唐丹眾

(神華國(guó)華廣投(北海)發(fā)電有限責(zé)任公司，廣西壯族自治區(qū)北海市 536000)

0 引言

汽輪發(fā)電機(jī)是發(fā)電廠的重要設(shè)備，在一系列能量轉(zhuǎn)化過(guò)程當(dāng)中起著重要的紐帶作用，而作為支撐機(jī)組的框架式基礎(chǔ)，其動(dòng)力特性優(yōu)劣直接關(guān)系到整個(gè)機(jī)組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行［1-2］。因此了解現(xiàn)有汽輪機(jī)基礎(chǔ)振動(dòng)評(píng)價(jià)體系，并且找到軸承座振動(dòng)與基礎(chǔ)振動(dòng)之間的內(nèi)在聯(lián)系與區(qū)別，對(duì)于更有效評(píng)價(jià)基礎(chǔ)振動(dòng)并指導(dǎo)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

我國(guó)在進(jìn)行汽機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，主要參考的規(guī)范有GB 50040—1996《動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》［3］和ISO 10816－2《在非旋轉(zhuǎn)部件上測(cè)量和評(píng)價(jià)機(jī)器的機(jī)械振動(dòng)第2部分:50 MW以上陸地安裝的大型汽輪發(fā)電機(jī)組》［4］。以上2個(gè)規(guī)范要求的參數(shù)不同，位置也不同。在目前的評(píng)價(jià)過(guò)程中缺乏軸承座振動(dòng)與基礎(chǔ)振動(dòng)之間的關(guān)系，2套規(guī)范各自相互獨(dú)立，導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果有所差異。鑒于此，本文在對(duì)上述2個(gè)規(guī)范進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合2臺(tái)典型600 MW機(jī)組的振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)，分別比較了軸承座與相應(yīng)位置處基礎(chǔ)擾力點(diǎn)的振動(dòng)狀態(tài)，并探尋軸承座振動(dòng)與基礎(chǔ)振動(dòng)的關(guān)系，對(duì)相應(yīng)規(guī)范的嚴(yán)酷程度進(jìn)行了分析，為進(jìn)一步研究機(jī)組與基礎(chǔ)的振動(dòng)規(guī)律奠定了實(shí)踐基礎(chǔ)。

1 規(guī)范簡(jiǎn)介

1.1 GB 50040—1996規(guī)范簡(jiǎn)介

GB 50040—1996第五章“汽輪機(jī)組和電機(jī)基礎(chǔ)”適用于工作轉(zhuǎn)速為3 000 r/min及以下的汽輪機(jī)組(汽輪發(fā)電機(jī)、汽輪鼓風(fēng)機(jī))和電機(jī)(調(diào)相機(jī)等)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，是我國(guó)汽機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的主要參考依據(jù)。其針對(duì)機(jī)組運(yùn)行和啟動(dòng)過(guò)程中基礎(chǔ)的動(dòng)力特性要求主要有:汽機(jī)基礎(chǔ)在機(jī)組工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)(2 250～3 750 r/min)基礎(chǔ)擾力點(diǎn)的振動(dòng)線位移不超過(guò)20 μm，啟動(dòng)過(guò)程中(0～2 250 r/min)振動(dòng)線位移不超過(guò)30 μm。圖1為GB 50040—1996規(guī)定的振動(dòng)線位移允許峰值包絡(luò)曲線。

圖1 GB 50040—1996規(guī)定的振動(dòng)線位移允許峰值包絡(luò)曲線Fig.1Envelope curve of specified peak value of vibration linear displacement by GB 50040—1996

1.2 ISO 10816－2規(guī)范簡(jiǎn)介

ISO 10816－2是在非旋轉(zhuǎn)部件上測(cè)量機(jī)器振動(dòng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定的測(cè)量部位是軸承箱或底座，通常選在每個(gè)軸承的相互垂直的2個(gè)徑向方向［4-7］。該標(biāo)準(zhǔn)提供了評(píng)定各種機(jī)器振動(dòng)烈度的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的一般描述。其中，關(guān)于振動(dòng)幅值的描述為:在每個(gè)軸承座處測(cè)量到的最大振動(dòng)線速度均方根值作為該軸承座的振動(dòng)幅值。按照由經(jīng)驗(yàn)建立的4個(gè)評(píng)價(jià)區(qū)域進(jìn)行評(píng)價(jià)，即A、B、C、D 4個(gè)區(qū)域，不同區(qū)域有不同的標(biāo)準(zhǔn)值，如圖2所示。圖中f1、fx、fy、fu分別為恒定位移控制的頻率起點(diǎn)、恒定速度控制頻率的起點(diǎn)、恒定加速度控制頻率的起點(diǎn)及恒定加速度控制頻率的終點(diǎn)。各區(qū)域所代表的含義如下。區(qū)域A:新投產(chǎn)的機(jī)器，振動(dòng)通常宜在此區(qū)域內(nèi);區(qū)域B:通常認(rèn)為振動(dòng)在此區(qū)域內(nèi)的機(jī)器，可不受限制地長(zhǎng)期運(yùn)行;區(qū)域C:通常認(rèn)為振動(dòng)在此區(qū)域內(nèi)的機(jī)器不適宜長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行，一般來(lái)說(shuō)，在有適當(dāng)機(jī)會(huì)采取補(bǔ)救措施之前，機(jī)器在這種狀況下可運(yùn)行有限的一段時(shí)間;區(qū)域D:振動(dòng)在此域內(nèi)一般認(rèn)為其烈度足以引起機(jī)器損壞。

