現(xiàn)場動平衡一次加準法的關(guān)鍵因素及實例應(yīng)用
現(xiàn)場轉(zhuǎn)子動平衡應(yīng)用
平衡方法
隨著電力需求的增長，大容量機組的數(shù)量日趨龐大，機組軸系越來越復(fù)雜，振動問題也越來越突出。大機組進行振動的動平衡處理，需要啟動整套汽輪機、鍋爐及相關(guān)輔助設(shè)備，每次啟動至少要4個小時以上，按照常規(guī)的動平衡過程，一般要啟停3次以上，在整個過程中，機組基本都處于燒油狀態(tài)，僅燃油消耗就達數(shù)百噸，短期內(nèi)的反復(fù)啟停機對整個機組系統(tǒng)也是很大考驗。因此，在動平衡處理中，都力爭能用少的啟停次數(shù)將振動降低到滿意的范圍內(nèi)。一次加準法力求將動平衡所需要的啟停次數(shù)降低到少，節(jié)約啟動費用和開機時間，這對大型機組來說具有非常可觀的經(jīng)濟效益。
1、一次加準法的關(guān)鍵問題
一次加準法是基于常規(guī)動平衡方法，將啟停次數(shù)降低到低限度作為主要追求目標而產(chǎn)生的軸系動平衡方法，國內(nèi)*提出是在1993年。一次加準法的成功應(yīng)用必須建立在以下幾個條件之上：
1.1轉(zhuǎn)子不平衡性質(zhì)和軸向位置的正確判斷
在對轉(zhuǎn)子做動平衡前，必須要清楚知道轉(zhuǎn)子不平衡的性質(zhì)，因為轉(zhuǎn)子不平衡的性質(zhì)將決定采取何種動平衡方法，對轉(zhuǎn)子平衡性質(zhì)的誤判將導(dǎo)致動平衡的終失敗。對動平衡性質(zhì)判斷主要是依據(jù)工作轉(zhuǎn)速和臨界轉(zhuǎn)速的關(guān)系，當工作轉(zhuǎn)速大于臨界轉(zhuǎn)速時，屬于柔性轉(zhuǎn)子；當工作轉(zhuǎn)速小于臨界轉(zhuǎn)速時，屬于剛性轉(zhuǎn)子。在一階臨界轉(zhuǎn)速上振動大，說明轉(zhuǎn)子存在一階不平衡；如果二階臨界轉(zhuǎn)速振動大，說明存在二階不平衡。在判斷二階不平衡時，還要注意支持轉(zhuǎn)子軸承的動態(tài)特性，否則單純從相位判斷會存在一定的誤差。
轉(zhuǎn)子正常運行都偏離臨界轉(zhuǎn)速，此時判斷軸系不平衡的性質(zhì)相對復(fù)雜，一般如果轉(zhuǎn)子在一、二階臨界轉(zhuǎn)速之間運行，工作轉(zhuǎn)速下的振動由二階不平衡引起；如果轉(zhuǎn)子在二、三階臨界轉(zhuǎn)速之間運行，工作轉(zhuǎn)速下的振動一般由三階不平衡引起。從現(xiàn)存的汽輪機轉(zhuǎn)子來看，幾乎所有低壓轉(zhuǎn)子都運行在一、二階臨界轉(zhuǎn)速之間，工作轉(zhuǎn)速下的振動一般是由二階不平衡引起。而發(fā)電機轉(zhuǎn)子既有在一、二界臨界轉(zhuǎn)速之間也有在二、三階臨界轉(zhuǎn)速之間。
對轉(zhuǎn)子不平衡性質(zhì)做出準確的判斷后，還要對不平衡的軸向位置進行確定。對于轉(zhuǎn)子一階不平衡，如高中壓轉(zhuǎn)子在沖轉(zhuǎn)過程中無法通過l臨界轉(zhuǎn)速，不論不平衡沿軸向是均勻分布還是集中在某段，都可以在轉(zhuǎn)子中部平面或者轉(zhuǎn)子跨內(nèi)兩端面加同相重量進行平衡一階振動。像低壓轉(zhuǎn)子在工作轉(zhuǎn)速下振動大，一般反相振動占主要成分，此時可以在轉(zhuǎn)子跨內(nèi)兩端面加反相重量來消除二階不平衡引起的振動。而對于發(fā)電機轉(zhuǎn)子來說，還要考慮三階不平衡或者由外伸端帶來的影響。
1.2原始振動的選擇
原始振動的選擇包括振動測點的選擇和振動數(shù)據(jù)的選擇。現(xiàn)在機組都安裝有汽輪機安全監(jiān)測系統(tǒng)(tsi)，用于測量機組主軸等部件機械狀態(tài)參數(shù)。大機組同時測量軸振和軸承振動，而軸振又分別測量x、y兩個方向。.
