機(jī)，大多數(shù)情況下通過(guò)單級(jí)葉輪加重可同時(shí)減小各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)，但也會(huì)碰到單級(jí)葉輪加重?zé)o法同時(shí)減小各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)，在降低某一側(cè)振動(dòng)的同時(shí)將另一側(cè)的振動(dòng)增大，這時(shí)需要考慮兩級(jí)葉輪同時(shí)加重處理。

筆者分析了某電廠動(dòng)葉雙級(jí)軸流式一次風(fēng)機(jī)異常振動(dòng)故障原因，嘗試對(duì)一級(jí)和二級(jí)葉輪分別進(jìn)行單平面動(dòng)平衡處理，分析單平面加重?zé)o法降低振動(dòng)的原因，提出兩平面同時(shí)動(dòng)平衡處理方案。

1 兩平面動(dòng)平衡原理

某轉(zhuǎn)子由軸承A和軸承B兩端支撐，軸承A和軸承B各裝有振動(dòng)測(cè)點(diǎn)。轉(zhuǎn)子上有兩個(gè)加重平面，分別為Ⅰ-Ⅰ平面和Ⅱ-Ⅱ平面，兩平面動(dòng)平衡示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 雙面動(dòng)平衡示意圖

將轉(zhuǎn)子升速至工作轉(zhuǎn)速，測(cè)得轉(zhuǎn)子兩端軸承A和軸承B的振動(dòng)分別為A0和B0。在Ⅰ-Ⅰ平面試加重質(zhì)量為P1，將轉(zhuǎn)速升至工作轉(zhuǎn)速，測(cè)得軸承A和軸承B的振動(dòng)分別為A1和B1。計(jì)算P1對(duì)軸承A和軸承B的影響系數(shù)k1A、k1B分別為：

(1)

(2)

取下加重P1，在Ⅱ-Ⅱ平面試加重質(zhì)量為P2，測(cè)得工作轉(zhuǎn)速下軸承A和軸承B的振動(dòng)分別為A2和B2。計(jì)算試加重P2對(duì)軸承A和軸承B的影響系數(shù)k2A、k2B分別為：

(3)

(4)

假設(shè)在Ⅰ-Ⅰ平面和Ⅱ-Ⅱ平面分別加重質(zhì)量為Q1和Q2，根據(jù)影響系數(shù)和振動(dòng)變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系，Q1和Q2對(duì)軸承A的振動(dòng)變化量為Q1×k1A+Q2×k2A，加重后振動(dòng)變化量與原始振動(dòng)A0相反，可得：

Q1×k1A+Q2×k2A+A0=0

(5)

同理，可得：

Q1×k1B+Q2×k2B+B0=0

(6)

聯(lián)立式(5)和式(6)，可求得Q1和Q2[4-6]。

2 振動(dòng)測(cè)試與分析

2.1 風(fēng)機(jī)軸系布置

某火電廠600 MW機(jī)組鍋爐系統(tǒng)的一次風(fēng)機(jī)采用動(dòng)葉可調(diào)雙級(jí)軸流式結(jié)構(gòu)，風(fēng)機(jī)由一臺(tái)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，工作轉(zhuǎn)速為1 498 r/min，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子通過(guò)撓性聯(lián)軸器相連，其軸系結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。整個(gè)軸系由四個(gè)滾動(dòng)軸承支撐，其中風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子由1號(hào)和2號(hào)軸承支撐，兩個(gè)軸承布置在同一軸承箱內(nèi)。風(fēng)機(jī)軸承箱位于風(fēng)機(jī)一級(jí)和二級(jí)葉輪之間，通過(guò)支撐筋與風(fēng)機(jī)外殼相連。

圖2 一次風(fēng)機(jī)軸系示意圖

2.2 振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置

該一次風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)兩側(cè)軸承振動(dòng)均較小，主要是風(fēng)機(jī)側(cè)1號(hào)和2號(hào)軸承振動(dòng)偏大。1號(hào)和2號(hào)軸承位于同一軸承箱內(nèi)，在水平和垂直方向分別安裝了速度傳感器用于測(cè)量軸承振動(dòng)；鍵相探頭安裝在水平方向，用于測(cè)量轉(zhuǎn)速和振動(dòng)相位。1號(hào)和2號(hào)軸承振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置分別見(jiàn)圖3和圖4。

