應(yīng)光耀，吳文健，蔡文方

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州310014）

單支撐軸系汽輪機(jī)多轉(zhuǎn)子聯(lián)合平衡法

應(yīng)光耀，吳文健，蔡文方

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州310014）

在進(jìn)行單支撐軸系超超臨界汽輪發(fā)電機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡處理時(shí)，缺少轉(zhuǎn)子兩端的振動(dòng)信息且軸振相互耦合影響，給軸系的現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡處理帶來(lái)一定的難度。在分析單支撐軸系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)振動(dòng)矢量和振型諧分量計(jì)算，對(duì)軸系不平衡型式做出判斷，辨識(shí)出多轉(zhuǎn)子的聯(lián)合振型。由滯后角和靈敏度系數(shù)得到各轉(zhuǎn)子平面的加重方案，采用一組加重一次加到有關(guān)平面上的方法，提高了動(dòng)平衡的效率和精度。工程實(shí)例證明該方法是有效的。

汽輪機(jī)；單支撐軸系；振動(dòng)；動(dòng)平衡

0 引言

上汽－西門(mén)子型超超臨界汽輪機(jī)由于其具有高效、節(jié)能和環(huán)保的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，正成為我國(guó)在21世紀(jì)初期最具有競(jìng)爭(zhēng)力的燃煤機(jī)組，僅浙江省內(nèi)已有12臺(tái)1 000 MW和6臺(tái)660 MW該類(lèi)型機(jī)組投產(chǎn)。其汽輪機(jī)軸系采用特有的單支撐軸承結(jié)構(gòu)，節(jié)約廠房投資，機(jī)組結(jié)構(gòu)緊湊，優(yōu)勢(shì)明顯[1]。但是單支撐僅測(cè)試到轉(zhuǎn)子單端的振動(dòng)信息，給軸系振動(dòng)的識(shí)別帶來(lái)困難。機(jī)組升速率較快，運(yùn)行中工頻振動(dòng)不穩(wěn)定，存在軸振相互強(qiáng)烈耦合影響，給軸系的現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡處理帶來(lái)很大的難度。停機(jī)時(shí)易盤(pán)車(chē)卡死，使得動(dòng)平衡處理沒(méi)有第二次機(jī)會(huì)。單支撐軸系機(jī)組的振動(dòng)信號(hào)特征，對(duì)動(dòng)平衡精度和效率提出了更高的要求[2，3]。

通過(guò)矢量和振型諧分量計(jì)算，結(jié)合轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速、工作轉(zhuǎn)速下的軸振幅值、相位，辨識(shí)出多轉(zhuǎn)子的聯(lián)合振型，以軸振數(shù)據(jù)為主，引入瓦振、軸振比例因子，多轉(zhuǎn)子多平面同時(shí)一次加重，以提高單支撐軸系動(dòng)平衡的平衡效率和精度。

1 機(jī)組概況

上海汽輪機(jī)廠和德國(guó)SIEMENS公司聯(lián)合設(shè)計(jì)制造的單支撐軸系超超臨界汽輪發(fā)電機(jī)組，包括1 000 MW和660 MW 2個(gè)等級(jí)。機(jī)組軸系由高壓轉(zhuǎn)子、中壓轉(zhuǎn)子、2個(gè)低壓轉(zhuǎn)子、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子及勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子組成，各轉(zhuǎn)子之間均采用剛性聯(lián)軸節(jié)連接，高壓轉(zhuǎn)子為雙支撐，中壓轉(zhuǎn)子和2根低壓轉(zhuǎn)子都是單支撐，發(fā)電機(jī)與勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子是三支撐結(jié)構(gòu)，其軸系布置如圖1所示。

機(jī)組振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)配有1套VM600的TSI系統(tǒng)，可連續(xù)采集機(jī)組軸系各軸承處軸振、瓦振等參數(shù)。每道軸承座45°（X）和135°（Y）方向各配置1個(gè)渦流傳感器測(cè)量軸振，每個(gè)軸承的135°方向安裝2個(gè)相近的加速度傳感器，測(cè)量瓦振。

2 聯(lián)合平衡方法

為了解決單支撐軸系振動(dòng)識(shí)別和動(dòng)平衡處理難題，給出了一種聯(lián)合平衡方法。主要內(nèi)容包括：根據(jù)汽輪機(jī)現(xiàn)場(chǎng)的配置振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)來(lái)分析建模，基于矢量分解計(jì)算，分離出各轉(zhuǎn)子振型；如果瓦振、軸振存在著不穩(wěn)定不平衡量的情況，需將振型矢量進(jìn)行優(yōu)化修改；需加重的各個(gè)轉(zhuǎn)子振型的加重平面上的加重角度，根據(jù)各個(gè)轉(zhuǎn)子的滯后角得出；加重質(zhì)量根據(jù)靈敏度系數(shù)給出，首次加重參考加重區(qū)間的質(zhì)量數(shù)據(jù)。

