徐文濤

(南京汽輪電機(集團)有限責任公司，南京 210037)

在透平機械設(shè)備中，振動一直是一個影響機組安全運行的重要因素，更是影響機組壽命的關(guān)鍵因素。本文將以燃氣輪機為例，對振動的產(chǎn)生因素、降低方法、振動監(jiān)測方面進行詳細說明。

1 燃氣輪機找中

對于燃氣輪機，找中是保證較小振動的首要工作。燃氣輪機在工廠組裝時，就應該對燃氣輪機進行工廠找中，到達現(xiàn)場后還應該對其進行現(xiàn)場找中，即為冷態(tài)找中。冷態(tài)找中數(shù)據(jù)是根據(jù)熱態(tài)對中狀態(tài)下預計的熱膨脹量而得出的最佳冷態(tài)找中值。找中設(shè)定值是依據(jù)適當?shù)妮S承負載、最小軸彎曲應力和軸穿過軸承時最小斜率的狀態(tài)確定的[1]。找中時應考慮軸系的臨界轉(zhuǎn)速，并留有安全余量。以江陰某6F.03現(xiàn)場找中為例，發(fā)電機對負荷齒輪箱的找中，其法蘭相對位置如圖1所示，圖中單位為mm。其中，現(xiàn)場實際所測數(shù)據(jù)中，底部開口為0.007 5 mm，發(fā)電機法蘭高出1.01 mm，端面平行右開口為0.012 5 mm，發(fā)電機法蘭靠右側(cè)0.08 mm，均在標準范圍內(nèi)。

圖1 發(fā)電機對齒輪箱的找中位置示意圖

燃氣輪機對負荷齒輪箱的找中，其法蘭相對位置如圖2所示，圖中單位為mm。其中，現(xiàn)場實際所測數(shù)據(jù)中，底部開口為0.09 mm，燃氣輪機法蘭高出0.14 mm，端面平行右開口為0.005 mm，燃機法蘭靠右側(cè)0.57 mm，均在標準范圍內(nèi)。

圖2 燃氣輪機對齒輪箱的找中位置示意圖

2 燃氣輪機啟動

為防止燃氣輪機啟動時振動過大，應注意以下幾個問題：

1) 盤車前必須提供足量的潤滑油至需要用油的部位，并檢查是否有潤滑油泄漏的情況。

2) 在所有條件具備的情況下，點動盤車電機，觀察盤車電機轉(zhuǎn)動方向是否正確，進而確定燃氣輪機的轉(zhuǎn)動方向是否正確。

3) 啟動盤車電機，查看啟動電機電流是否正常。

4) 盤車時檢查現(xiàn)場情況，是否有摩擦聲或過度振動的情況。

3 燃氣輪機停機

燃氣輪機停機時，需要特別注意燃氣輪機轉(zhuǎn)子的冷卻，轉(zhuǎn)子必須持續(xù)旋轉(zhuǎn)至少8 h，并且輪間溫度必須小于或等于150℉(65.6 ℃)。在強制冷卻期間，任何時候都不允許點火啟動燃氣輪機。停機期間持續(xù)盤車是為了防止燃氣輪機轉(zhuǎn)子從高溫到常溫時產(chǎn)生變形，從而引起下次啟動時燃氣輪機振動過大。

4 振動傳感器

燃氣輪機上的振動傳感器分為兩種。一種是安裝在軸承座上的振動傳感器，適用于測量垂直或水平方向振動，我們稱之為瓦振，用于發(fā)出報警和跳閘信號(見圖3)。當振動達到25.4 mm/s時，輸出電壓為(150±4.5)mV,輸出電壓達到峰值，監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)出燃氣輪機跳閘信號；當振動達到12.7 mm/s，監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)出燃氣輪機振動高的報警信號。還有一種是伸入到軸承箱里的振動傳感器，用于測量軸頸表面和軸承之間的相對運動，我們稱之為軸振，只參與報警而不作為跳機信號(見圖4)。探頭到轉(zhuǎn)子表面間隙的標定標準為：信號放大器的輸出電壓-10.5 VDC，允許偏差在0.5 VDC以內(nèi)。

圖3 軸瓦振動傳感器

圖4 軸承振動傳感器

5 監(jiān)測系統(tǒng)

