黃琪，于光輝，袁超，何東

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽(yáng)，618000)

0 前言

隨著轉(zhuǎn)子制造工藝和出廠平衡工藝的進(jìn)步，目前國(guó)內(nèi)幾乎所有的發(fā)電機(jī)組單轉(zhuǎn)子均實(shí)現(xiàn)了在出廠時(shí)完成低速、高速動(dòng)平衡工作，這在很大程度上保證了發(fā)電機(jī)組調(diào)試啟動(dòng)時(shí)振動(dòng)水平在許可值范圍，但由于制造廠內(nèi)平衡時(shí)的單轉(zhuǎn)子與實(shí)際軸系在剛度和阻尼上存在一定偏差，現(xiàn)場(chǎng)仍然存在少部分新機(jī)轉(zhuǎn)子由于不平衡原因出現(xiàn)啟機(jī)振動(dòng)大的現(xiàn)象，如文獻(xiàn)描述的低壓轉(zhuǎn)子[1-2]、勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子[3]振動(dòng)問題。當(dāng)然這其中也包含安裝方面的因素，如對(duì)輪聯(lián)接時(shí)的同心度控制偏差。

在發(fā)電機(jī)組上，機(jī)組啟動(dòng)、定速過程中過大的振幅勢(shì)必伴隨碰摩現(xiàn)象[4]，嚴(yán)重碰摩甚至可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子發(fā)生彎曲。

由于目前安裝工藝對(duì)同心度控制得比較好，較好地控制了軸系連接時(shí)帶入的附加不平衡量，因此本文不考慮現(xiàn)場(chǎng)安裝帶來的同心度偏差等其他因素的影響，主要分析廠內(nèi)高速動(dòng)平衡時(shí)的單轉(zhuǎn)子與連入軸系后的轉(zhuǎn)子振動(dòng)特性變化，找出兩者之間的變化規(guī)律。

1 單轉(zhuǎn)子剛度增加對(duì)振動(dòng)的影響

1.1 剛性支撐阻尼單圓盤轉(zhuǎn)子振動(dòng)

為便于分析，將單轉(zhuǎn)子簡(jiǎn)化為剛支撐阻尼單圓盤轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)規(guī)律可描述為式（1），單圓盤剛支阻尼轉(zhuǎn)子示意圖見圖1。

圖1 單圓盤剛支阻尼轉(zhuǎn)子示意圖

將式（2）代入式（1）可得幅值響應(yīng)表達(dá)式，見式 （3～4）。

滯后角表達(dá)式為式（5）。

1.2 單轉(zhuǎn)子連入軸系后振動(dòng)分析

將單轉(zhuǎn)子簡(jiǎn)化為單圓盤剛支阻尼轉(zhuǎn)子進(jìn)行分析，假設(shè)連入軸系的轉(zhuǎn)子與單轉(zhuǎn)子平衡時(shí)的阻尼（c）一致，由于平衡室內(nèi)單轉(zhuǎn)子一端不存在約束及平衡擺架剛度的影響，連入軸系后，剛度將會(huì)增加，以下就連入軸系后的轉(zhuǎn)子振動(dòng)特性進(jìn)行分析。

2 模擬計(jì)算結(jié)果分析

2.1 連入軸系后剛度變化對(duì)振動(dòng)的影響

根據(jù)式（6）～（7）進(jìn)行模擬計(jì)算，取某電機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)一、二階臨界轉(zhuǎn)速分別為700 r/min、2 350 r/min。從圖2可以看出，相同離心力作用下，連入軸系后的轉(zhuǎn)子過臨界的響應(yīng)要大于單轉(zhuǎn)子，工作轉(zhuǎn)速下的幅值要大于單轉(zhuǎn)子幅值，軸系轉(zhuǎn)子的振動(dòng)特性與單轉(zhuǎn)子基本一致，但存在一定的右移。

圖2 單轉(zhuǎn)子與連入軸系后不同剛度下升速振動(dòng)特性

從圖2（a）中可以看出，隨著剛度比α的減?。ㄟB入軸系后剛度增加），連入軸系的轉(zhuǎn)子臨界響應(yīng)在逐步增大，且定速下的幅值響應(yīng)也在增大，從圖2（b）中可以看出，隨著剛度的增加，一階、二階滯后角曲線在往右移，且定速下的滯后角在減小。