圖3 1號(hào)軸承振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置

圖4 2號(hào)軸承振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置

2.3 振動(dòng)測(cè)試

據(jù)電廠運(yùn)行人員反映，該一次風(fēng)機(jī)運(yùn)行中電動(dòng)機(jī)側(cè)振動(dòng)較小，而風(fēng)機(jī)側(cè)振動(dòng)偏大。在檢查性大修中進(jìn)行解體，大修結(jié)束后風(fēng)機(jī)側(cè)振動(dòng)仍然偏高，接近報(bào)警值，威脅到設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

一次風(fēng)機(jī)啟動(dòng)到工作轉(zhuǎn)速1 498 r/min時(shí)，將速度傳感器測(cè)得的速度信號(hào)轉(zhuǎn)換成位移信號(hào)，記錄啟動(dòng)后各工況下風(fēng)機(jī)側(cè)軸承振動(dòng)數(shù)據(jù)(見(jiàn)表1，數(shù)據(jù)表示：通頻值/一倍頻振幅∠相位)。

表1 一次風(fēng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速下原始振動(dòng)數(shù)據(jù) μm/μm∠(°)

從表1數(shù)據(jù)可以看出：除了2號(hào)軸承水平方向振動(dòng)不大，其余三個(gè)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)均嚴(yán)重超標(biāo)。

2.4 振動(dòng)分析

根據(jù)所測(cè)量的振動(dòng)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)該一次風(fēng)機(jī)振動(dòng)有以下幾點(diǎn)特征：

(1) 各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)均以一倍頻為主，沒(méi)有明顯的高頻和低頻分量。

(2) 對(duì)比剛定速時(shí)和定速后30 min的數(shù)據(jù)，一倍頻振動(dòng)幅值和相位變化較小，振動(dòng)基本維持穩(wěn)定。

(3) 1號(hào)軸承和2號(hào)軸承振動(dòng)相位差接近反向。從定速后30 min振動(dòng)數(shù)據(jù)看：1號(hào)和2號(hào)軸承垂直方向相位分別為80°和288°，振動(dòng)相位相差208°，接近反向；1號(hào)和2號(hào)軸承水平方向振動(dòng)分別為1°和31°，但這兩個(gè)探頭安裝方向相差180°，因此水平方向振動(dòng)探頭實(shí)際相位差為210°，同樣接近反向。

(4) 該風(fēng)機(jī)大修前振動(dòng)就一直超標(biāo)，運(yùn)行工況變化時(shí)振動(dòng)一直偏大；測(cè)試前電廠人員對(duì)電動(dòng)機(jī)和風(fēng)機(jī)側(cè)的地腳螺栓進(jìn)行了緊固，可排除地腳螺栓松動(dòng)引起的振動(dòng)超標(biāo)。

以上振動(dòng)特征說(shuō)明一次風(fēng)機(jī)振動(dòng)超標(biāo)的原因是質(zhì)量不平衡。根據(jù)雙級(jí)軸流式風(fēng)機(jī)動(dòng)平衡經(jīng)驗(yàn)，通常情況下某一級(jí)葉輪質(zhì)量不平衡會(huì)造成靠近該級(jí)葉輪的軸承振動(dòng)超標(biāo)，而此風(fēng)機(jī)1號(hào)軸承和2號(hào)軸承垂直方向振動(dòng)同時(shí)超標(biāo)，初步分析風(fēng)機(jī)兩級(jí)葉輪可能同時(shí)存在不平衡。根據(jù)上述分析，決定通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡消除風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子的不平衡質(zhì)量，減小軸系的激振力，達(dá)到降低振動(dòng)的目的。

3 兩平面動(dòng)平衡

3.1 試加重方案

根據(jù)動(dòng)平衡處理經(jīng)驗(yàn)，將工作轉(zhuǎn)速下的風(fēng)機(jī)視為剛性轉(zhuǎn)子。1號(hào)軸承水平和垂直方向振動(dòng)均偏大，以1號(hào)軸承垂直方向振動(dòng)為主要平衡目標(biāo)，兼顧水平方向振動(dòng)。先在風(fēng)機(jī)一級(jí)葉輪處試加重質(zhì)量為100 g、角度為0°(0.1 kg∠0°)。試加重后工作轉(zhuǎn)速下風(fēng)機(jī)振動(dòng)見(jiàn)表2。