2.1 轉(zhuǎn)子振型矢量計(jì)算

單支撐軸系超超臨界機(jī)組汽輪機(jī)有4個(gè)轉(zhuǎn)子、5個(gè)軸承座。機(jī)組在額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min運(yùn)行時(shí)，根據(jù)振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，得到各軸承座的工頻軸振矢量An（包括工頻振幅An、工頻相位αn），瓦振矢量Vn（n=1～5）。

根據(jù)諧分量振型平衡原理可以得到支撐于第n個(gè)軸承的轉(zhuǎn)子在另一端的第n-1軸承處的軸振可計(jì)算為振幅An、工頻相位αn+180，計(jì)為矢量Un（n=1～5）。

對(duì)于單支撐軸系的末端軸承5號(hào)軸承，可以認(rèn)為測(cè)試得到的振動(dòng)信息僅僅是反映低壓轉(zhuǎn)子2的振動(dòng)，低壓轉(zhuǎn)子2兩端的振型矢量為A5和其反對(duì)稱(chēng)分量U5；對(duì)于低壓轉(zhuǎn)子1，測(cè)試得到的A4和α4包含低壓轉(zhuǎn)子2的振動(dòng)信息，那么低壓轉(zhuǎn)子1的4號(hào)軸承的振動(dòng)矢量為A4-U5，即其振型矢量為A4-U5和其反對(duì)稱(chēng)分量；同理，中壓轉(zhuǎn)子的振型矢量為A3-U4和其反對(duì)稱(chēng)分量。

雖然高壓轉(zhuǎn)子為雙支撐轉(zhuǎn)子，但是2號(hào)軸振也會(huì)包含中壓轉(zhuǎn)子的振動(dòng)信息，那么振動(dòng)矢量A2-U3的高壓轉(zhuǎn)子的振型矢量為A2-U3和A1。一般是把高壓轉(zhuǎn)子和中壓轉(zhuǎn)子聯(lián)合起來(lái)考慮振型。

應(yīng)用上述方法識(shí)別出各個(gè)轉(zhuǎn)子兩端振動(dòng)數(shù)據(jù)，還可以依據(jù)各個(gè)轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)和2 700 r/min后振動(dòng)是否爬升，以及3 000 r/min振動(dòng)幅值的大小來(lái)決定最終需加重的轉(zhuǎn)子和加重平面。

2.2 考慮不穩(wěn)定不平衡情況

平衡原始數(shù)據(jù)以軸振數(shù)據(jù)為主，優(yōu)選出符合軸振、瓦振線性比例關(guān)系的軸振數(shù)據(jù)，作為加重的參考數(shù)據(jù)。單支撐軸系的不穩(wěn)定不平衡故障特點(diǎn)是即使在3 000 r/min空負(fù)荷情況下，振動(dòng)也不會(huì)穩(wěn)定，會(huì)出現(xiàn)持續(xù)的波動(dòng)和爬升。對(duì)這類(lèi)不穩(wěn)定不平衡的動(dòng)平衡，需要平衡的原始振動(dòng)At是3 000 r/min下的初始振動(dòng)和最大振動(dòng)的折中值，其計(jì)算公式為：

式中：A0為3 000 r/min初始振動(dòng)；Amax為3 000 r/min滿足軸振、瓦振線性關(guān)系的振動(dòng)最大值；0.6是經(jīng)驗(yàn)分割系數(shù)，由多次平衡的經(jīng)驗(yàn)積累所得。Amax并不一定是測(cè)試得到的振動(dòng)最大值，而是符合式（1）比例關(guān)系的振動(dòng)最大值。

2.3 某一加重平面的加重方向

從測(cè)量的振動(dòng)相位便可知道位移高點(diǎn)，再依據(jù)機(jī)械滯后角即可求得不平衡加重的方向[3]。由機(jī)械振動(dòng)理論和振動(dòng)測(cè)試原理可知，轉(zhuǎn)子上的不平衡與不平衡引起的轉(zhuǎn)子的動(dòng)撓度不在一個(gè)方向，它們之間存在一個(gè)夾角φ，稱(chēng)為滯后角。一般不平衡的位置成為重點(diǎn)，動(dòng)撓度的位置為高點(diǎn)，高點(diǎn)由振動(dòng)測(cè)試的相位確定。由高點(diǎn)順轉(zhuǎn)動(dòng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)φ角，就是不平衡的位置，而加重質(zhì)量就在其相反方向。根據(jù)鍵相器傳感器、振動(dòng)傳感器位置，可修正得出振動(dòng)的高點(diǎn)，因此利用滯后角計(jì)算出加重位置公式：