圖2 振動(dòng)區(qū)域Fig.2Vibration region

對(duì)于50 MW以上陸地安裝的大型汽輪發(fā)電機(jī)組推薦限值如表1所示，新投產(chǎn)運(yùn)行的機(jī)組，可按A/B區(qū)域邊界對(duì)軸承座的振動(dòng)線速度均方根值進(jìn)行評(píng)價(jià)，即3.8 mm/s。

表1 汽輪發(fā)電機(jī)組軸承座振動(dòng)速度評(píng)價(jià)區(qū)域邊界的推薦值(ISO 10816－2)Tab.1Recommended evaluation value of vibration velocity of bearing chock in turbogenerator at different regional boundaries(ISO 10816－2)

2 測(cè)試機(jī)組基礎(chǔ)簡(jiǎn)介

所測(cè)試的2臺(tái)600 MW機(jī)組基礎(chǔ)為同類型。每臺(tái)機(jī)組由1臺(tái)汽輪機(jī)(1個(gè)高中壓缸、2個(gè)低壓缸)和1臺(tái)發(fā)電機(jī)組成，分別由上海汽輪機(jī)有限責(zé)任公司以及上海電機(jī)有限責(zé)任公司生產(chǎn)。該機(jī)組軸系由高中壓(HIP)轉(zhuǎn)子、低壓I(LPⅠ)轉(zhuǎn)子、低壓II(LPⅡ)轉(zhuǎn)子、發(fā)電機(jī)(GEN)轉(zhuǎn)子和滑環(huán)小軸及9個(gè)支撐軸承組成。機(jī)組軸承座分布如圖3所示，圖中1～9號(hào)軸承座為ISO 10816－2規(guī)定的測(cè)點(diǎn)。圖4為與機(jī)組軸承座對(duì)應(yīng)的基礎(chǔ)擾力點(diǎn)分布，共8個(gè)擾力點(diǎn)，為GB 50040—1996規(guī)定的測(cè)點(diǎn)。二者對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表2。

3 測(cè)試方法與內(nèi)容

表2 軸承座與擾力點(diǎn)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系Tab.2Corresponding relation between bearing chock and interference point

測(cè)試過(guò)程中，將速度傳感器直接布置在基礎(chǔ)相應(yīng)測(cè)點(diǎn)上，采得的信號(hào)輸入信號(hào)采集儀內(nèi)，經(jīng)分析與變換，可以得到信號(hào)時(shí)域圖、功率譜圖、各信號(hào)之間的相關(guān)函數(shù)圖等，并得到最大速度峰值、均方根值等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)速度信號(hào)進(jìn)行積分，還可得到各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)線位移值［8-10］。圖5為測(cè)試得到的A機(jī)組4號(hào)軸承座及103號(hào)擾力點(diǎn)X向振動(dòng)線速度時(shí)程曲線。

圖5 A機(jī)組4號(hào)軸承座及103號(hào)擾力點(diǎn)X向振動(dòng)線速度時(shí)程曲線Fig.5Time-history curve of X-direction vibration velocity of No.4 bearing chock and No.103 interference point in unit A

4 振動(dòng)線速度均方根值測(cè)試結(jié)果分析

表3為計(jì)算得到的軸承座與相應(yīng)擾力點(diǎn)振動(dòng)線速度均方根的比值，圖6為A機(jī)組4號(hào)軸承座及對(duì)應(yīng)103號(hào)擾力點(diǎn)X向振動(dòng)線速度傅里葉幅值譜曲線，圖7—8為A、B機(jī)組軸承座與相應(yīng)位置處基礎(chǔ)擾力點(diǎn)振動(dòng)線速度均方根值對(duì)比。

從圖表分析結(jié)果可看出:(1)基礎(chǔ)和軸承座的振動(dòng)能量在分布上相對(duì)比較豐富，不僅存在50 Hz的工作擾頻分量，同時(shí)存在倍頻及低頻和高頻分量;(2)整體來(lái)看，軸承座與基礎(chǔ)擾力點(diǎn)的振動(dòng)均表現(xiàn)為工作轉(zhuǎn)速附近具有較明顯的能量分布，但在空間振動(dòng)趨勢(shì)上不完全對(duì)應(yīng);(3)軸承座的振動(dòng)線速度均方根值大于基礎(chǔ)擾力點(diǎn)的振動(dòng)線速度均方根值，除個(gè)別點(diǎn)以外，大部分軸承座振動(dòng)線速度均方根值是相應(yīng)基礎(chǔ)擾力點(diǎn)速度均方根值的1～6倍，平均值為3.25倍。