從以上分析，可以得出：

（1）連入軸系后的轉(zhuǎn)子幅值響應(yīng)要大于單轉(zhuǎn)子幅值響應(yīng)；

（2）連接剛度越好，連入軸系的轉(zhuǎn)子幅值響應(yīng)比單轉(zhuǎn)子響應(yīng)越大；

（3）單轉(zhuǎn)子固有頻率應(yīng)盡可能避開工作轉(zhuǎn)速一定區(qū)間。單轉(zhuǎn)子固有頻率如靠近工作轉(zhuǎn)速，連入軸系后的轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速將更靠近工作轉(zhuǎn)速或者等于工作轉(zhuǎn)速，同等不平衡量的作用下，會(huì)造成工作轉(zhuǎn)速下振幅增大較多。

2.2 阻尼變化對(duì)單轉(zhuǎn)子和連入軸系轉(zhuǎn)子振動(dòng)特性

的影響

一般來說，旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子阻尼來自兩部分，分別是滑動(dòng)軸承油膜給轉(zhuǎn)子施加的阻尼和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)的介質(zhì)（工質(zhì)或冷卻介質(zhì)）施加在轉(zhuǎn)子上的阻尼，因此平衡時(shí)的單轉(zhuǎn)子與連入軸系后轉(zhuǎn)子所受的阻尼有一定的變化。從式（4）可以得出圖3。

圖3 阻尼變化對(duì)轉(zhuǎn)子升速幅值特性的影響

從圖3可以看出，隨著阻尼的減小，幅值響應(yīng)增大，即同等不平衡量的作用下，阻尼越小，幅值越大。

3 案例分析

3.1 案例簡(jiǎn)介

巴基斯坦某燃?xì)饴?lián)合循環(huán)電廠配套汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組為200 MW機(jī)組，機(jī)組軸系結(jié)構(gòu)如圖4所示，各轉(zhuǎn)子之間均為剛性連接，發(fā)電機(jī)冷卻為空氣冷卻方式，各支撐瓦均為橢圓瓦。

圖4 軸系結(jié)構(gòu)示意圖

機(jī)組首次啟動(dòng)就存在發(fā)電機(jī)前軸承振動(dòng)大的現(xiàn)象，升速至750 r/min時(shí)5#～6#軸振動(dòng)X方向分別最大達(dá)到193 μm和181 μm，經(jīng)停機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)5#油檔存在嚴(yán)重碰摩，將油檔處理后，定速時(shí)5#軸振仍達(dá) 150 μm。

3.2 振動(dòng)原因分析

3.2.1 啟機(jī)過程振動(dòng)異常分析

油檔處理后的幾次啟停過程中，發(fā)電機(jī)振動(dòng)升速特性重復(fù)性比較好，定速后振動(dòng)趨勢(shì)圖平穩(wěn)，表明碰摩現(xiàn)象已消除。

圖5為碰摩消除后的發(fā)電機(jī)兩端軸振升速過程波特圖，從圖中可以看出，發(fā)電機(jī)軸振過臨界及定速下軸振均比較大，安裝時(shí)，低發(fā)對(duì)輪連接同心度控制在1絲以內(nèi)，表明安裝過程未帶入較大的附加不平衡量。因此，發(fā)電機(jī)過臨界幅值大是啟機(jī)過程發(fā)生油檔碰摩造成啟機(jī)困難的主要原因。

圖5 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸振波特圖

3.2.2 發(fā)電機(jī)過臨界、定速幅值大原因分析

發(fā)電機(jī)過臨界幅值大，一般主要來源單轉(zhuǎn)子殘余不平衡量大。

圖6 發(fā)電機(jī)廠內(nèi)單轉(zhuǎn)子平衡升速過程幅值圖

圖6為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子廠內(nèi)平衡升速特性圖，從圖中可以看出，電機(jī)轉(zhuǎn)子在出廠平衡后過一、二階臨界振幅140 μm，額定轉(zhuǎn)速下振幅均在50 μm以內(nèi)，表明該轉(zhuǎn)子在廠內(nèi)平衡狀態(tài)是符合出廠要求的，由此可見，發(fā)電機(jī)啟動(dòng)過程中的過臨界及定速振動(dòng)偏大是某種原因放大了轉(zhuǎn)子上殘余的不平衡量對(duì)振動(dòng)的影響。