式中：β為加重的角度；α為振動(dòng)測(cè)試得到的相位；γ為測(cè)振傳感器與鍵相器的夾角（以鍵相器為起點(diǎn)，逆轉(zhuǎn)動(dòng)方向度量）；φ為滯后角。加重的角度β指：以鍵槽位置為起點(diǎn)，逆轉(zhuǎn)動(dòng)方向到加重位置。由式（2）可知，α由振動(dòng)儀器測(cè)量得到，γ根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)探頭布置可得到，較為難確定的是滯后角，滯后角包括機(jī)械滯后角和儀器滯后角。

圖1 上汽-西門(mén)子單支撐軸系布置

2.4 某一加重平面的加重質(zhì)量

加重的質(zhì)量P等于振幅除以質(zhì)量響應(yīng)系數(shù)（影響系數(shù)的幅值）：

式中：At為需要平衡的原始振動(dòng)；k為質(zhì)量響應(yīng)系數(shù)。不同轉(zhuǎn)子的質(zhì)量響應(yīng)系數(shù)是不同的，即便是同類(lèi)轉(zhuǎn)子的質(zhì)量響應(yīng)系數(shù)有時(shí)也有較大差別。

對(duì)機(jī)組高壓轉(zhuǎn)子、中壓轉(zhuǎn)子、低壓轉(zhuǎn)子的第一次加重質(zhì)量，要有一個(gè)最小和最大的加重區(qū)間。所謂最小加重限制，就是要避免加重太小振動(dòng)無(wú)變化；所謂最大加重的限制，就是要避免加重太大，如果加重失敗，會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)過(guò)大。

由此就可以得到各轉(zhuǎn)子的加重方案，可一次在多轉(zhuǎn)子多平面加重，重新開(kāi)機(jī)至額定轉(zhuǎn)速，測(cè)試和評(píng)估平衡后的振動(dòng)信息，根據(jù)平衡前后各轉(zhuǎn)子振型矢量數(shù)據(jù)，依次計(jì)算各轉(zhuǎn)子振型矢量的影響系數(shù)，得到振型矢量的滯后角和靈敏度系數(shù)。如果軸系振動(dòng)仍未達(dá)到要求，可重復(fù)上述平衡步驟，直至平衡達(dá)標(biāo)。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 故障簡(jiǎn)述

某發(fā)電廠6號(hào)機(jī)組為上汽西門(mén)子超超臨界1 000 MW，該機(jī)組在檢修后啟動(dòng)，在額定轉(zhuǎn)速未帶負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，表中軸振數(shù)據(jù)為軸振通頻值、工頻幅值和工頻相位，單位為μm/μm∠°；瓦振數(shù)據(jù)單位為mm/s。振動(dòng)故障表現(xiàn)為：

（1）3號(hào)軸承座瓦振大，且瓦振出現(xiàn)波動(dòng)爬升現(xiàn)象，變化劇烈。

（2）1—3號(hào)軸振偏大，且都以工頻分量為主。

（3）4號(hào)軸承座瓦振大，但軸振不大。說(shuō)明轉(zhuǎn)子軸系存在殘余不平衡，需同時(shí)降低3個(gè)軸承的軸振。

3.2 動(dòng)平衡計(jì)算

由于2號(hào)、3號(hào)軸振、瓦振均存在不同程度的波動(dòng)爬升現(xiàn)象，根據(jù)式1選取2號(hào)、3號(hào)瓦振軸振成線性比例關(guān)系的軸振數(shù)據(jù)作為計(jì)算振型矢量的依據(jù)，1號(hào)軸振變化過(guò)于劇烈，不適合作為振型矢量計(jì)算。因此，把高壓轉(zhuǎn)子和中壓轉(zhuǎn)子作為平衡對(duì)象，以2號(hào)、3號(hào)相對(duì)穩(wěn)定的X方向軸振作為計(jì)算依據(jù)，得出3號(hào)瓦端的中壓轉(zhuǎn)子振型矢量：A3-U4＝133∠118°，其反對(duì)稱(chēng)分量（2號(hào)瓦端）為133∠298°；高壓轉(zhuǎn)子的振型矢量（2號(hào)瓦端）：A2-U3＝94∠80°，因?yàn)?號(hào)軸振不可信，確定中壓轉(zhuǎn)子兩端可加反對(duì)稱(chēng)分量，高壓轉(zhuǎn)子在靠2號(hào)軸承加單端分量。

根據(jù)式（2）、式（3）和加重區(qū)間，確定每端加重約0.6 kg，由于中壓轉(zhuǎn)子兩端平衡槽在相應(yīng)位置已有平衡塊，最終中壓轉(zhuǎn)子加重的方案為：在中壓轉(zhuǎn)子2號(hào)瓦端處加重0.42 kg∠160°，在中壓轉(zhuǎn)子3號(hào)瓦端處加重P3為0.63 kg∠330°。