燃氣輪機性能振動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是可實現(xiàn)同步測量機組的轉(zhuǎn)速、通頻振幅、選頻振幅及相位，記錄完整的振動原始數(shù)據(jù)，不僅可提供轉(zhuǎn)速-時間曲線、振動-轉(zhuǎn)速曲線或振動-時間曲線，而且可提供振動的時基圖、軸心軌跡圖、頻譜圖、階次譜、升降速的波特圖、極坐標圖、三維轉(zhuǎn)速頻譜圖等。

在燃氣輪機上安裝了轉(zhuǎn)速傳感器，在1#、2#軸承安裝了振動速度傳感器。4個振動速度傳感器信號及燃氣輪機轉(zhuǎn)速傳感器信號進入數(shù)據(jù)采集箱。

數(shù)據(jù)采集箱記錄機組升速、穩(wěn)速、降速全過程的振動、轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，并可提供振動波形及頻譜、振動-轉(zhuǎn)速曲線或振動-時間曲線。由于采用了當前最先進的轉(zhuǎn)速跟蹤、整周期采樣及FFT分析技術(shù)，不僅可測量振動的通頻振幅，而且可以測量振動的工頻分量、相位及其高倍頻的幅值、相位。

在機組進行啟動程序時，需進行以下振動測量。

1) 1#軸承的垂直和水平方向(1Y、1X)、2#軸承的垂直和水平方向(2Y、2X)的振動速度在12～600 Hz范圍內(nèi)的通頻振幅，且為振動速度的真單峰值，單位mm/s。

2) 振動速度測點1Y、1X、2Y、2X的選頻值，即工頻振幅，單位mm/s。

3) 1Y或2Y的工頻(或二倍頻)相角，以確定“異常點”即不平衡角的位置。

6 振動測量的原理

6.1 通頻振幅測量

來自燃氣輪機的振動速度信號經(jīng)電壓放大和12～600 Hz帶通濾波器濾波后進入AD模數(shù)轉(zhuǎn)換卡。測試系統(tǒng)以2 560 Hz的采樣頻率對每路振動測點截取1 024個點的振動信號后，對所獲得的振動樣本通過全過程搜索得到振動的最大值(正峰或負峰)。此最大值即為此轉(zhuǎn)速(或此時刻)該測點的振動通頻振幅。

6.2 選頻振幅的測量

為了測試振動量，必須合理地在機組上安裝振動傳感器及轉(zhuǎn)速傳感器，將振動傳感器的測試信號及轉(zhuǎn)速信號接入一接口箱，在該接口箱中要完成帶通濾波、放大、轉(zhuǎn)速整形等功能處理。將處理后的振動信號送給模/數(shù)轉(zhuǎn)換板，通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換后，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號給計算機處理。同時接口箱處理后的轉(zhuǎn)速通道的脈沖也要送給計算機進行處理，以便得到機組轉(zhuǎn)速及確定相角。

7 數(shù)據(jù)采集箱

數(shù)據(jù)采集箱是一個多功能的接口箱，該接口箱既是作為計算機連接的接口，也可以作為一臺獨立使用的儀器，數(shù)據(jù)采集箱作用如下：

1) 對振動信號進行濾波、放大，將處理過的模擬信號送到振動信號采集板中進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，變?yōu)橛嬎銠C能處理的數(shù)字信號。

2) 對轉(zhuǎn)速信號進行整形、放大，產(chǎn)生標準的信號送到計算機的轉(zhuǎn)速卡中進行測速。

數(shù)據(jù)采集箱的主要技術(shù)指標如下：

1) 通道數(shù)：8個輸入通道的輸入/輸出。

2) 電壓放大：可以進行×1、×4、×16、×64四檔放大，誤差不高于1%。

3) 濾波：帶通濾波器，頻率12～600 Hz，帶通濾波器有直通和濾波二檔可選。

4) 轉(zhuǎn)速整形：輸出信號，脈寬1 ms。

另外數(shù)據(jù)采集箱具有與計算機連接的插口，可以將處理完的振動信號通過專用電纜與計算機連接，可以作為儀器輸出。

7.1 帶通濾波器

為了獲取有用的振動信號進行分析，必須對信號進行濾波，以達到抑制干擾和抗混疊的目的，使得分析可靠準確，必須設(shè)置一個頻率為12～600 Hz的帶通濾波器。

數(shù)據(jù)采集箱中帶通濾波器是由高通濾波器和低通濾波器組合而成，它們的截止頻率分別是由外部振蕩電路根據(jù)不同的頻率面提供的。

7.2 放大器

考慮到傳感器的靈敏度，在信號較小的情況下需要進行電壓放大，在數(shù)據(jù)采集箱中電壓放大器部分設(shè)置了四檔電壓放大，增益分別×1、×4、×16、×64。

