汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡及平衡塊加裝分析

摘 要：汽輪發(fā)電機(jī)組在啟動(dòng)和運(yùn)行期間，軸承振動(dòng)大小將直接影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)將面臨設(shè)備損壞風(fēng)險(xiǎn)。引起機(jī)組軸振動(dòng)的原因有多種，其中最常見的是轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡。目前，國(guó)內(nèi)制造汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的過程中，轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡是一道不可缺少的工序，轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡反映出轉(zhuǎn)子質(zhì)心偏移轉(zhuǎn)子中心的距離。通過調(diào)整轉(zhuǎn)子的質(zhì)量分布，能夠縮短質(zhì)心偏移轉(zhuǎn)子中心的距離，這個(gè)過程稱為轉(zhuǎn)子平衡。在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備（如泵類、電機(jī)以及汽輪發(fā)電機(jī)組等）發(fā)生振動(dòng)的主要原因是轉(zhuǎn)子不平衡。因此，消除轉(zhuǎn)子和軸系不平衡尤為重要，是消除現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備振動(dòng)的主要措施。

關(guān)鍵詞：汽輪發(fā)電機(jī);轉(zhuǎn)子平衡;軸振

中圖分類號(hào)：TK263.61文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2019）11-0061-03

Abstract： During the start-up and operation of turbogenerator units， the vibration of bearings will directly affect the safe and stable operation of the units， and will face the risk of equipment damage in serious cases. There are many reasons for the large vibration of the unit shaft， among which the most common one is the unbalance of the rotor mass. At present， the dynamic balance of the rotor is an indispensable process in the domestic turbogenerator rotor manufacturing process， the unbalance of the rotor mass reflects the distance between the centroid of the rotor and the centroid of the rotor， by adjusting the mass distribution of the rotor， the center of mass offset can be shortened， this process is called rotor balancing. The main reason for the vibration of rotating equipment （such as pumps， motors and turbo-generators） running in the field is the unbalance of the rotor. Therefore， eliminating the unbalance of the rotor and shafting is particularly important， and is also an important measure to eliminate the vibration of the rotating equipment in the field.

Keywords： turbogenerator; rotor balance; shaft vibration

1 引起轉(zhuǎn)子不平衡的原因及處理措施

1.1 轉(zhuǎn)子永久性彎曲

短時(shí)間停機(jī)后轉(zhuǎn)子不平衡的主要原因是轉(zhuǎn)子上存在松脫或活動(dòng)部件、機(jī)組停運(yùn)后轉(zhuǎn)子上存在殘余熱彎曲以及停機(jī)后汽缸內(nèi)進(jìn)入冷氣（水）導(dǎo)致轉(zhuǎn)子發(fā)生永久性彎曲等。其中，引起軸振動(dòng)最常見的故障是轉(zhuǎn)子上部件（如平衡塊、圍帶、葉片等）活動(dòng)部件松脫失去緊力。

因此，針對(duì)此類故障，應(yīng)注意以下問題：振動(dòng)為普通強(qiáng)迫振動(dòng);轉(zhuǎn)子在靜止?fàn)顟B(tài)下再次啟動(dòng)發(fā)生的振動(dòng)。通過對(duì)軸系振動(dòng)幅值、相位、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)子不平衡量的判斷分析，可以判明不平衡發(fā)生的原因和某一部件故障引起的不平衡。

1.2 轉(zhuǎn)子熱彎曲變形

當(dāng)機(jī)組停運(yùn)后或者轉(zhuǎn)子在正常狀態(tài)下靜止一段時(shí)間后，由于上下缸溫差、缸溫、轉(zhuǎn)子靜止時(shí)間等，會(huì)致使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生熱彎曲變形。當(dāng)汽缸溫度一定時(shí)，轉(zhuǎn)子靜止時(shí)間>4 h，轉(zhuǎn)子熱彎曲值逐漸趨于穩(wěn)定。目前，現(xiàn)場(chǎng)大部分機(jī)組均安裝有偏心探頭、轉(zhuǎn)子彎曲指示器等檢測(cè)裝置，在轉(zhuǎn)子產(chǎn)生熱彎曲時(shí)，可以通過數(shù)據(jù)監(jiān)視及時(shí)發(fā)現(xiàn)。通過翻閱相關(guān)書籍和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)得知，當(dāng)轉(zhuǎn)子連續(xù)盤車4 h，可以有效消除95%的轉(zhuǎn)子熱彎曲值[1]。因此，電廠在汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)前均要求盤車不少于2 h。此項(xiàng)方法也是確保機(jī)組啟動(dòng)前消除轉(zhuǎn)子自身存在殘余彎曲的有效手段。