共振放大因子[6-7]可用來評(píng)價(jià)軸系的穩(wěn)定性，從圖5和圖6可以得出平衡室內(nèi)單轉(zhuǎn)子與連入軸系轉(zhuǎn)子的共振放大因子，見表1。

表1 共振放大因子

從表1可以看出，連入軸系的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一二階共振放大因子均小于4，表明系統(tǒng)阻尼很大，軸系不容易失穩(wěn)，但同時(shí)也表明連入軸系的系統(tǒng)阻尼大于單轉(zhuǎn)子平衡狀態(tài)下的阻尼，根據(jù)圖3分析結(jié)果，阻尼增大幅值響應(yīng)應(yīng)該降低，而該轉(zhuǎn)子連入軸系后在阻尼大于平衡室單轉(zhuǎn)子的阻尼情況下，幅值響應(yīng)卻增大了，表明連入軸系后發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)增大的原因是剛度增加而造成的，同時(shí)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子本身的殘余一、二階不平衡量偏大也是振動(dòng)大的一個(gè)誘因。

從以上分析可以得出：

（1）電機(jī)轉(zhuǎn)子連入軸系后，一、二階臨界分別由單轉(zhuǎn)子的700 r/min、2 350 r/min增加至760 r/min、2 520 r/min，表明單轉(zhuǎn)子連入軸系后臨界轉(zhuǎn)速提高了；

（2）連入軸系的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過臨界振幅達(dá)200 μm，而單轉(zhuǎn)子過臨界振幅為140 μm，表明同等離心力作用下，連入軸系后的轉(zhuǎn)子幅值響應(yīng)要大于單轉(zhuǎn)子幅值響應(yīng)，這與前文分析結(jié)果一致；

（3）連入軸系的轉(zhuǎn)子與單轉(zhuǎn)子在幅值升速特性上的規(guī)律基本一致，但由于剛度增加，整個(gè)升速曲線特性發(fā)生了右移，這是定速時(shí)振動(dòng)大的原因。

3.3 振動(dòng)處理

由于轉(zhuǎn)子共振放大因子均小于5，按西屋公司對(duì)放大因子的規(guī)定[8]，通過良好動(dòng)平衡后可以長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，根據(jù)圖5發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的升速特性，在定速下，存在較大的二階分量，現(xiàn)場(chǎng)在發(fā)電機(jī)兩端風(fēng)扇環(huán)平衡槽內(nèi)各加重1 343 g/295°，1 343 g/115°，平衡后發(fā)電機(jī)軸振最大62 μm （見圖7），從圖中可以看出，轉(zhuǎn)子升速時(shí)二階臨界幅值變化已經(jīng)不明顯，表明二階不平衡量得到顯著降低，同時(shí)表明在單轉(zhuǎn)子平衡時(shí)盡量降低殘余不平衡量能較好地確保軸系振動(dòng)水平。

圖7 平衡前后5#軸振的升速波特圖

4 總結(jié)

從單轉(zhuǎn)子連入軸系后的剛度模擬計(jì)算及案例分析可以得出如下結(jié)論：

（1）受兩者剛度和阻尼的變化影響，連入軸系轉(zhuǎn)子的幅值響應(yīng)與平衡室內(nèi)單轉(zhuǎn)子幅值響應(yīng)會(huì)出現(xiàn)差異；

（2）連入軸系后的轉(zhuǎn)子與平衡室單轉(zhuǎn)子振動(dòng)升速特性規(guī)律基本一致，但存在一定程度的右移；

（3）平衡室內(nèi)單轉(zhuǎn)子平衡時(shí)盡可能地降低轉(zhuǎn)子各階殘余不平衡量能較好地確保軸系振動(dòng)水平。

本文通過模擬計(jì)算及實(shí)例分析得出的結(jié)論對(duì)發(fā)電機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)預(yù)防及處理具有一定參考意義。