表3 軸承座與相應(yīng)擾力點(diǎn)振動(dòng)線速度均方根值比值Tab.3RMS value of vibration linear velocity of bearing chock and interference point

5 振動(dòng)位移測(cè)試結(jié)果分析

表4為計(jì)算得到的軸承座與相應(yīng)擾力點(diǎn)振動(dòng)線位移的比值，圖9為A機(jī)組4號(hào)軸承座及對(duì)應(yīng)103號(hào)擾力點(diǎn)X向振動(dòng)線位移傅里葉幅值譜曲線，圖10—11為A、B機(jī)組軸承座與相應(yīng)位置處基礎(chǔ)擾力點(diǎn)振動(dòng)線位移對(duì)比。

圖11 A、B機(jī)組軸承座與相應(yīng)擾力點(diǎn)Z方向振動(dòng)線位移對(duì)比Fig.11Comparison of Z-direction vibration linear displacement between bearing chock and interference

從圖表中分析結(jié)果可看出:(1)在振動(dòng)能量分布上，振動(dòng)線位移與振動(dòng)線速度的分析結(jié)果一致，均顯示基礎(chǔ)的振動(dòng)為多種頻率分量疊加的綜合結(jié)果;(2)除個(gè)別點(diǎn)以外，其他軸承座振動(dòng)線位移是相應(yīng)基礎(chǔ)擾力點(diǎn)振動(dòng)線位移的1～4倍，平均值為2.17倍;(3)總體上來(lái)看，軸承座與擾力點(diǎn)振動(dòng)線位移的比值略小于振動(dòng)線速度均方根值的比值。

6 安全系數(shù)分析

為對(duì)比GB 50040—1996和ISO 10816－2的嚴(yán)酷程度，本文引入安全系數(shù)的概念，即按照不同規(guī)范體系，用允許值除以實(shí)測(cè)值，得到控制點(diǎn)的安全系數(shù)，借此來(lái)評(píng)價(jià)各規(guī)范要求的嚴(yán)酷程度。表5為按照ISO 10816－2和GB 50040—1996對(duì)控制點(diǎn)的振動(dòng)值進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)相應(yīng)軸承座和擾力點(diǎn)的安全系數(shù)統(tǒng)計(jì)?？梢钥闯?(1)2臺(tái)機(jī)組在ISO 10816－2和GB 50040—1996標(biāo)準(zhǔn)控制下的安全系數(shù)平均值分別為5.16和7.34，均大于1，說(shuō)明機(jī)組及基礎(chǔ)的動(dòng)力特性滿足2個(gè)規(guī)范的要求。(2)整體來(lái)看，按照GB 50040—1996的要求所得到的安全系數(shù)平均值高于按照ISO 10816－2所得到的安全系數(shù)平均值，表明后者的要求更加嚴(yán)酷。

7 結(jié)論

(1)由于汽輪發(fā)電機(jī)組的復(fù)雜性，引起振動(dòng)的干擾源不單純?yōu)?0 Hz的工作擾頻，這就導(dǎo)致軸承座和基礎(chǔ)擾力點(diǎn)的振動(dòng)為多種頻率分量疊加的共同結(jié)果。從振動(dòng)線速度和振動(dòng)線位移傅里葉幅值譜來(lái)看，除在50 Hz附近有比較明顯的能量分布以外，在工作倍頻及部分低頻和高頻區(qū)域也同時(shí)存在振動(dòng)能量分布。

表5 按照ISO 10816－2和GB 50040—1996評(píng)價(jià)時(shí)安全系數(shù)統(tǒng)計(jì)Tab.5Safety coefficient statistics according to ISO 10816－2 and GB 50040—1996

(2)軸承座與基礎(chǔ)擾力點(diǎn)在振動(dòng)能量總體分布和構(gòu)成上具有一致性，但在局部頻率區(qū)域內(nèi)的變化趨勢(shì)不盡一致。

(3)基礎(chǔ)擾力點(diǎn)振動(dòng)與相應(yīng)部位軸承座振動(dòng)有一定關(guān)系，一般來(lái)說(shuō)，軸承座振動(dòng)大，其相應(yīng)部位擾力點(diǎn)的振動(dòng)也隨之增大，總體上看軸承座的振動(dòng)大于相應(yīng)部位基礎(chǔ)擾力點(diǎn)的振動(dòng)。

(4)分析中引入安全系數(shù)的概念，并對(duì)兩規(guī)范的嚴(yán)酷程度進(jìn)行了研究。結(jié)果顯示，按照GB 50040—1996的要求計(jì)算所得到安全系數(shù)平均值高于按照ISO 10816－2計(jì)算得到的安全系數(shù)平均值，表明后者的要求更加嚴(yán)酷。

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(編輯:馬曉華)