當(dāng)機(jī)組啟動(dòng)和停運(yùn)時(shí)，如果汽缸內(nèi)突然進(jìn)入大量冷氣（水）或者汽輪機(jī)汽缸疏水不暢，會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子與水接觸，造成局部溫度降低，使轉(zhuǎn)子形成彎曲。除轉(zhuǎn)子長(zhǎng)期運(yùn)行期間振幅和相位不發(fā)生明顯變化外，在此狀態(tài)下產(chǎn)生的振動(dòng)特征與轉(zhuǎn)子熱彎曲引起的振動(dòng)基本相同[2]。

機(jī)組在運(yùn)行期間，機(jī)組軸振會(huì)不定時(shí)突然增大，在排除是由軸承座預(yù)緊力降低和轉(zhuǎn)子套裝聯(lián)軸器緊力不夠造成時(shí)，可判斷引起機(jī)組軸振變大的原因是轉(zhuǎn)子不平衡，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的不平衡原因?yàn)槠變?nèi)動(dòng)靜部分摩擦、轉(zhuǎn)動(dòng)部件脫落。汽輪機(jī)動(dòng)靜部分碰磨主要原因如下：①因汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子加熱不均勻引起轉(zhuǎn)子熱彎曲，引發(fā)徑向、軸向碰磨，此類故障是嚴(yán)重威脅機(jī)組安全運(yùn)行的因素之一;②轉(zhuǎn)子與汽封、葉片圍帶與葉頂汽封等汽缸內(nèi)靜止部分產(chǎn)生碰磨，這類碰磨振動(dòng)是由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速很高，動(dòng)靜部分接觸后，接觸部分很快會(huì)磨損，動(dòng)靜部分間隙逐漸變大并脫離摩擦，此類故障一般不會(huì)引起轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡。

機(jī)組在運(yùn)行過程中最常見的轉(zhuǎn)動(dòng)部件脫落是汽輪機(jī)葉片脫落，葉片脫落對(duì)軸系振動(dòng)的影響主要取決于脫落部件的位置、重量以及與原始轉(zhuǎn)子不平衡的夾角。轉(zhuǎn)子在第一臨界轉(zhuǎn)速下，軸系振動(dòng)頻譜存在較大振幅，在排除軸承座螺栓預(yù)緊力后，即可確定為轉(zhuǎn)子不平衡引起的。

2 機(jī)組原始振動(dòng)的選擇

測(cè)點(diǎn)為機(jī)組滿負(fù)荷3 000r/min下原始振動(dòng)和不平衡量最大的點(diǎn)，一般關(guān)注的測(cè)點(diǎn)越多，軸系平衡越復(fù)雜。

3 加重影響系數(shù)及平衡重量計(jì)算

由于影響系數(shù)是向量，在計(jì)算試加重量的同時(shí)也能確定加重方向，在計(jì)算加重位置前應(yīng)先確定測(cè)量影響系數(shù)的測(cè)振儀、傳感器、鍵相位置均相同等因素。通過影響系數(shù)法試加配重，對(duì)于剛性轉(zhuǎn)子而言，一般是在轉(zhuǎn)子主跨內(nèi)每個(gè)平面分別進(jìn)行試加;對(duì)于柔性轉(zhuǎn)子，使用此種試加重，計(jì)算工作量巨大，很有可能出現(xiàn)錯(cuò)誤。因此，為了糾正錯(cuò)誤，在轉(zhuǎn)子主跨內(nèi)每個(gè)平面必須同時(shí)試加正交重量，由某階平衡振型決定加重形式。

對(duì)于剛性轉(zhuǎn)子而言，只要在轉(zhuǎn)子高速動(dòng)平衡后，基本上就可以保證其在任何轉(zhuǎn)速下正常運(yùn)行。但就柔性轉(zhuǎn)子而言，如果采用上述相同的方法進(jìn)行平衡，那么結(jié)果就僅能保證在該平衡轉(zhuǎn)速合格，在其他轉(zhuǎn)速以及臨界轉(zhuǎn)速下，軸系振動(dòng)不但不能降低，還可能增加。因此，相關(guān)單位必須將柔性轉(zhuǎn)子振動(dòng)有關(guān)的轉(zhuǎn)速，尤其是臨界轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)統(tǒng)一列入所關(guān)注的測(cè)點(diǎn)加重影響系數(shù)方程式中計(jì)算求解。