根據(jù)式（2）、式（3）和加重區(qū)間，確定單端加重0.3 kg，由于平衡塊的實(shí)際質(zhì)量，最終高壓轉(zhuǎn)子加重的方案確定為：在高壓轉(zhuǎn)子2號(hào)瓦端處加重0.31 kg∠320°。

具體的高壓轉(zhuǎn)子和中壓轉(zhuǎn)子的振型和加重方案見(jiàn)圖2。

圖2 聯(lián)合振型和加重模式

實(shí)施上述3個(gè)平面的加重后，再次啟動(dòng)機(jī)組至額定轉(zhuǎn)速，帶滿負(fù)荷數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，表中各瓦振動(dòng)數(shù)據(jù)軸振通頻值、工頻幅值和工頻相位。

表16 號(hào)機(jī)組A修啟動(dòng)時(shí)各軸瓦的振動(dòng)數(shù)據(jù)

工況方向1號(hào)軸承2號(hào)軸承3號(hào)軸承4號(hào)軸承11/29 11∶12 3 000 r/min X/μm Y/μm瓦振/（mm·s-1）24 21 1 75 38 1.8 30 18 1.7 58 30 2.9 11/29 19∶26 500 MW X/μm Y/μm瓦振/（mm·s-1）46 24 0.8 42 32 1.6 23 19 2.3 52 22 2.9 12/1 8∶34 1 000 MW X/μm Y/μm瓦振/（mm·s-1）28 17 1.1 56 40 1.8 39 19 3.3 64 25 3.1

從表2可以看出，按照前述方法計(jì)算出來(lái)的加重方案，僅一次加重即大幅度降低1—3號(hào)軸振以及3號(hào)、4號(hào)瓦振，使各瓦的軸振、瓦振均達(dá)到優(yōu)良水平，也使瓦振的波動(dòng)次數(shù)和波動(dòng)幅度均大為降低。

4 結(jié)論

（1）針對(duì)單支撐軸系振動(dòng)識(shí)別難問(wèn)題，基于諧分量矢量計(jì)算，建立了單支撐軸系轉(zhuǎn)子振型，綜合考慮不穩(wěn)定不平衡量的影響，根據(jù)滯后角和質(zhì)量影響系數(shù)，直接給出各轉(zhuǎn)子振型的加重質(zhì)量和角度，一次加重在各轉(zhuǎn)子平面上。實(shí)現(xiàn)多轉(zhuǎn)子多平面一次加重。

（2）應(yīng)用該單支撐多轉(zhuǎn)子聯(lián)合平衡方法，正確識(shí)別出某機(jī)的轉(zhuǎn)子振型，并計(jì)算出動(dòng)平衡質(zhì)量和角度，一次加重成功使得軸系達(dá)到優(yōu)秀值。該方法已在實(shí)際工程中得到成功的應(yīng)用，具有更高的精度和效率。

[1]江哲生，董衛(wèi)國(guó)，毛國(guó)光.國(guó)產(chǎn)1 000 MW超超臨界機(jī)組技術(shù)綜述[J].電力建設(shè)，2007，28（8）∶6-13.

[2]吳文健，童小忠，應(yīng)光耀，等.單支撐超超臨界1 000 MW汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)診斷及處理[J].浙江電力，2011，30（10）∶32-36.

[3]趙衛(wèi)正，陳杰.660 MW超超臨界機(jī)組振動(dòng)原因分析與處理[J].浙江電力，2014，33（11）∶49-51.

（本文編輯：徐晗）

Multi-rotor Integrated Balancing Method of Single-shafting Steam Turbines

YING Guangyao，WU Wenjian，CAI Wenfang
（State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China）

In field dynamic balancing of single-shafting ultra-supercritical steam turbine generators，it lacks vibration information of both ends；besides，the shaft vibrations couple to each other and have mutually influence，which brings difficulties to field dynamic shaft balancing.By analyzing the single-shafting structure，the paper determines the type of shaft unbalance and recognizes vibration mode of multiple rotors.The weighting scheme of rotor surface is determined by lag angle and sensitivity coefficient.The scheme is implemented by weighting a group each time on the surface，which improves the efficiency and precision of the dynamic balance.It is shown by engineering practice that the method is effective.

steam turbine；single-shafting；vibration；dynamic balance

項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51275452）；國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司科技項(xiàng)目（5211DS14005B）

TK268+.1

B

1007-1881（2017）01-0050-04

2016-10-21

應(yīng)光耀（1980），男，高級(jí)工程師，主要從事汽輪發(fā)電機(jī)組故障診斷及處理工作。