在動平衡之前，必須對原始振動進行認真篩選，平衡哪個轉(zhuǎn)子就要以該轉(zhuǎn)子兩端軸承的數(shù)據(jù)作為計算依據(jù)，而聯(lián)軸器平衡則要帶入兩側(cè)軸承的數(shù)據(jù)。當軸振很大而軸承振動不大，平衡計算時主要考慮軸振；如果兩者都比較大，則要全面考慮。另外，工作轉(zhuǎn)速下的動平衡的原始數(shù)據(jù)的選擇，一般選擇接近定轉(zhuǎn)速或者初定速的數(shù)據(jù)作為平衡數(shù)據(jù)，因為長時間空轉(zhuǎn)會出現(xiàn)其他不穩(wěn)定因素，如碰磨、熱彎曲等。
1.3平衡配重重量的選取
對于平衡配重的選擇，剛性轉(zhuǎn)子可通過如下經(jīng)驗公式來推算：
對于柔性轉(zhuǎn)子，配重質(zhì)量的選擇是個困難的環(huán)節(jié)，在很大程度上依賴經(jīng)驗，尤其重要的是同類型機組或者是該機組以往動平衡中獲得的影響系數(shù)，行業(yè)專家通過多年經(jīng)驗積累總結(jié)的大量影響系數(shù)很值得借鑒。見表2。
1.4配重方位的計算
配重方位選擇的失誤，不僅不會降低振動，甚至會導(dǎo)致振動大幅增加。在計算配重方位角的時候一定要把握幾個關(guān)鍵的因素：
1.4.1測試儀器關(guān)于相位角的定義
從現(xiàn)有的測試設(shè)備來看，關(guān)于相位角的定義主要區(qū)別在于標準脈沖信號是導(dǎo)前或是滯后振動信號以及振動信號的取點位置。在測試之前一定要格外關(guān)注。
1.4.2現(xiàn)場振動傳感器及鍵相傳感器安裝位置及轉(zhuǎn)動方向
根據(jù)配重角度計算公式
從以上公式可以發(fā)現(xiàn)，加重角度與振動傳感器、鍵相傳感器安裝角度及轉(zhuǎn)動方向有必然的聯(lián)系。
1.4.3機械滯后角的選取
機械滯后角的選定對于剛性轉(zhuǎn)子來說相對簡單，一般選取0°就不會有太大的偏差。對于柔性轉(zhuǎn)子來說，滯后角的選定就需要多方面的考慮。在臨界轉(zhuǎn)速下，不論是一階臨界還是二階臨界轉(zhuǎn)速下，滯后角都可取90°，實際動平衡過程中，一般取臨界轉(zhuǎn)速以下的振動作為平衡數(shù)據(jù)，此時滯后角應(yīng)該比90°低一些，工作轉(zhuǎn)速下動平衡的滯后角的選擇還要考慮到支撐系統(tǒng)的剛度，可參考表3。
2、大型柔性轉(zhuǎn)子動平衡一次加準法應(yīng)用
某電廠汽輪發(fā)電機為上海汽輪機有限公司制造的超臨界、一次中間再熱、單軸、三缸四排汽、凝汽式670nw汽輪機。該機組備有philips公司的mms系統(tǒng)，在1至9瓦的x和y方向設(shè)置了由渦流探頭測量軸頸處的相對軸振動。為便于分析比較，在測試過程中我們增加便攜式benfly208p-daiu型振動分析系統(tǒng)，振動信號和鍵相信號均自mms系統(tǒng)鍵相緩沖輸出，測量系統(tǒng)如圖l所示：
自投運以來，該機組5瓦軸振偏大。y方向達10um。空負荷下原始軸振如表4。從低壓轉(zhuǎn)子5瓦、6瓦軸振來看，以y方向為參考數(shù)據(jù)，其基頻振動相位相差接近180°，從波特圖來看，低壓轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速在1550r/min左右，說明工作轉(zhuǎn)速下低壓轉(zhuǎn)子振動主要是由二階振動引起，在5、6瓦兩側(cè)反對稱加重，可消除二階不平衡對工作轉(zhuǎn)速下的振動的影響。
結(jié)合同類型機組的計算數(shù)據(jù)及參考表2，兩側(cè)配重質(zhì)量選取4509左右，配重安裝角度按照配重角度計算公式計算。從汽輪機往發(fā)電機方向看去。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向為順時針方向旋轉(zhuǎn)，該轉(zhuǎn)子振動傳感器及鍵相器安裝角度如圖3所示，其中x、y分別為左上方45°和右上方45°，鍵相傳感器k與x方向傳感器在同一方位。滯后角參考表3中二階不平衡柔性支撐系統(tǒng)，選取100°，以表4中5瓦y方向基頻振動94.6um<197°作為原始數(shù)據(jù)計算，鍵相傳感器與5y方向振動傳感器逆轉(zhuǎn)向夾角270°，參照配重角度計算公式終計算出配重安裝角度在187°附近。