表2 風(fēng)機(jī)一級(jí)葉輪加重后振動(dòng)數(shù)據(jù) μm/μm∠(°)

一級(jí)葉輪處試加重后，1號(hào)和2號(hào)軸承水平方向振動(dòng)幅值增大，垂直方向振動(dòng)幅值變化較小。根據(jù)1號(hào)軸承振動(dòng)變化情況，計(jì)算一級(jí)葉輪加重0.1 kg∠0°對(duì)1號(hào)軸承水平方向和垂直方向振動(dòng)的影響分別為187 μm∠330°、59 μm∠356°。同理可得：一級(jí)葉輪加重0.1 kg∠0°對(duì)2號(hào)軸承水平方向和垂直方向振動(dòng)的影響分別為150 μm∠142°、43 μm∠21°。去除一級(jí)葉輪加重，在二級(jí)葉輪上進(jìn)行試加重。二級(jí)葉輪加重0.1 kg∠0°對(duì)1號(hào)軸承水平方向和垂直方向振動(dòng)的影響系數(shù)分別為317 μm∠300°、42 μm∠299°；二級(jí)葉輪加重0.1 kg∠0°對(duì)2號(hào)軸承水平方向和垂直方向振動(dòng)的影響分別為440 μm∠120°、197 μm∠351°。

3.2 單平面動(dòng)平衡不可行分析

根據(jù)表1的原始振動(dòng)數(shù)據(jù)，結(jié)合加重影響系數(shù)，分析一級(jí)葉輪或二級(jí)葉輪單平面動(dòng)平衡對(duì)降低振動(dòng)的可行性。加重前1號(hào)軸承和2號(hào)軸承振動(dòng)垂直方向相位分別為80°和288°，接近相反，而一級(jí)葉輪加重對(duì)1號(hào)和2號(hào)軸承垂直方向振動(dòng)影響系數(shù)相位分別為356°和21°，接近同向。說(shuō)明一級(jí)葉輪單平面加重在降低其中一個(gè)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)的同時(shí)，必然會(huì)使另一個(gè)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)增大，因此在一級(jí)葉輪上單平面加重不可能同時(shí)降低1號(hào)和2號(hào)軸承垂直方向振動(dòng)。同理，可知在二級(jí)葉輪單平面加重不可能同時(shí)降低1號(hào)和2號(hào)軸承振動(dòng)。

在單平面加重?zé)o法降低振動(dòng)的情況下，必須采用在一級(jí)葉輪和二級(jí)葉輪上同時(shí)加重的兩平面加重法。

3.3 兩平面動(dòng)平衡

上述兩組影響系數(shù)中加重對(duì)水平方向影響明顯比垂直方向大，以降低水平方向振動(dòng)為主，兼顧垂直方向振動(dòng)。根據(jù)兩平面加重影響系數(shù)和求解式(5)、式(6)，計(jì)算得出一級(jí)和二級(jí)葉輪加重方案，其中在一級(jí)葉輪上加重質(zhì)量為560 g、角度為240°，二級(jí)葉輪上加重質(zhì)量為250 g、角度為100°，加重后振動(dòng)明顯降低(見(jiàn)表3)。

表3 風(fēng)機(jī)兩級(jí)葉輪同時(shí)加重后振動(dòng)數(shù)據(jù) μm/μm∠(°)

4 結(jié)語(yǔ)

目前大型火電機(jī)組多采用動(dòng)葉可調(diào)雙級(jí)軸流式一次風(fēng)機(jī)，在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中風(fēng)機(jī)兩級(jí)動(dòng)葉受到磨損造成質(zhì)量不平衡，從而引起振動(dòng)超標(biāo)。雙級(jí)葉輪質(zhì)量不平衡通過(guò)單平面加重?zé)o法將振動(dòng)降低到滿意的程度，則需要進(jìn)行兩平面加重。兩平面加重過(guò)程較單平面加重繁瑣，但能徹底消除轉(zhuǎn)子上的力不平衡和力偶不平衡，將振動(dòng)降低到優(yōu)良范圍內(nèi)。