由于考慮到信號的直流分量的疊加，因而在每一路的信號輸入加上了隔直流電容，有效地抑制了直流信號的輸入。放大器的主要器件采用了運算放大器，并采用了同相放大技術(shù)。

7.3 轉(zhuǎn)速整形電路

為了計算出有關(guān)相角及其他有用參數(shù)，必須要準確測量燃氣輪機的轉(zhuǎn)速。為了測量燃氣輪機轉(zhuǎn)速，我們會在燃氣輪機的測試點旁安裝一光電傳感器，在燃氣輪機轉(zhuǎn)子的端面貼上一反光標簽，轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一周則通過光電接收管發(fā)出一脈沖信號，進而得到了燃氣輪機的轉(zhuǎn)速。為了測試的精確，必須對該脈沖信號進行處理，數(shù)據(jù)采集箱中設(shè)計了轉(zhuǎn)速整形電路，它的原理圖見圖5。

圖5 數(shù)據(jù)采集箱原理圖

在整個線路中實現(xiàn)對信號隔直流和整形放大后，為了讓進入計算機的信號保證具有一定脈寬，所以加上單穩(wěn)電路，單穩(wěn)電路電容及電阻使得信號產(chǎn)生了脈寬1 ms的信號。為了保證可靠性，在其后加了一級射隨器。經(jīng)過這樣的步驟，輸出的轉(zhuǎn)速信號抗干擾性強，可靠性高。

振動系統(tǒng)主要功能有：

1) 測量4個振動測點的通頻及選頻。

2) 當機組在升、降速過程中，記錄各測量參數(shù)及振動時域信號，當機組處于穩(wěn)速運行(120 min考核運行)時，每間隔20 s(可設(shè)置)記錄一組測試數(shù)據(jù)。

3) 每個試車程序結(jié)束，可提供振動曲線報告，振動數(shù)據(jù)瀏覽、查詢、打印。

4) 當機組處于非重要運轉(zhuǎn)如冷拖，振動系統(tǒng)實時監(jiān)測機組振動狀況。

振動系統(tǒng)首先進行數(shù)據(jù)處理，把試車程序中所記錄的振動信號進行處理，得到時間、轉(zhuǎn)速、各振動測點的通頻振幅、選頻振幅和相位。程序一般顯示時間、轉(zhuǎn)速、各振動測點的通頻振幅、工頻振幅和工頻相位。當程序以工頻來確定振動情況時，數(shù)據(jù)查詢將列出二倍的幅值及相位，而不是工頻的信息。這里的振動速度值均為真單峰值，而不是一般的有效值。

8 臨界轉(zhuǎn)速時的振動過大

在燃氣輪機過臨界轉(zhuǎn)速時，振動會突然增加(如圖6，bb4和bb5為燃氣輪機2#軸承兩個振動傳感器)。在燃氣輪機轉(zhuǎn)速達到1 485 r/min時，2#軸承振動突然增加，之后馬上回落到正常水平，我們稱為第一臨界轉(zhuǎn)速。臨界轉(zhuǎn)速是由燃氣輪機的物理特性決定的，包括重心分布、質(zhì)量分布、工作條件等[2]。因此在運行過程中，要盡量減少燃氣輪機在臨界轉(zhuǎn)速時的運行時間。

圖6 高盤時振動隨轉(zhuǎn)速的變化

9 結(jié)論

燃氣輪機振動在其正常啟動和運行過程是不可能消除的，我們只能在生產(chǎn)、安裝、調(diào)試的過程中盡量減小，通過振動監(jiān)測系統(tǒng)時刻監(jiān)測并記錄振動的數(shù)據(jù)，設(shè)置其報警和跳機值，從而保證燃氣輪機在一個安全振動范圍內(nèi)的正常運行。