4 殘余平衡

不論采用何種方法平衡柔性轉(zhuǎn)子，都是在有限的幾個(gè)平面上加裝平衡塊實(shí)現(xiàn)平衡。在加裝完成后，從理論上來說，即使在平衡轉(zhuǎn)速下，所在測(cè)點(diǎn)測(cè)量出的殘余振動(dòng)也不可能為零。采用影響系數(shù)法來平衡柔性轉(zhuǎn)子，是通過在數(shù)學(xué)采用求解矛盾方程法計(jì)算取得的，柔性轉(zhuǎn)子采用該方法平衡后殘余振動(dòng)不為零。

5 轉(zhuǎn)子動(dòng)的平衡加裝

某發(fā)電廠#2機(jī)為上海汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的超臨界、中間一次再熱、三缸四排汽、單軸、雙背壓、凝汽式、8級(jí)回?zé)岷头磩?dòng)式汽輪機(jī)。汽輪機(jī)軸系部分由1根高中壓轉(zhuǎn)子、2根低壓轉(zhuǎn)子等組成，2根低壓轉(zhuǎn)子通過1根中間軸連接。高中壓轉(zhuǎn)子和低壓轉(zhuǎn)子的徑向軸承均采用可傾瓦軸承。該機(jī)組從2016年12月31日投產(chǎn)運(yùn)行后，發(fā)現(xiàn)#1瓦軸振偏大現(xiàn)象。2017年3月，經(jīng)對(duì)波特圖進(jìn)行分析判斷后，確定#1瓦軸振大原因是轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡。將合該機(jī)組出廠前動(dòng)平衡影響系數(shù)作為參考，對(duì)兩側(cè)配重質(zhì)量按照公式進(jìn)行計(jì)算和選取，并按照配重角度計(jì)算公式計(jì)算，確認(rèn)配重安裝角度（配重角度為人面對(duì)汽輪機(jī)機(jī)頭站立，向發(fā)電機(jī)方向看去轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向角度）。該轉(zhuǎn)子振動(dòng)傳感器及鍵相器安裝角度為X、Y左上方45°和右上方45°，最終，通過參照配重角度計(jì)算公式得出的計(jì)算結(jié)果，將配重安裝角度確認(rèn)在高壓轉(zhuǎn)子260°附近位置，加裝配重質(zhì)量285g。

將平衡塊加裝完成并恢復(fù)系統(tǒng)后，聯(lián)系啟動(dòng)#2機(jī)汽輪發(fā)電機(jī)組，在機(jī)組啟動(dòng)并運(yùn)行至正常狀態(tài)轉(zhuǎn)子達(dá)額定轉(zhuǎn)速3 000r/min后，檢查汽輪發(fā)電機(jī)組各項(xiàng)指標(biāo)正常，#1瓦軸振X向通頻值為31μm、Y向通頻值為38μm。#2機(jī)#1瓦軸振動(dòng)問題得到了圓滿解決。

6 結(jié)語

目前，汽輪發(fā)電機(jī)廠在機(jī)組出廠前均會(huì)影響汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子平衡，但是進(jìn)行動(dòng)平衡的環(huán)境是在常溫狀態(tài)下，與轉(zhuǎn)子實(shí)際運(yùn)行溫度有較大區(qū)別。在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)機(jī)組振動(dòng)原因進(jìn)行準(zhǔn)確分析和冷靜判斷是轉(zhuǎn)子進(jìn)行質(zhì)量平衡的基礎(chǔ)工作，能夠確認(rèn)現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)和鍵相傳感器裝設(shè)角度以及機(jī)組正常運(yùn)行期間轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向。在進(jìn)行平衡配重時(shí)，配重塊選擇與機(jī)組原始振動(dòng)的大小、轉(zhuǎn)子的質(zhì)量、加重位置半徑及支撐特性有關(guān)，日常及時(shí)了解同類型機(jī)組的影響系數(shù)尤為重要。

參考文獻(xiàn)：

[1]施維新.汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)及事故[M].北京：中國(guó)電力出版社，1999.

[2]張林.汽輪機(jī)順序閥運(yùn)行期間軸振大原因分析與處理[J].山東工業(yè)技術(shù)，2019（6）：195-196.