配重安裝角度計算：
197°+270°一100°一180°=187°
由于現(xiàn)場配重加工工藝及安裝條件限制，終在5瓦側(cè)190°位置安裝450.5g、6瓦側(cè)10度位置安裝451g配重塊。待機組恢復(fù)系統(tǒng)后，重新沖轉(zhuǎn)至額定轉(zhuǎn)速3000r/rain時，空負荷下5x、5y通頻振動降低到19.3um、19.4um，機組各項指標正常，順利并網(wǎng)，帶滿負荷670mw后，各軸通頻振動見表5。至此，通過一次加重，機組振動問題得到解決，動平衡工作結(jié)束。
3、結(jié)語
對振動性質(zhì)的正確判斷是動平衡工作的基礎(chǔ)，了解現(xiàn)場振動和鍵相傳感器安裝角度以及機組旋轉(zhuǎn)方向，依據(jù)轉(zhuǎn)子振型及支撐系統(tǒng)特性合理選取機械滯后角是一次加準法的關(guān)鍵。配重的選擇與原始振動大小、轉(zhuǎn)子重量、加重半徑及支撐特性有關(guān)，統(tǒng)計總結(jié)同類型機組的影響系數(shù)尤為重要。一次加準法成功應(yīng)用在轉(zhuǎn)子動平衡中，減少機組啟停次數(shù)，能有效節(jié)約發(fā)電企業(yè)成本。
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1、一次加準法的關(guān)鍵問題
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1.1轉(zhuǎn)子不平衡性質(zhì)和軸向位置的正確判斷
在對轉(zhuǎn)子做動平衡前，必須要清楚知道轉(zhuǎn)子不平衡的性質(zhì)，因為轉(zhuǎn)子不平衡的性質(zhì)將決定采取何種動平衡方法，對轉(zhuǎn)子平衡性質(zhì)的誤判將導(dǎo)致動平衡的終失敗。對動平衡性質(zhì)判斷主要是依據(jù)工作轉(zhuǎn)速和臨界轉(zhuǎn)速的關(guān)系，當工作轉(zhuǎn)速大于臨界轉(zhuǎn)速時，屬于柔性轉(zhuǎn)子；當工作轉(zhuǎn)速小于臨界轉(zhuǎn)速時，屬于剛性轉(zhuǎn)子。在一階臨界轉(zhuǎn)速上振動大，說明轉(zhuǎn)子存在一階不平衡；如果二階臨界轉(zhuǎn)速振動大，說明存在二階不平衡。在判斷二階不平衡時，還要注意支持轉(zhuǎn)子軸承的動態(tài)特性，否則單純從相位判斷會存在一定的誤差。
轉(zhuǎn)子正常運行都偏離臨界轉(zhuǎn)速，此時判斷軸系不平衡的性質(zhì)相對復(fù)雜，一般如果轉(zhuǎn)子在一、二階臨界轉(zhuǎn)速之間運行，工作轉(zhuǎn)速下的振動由二階不平衡引起；如果轉(zhuǎn)子在二、三階臨界轉(zhuǎn)速之間運行，工作轉(zhuǎn)速下的振動一般由三階不平衡引起。從現(xiàn)存的汽輪機轉(zhuǎn)子來看，幾乎所有低壓轉(zhuǎn)子都運行在一、二階臨界轉(zhuǎn)速之間，工作轉(zhuǎn)速下的振動一般是由二階不平衡引起。而發(fā)電機轉(zhuǎn)子既有在一、二界臨界轉(zhuǎn)速之間也有在二、三階臨界轉(zhuǎn)速之間。
對轉(zhuǎn)子不平衡性質(zhì)做出準確的判斷后，還要對不平衡的軸向位置進行確定。對于轉(zhuǎn)子一階不平衡，如高中壓轉(zhuǎn)子在沖轉(zhuǎn)過程中無法通過l臨界轉(zhuǎn)速，不論不平衡沿軸向是均勻分布還是集中在某段，都可以在轉(zhuǎn)子中部平面或者轉(zhuǎn)子跨內(nèi)兩端面加同相重量進行平衡一階振動。像低壓轉(zhuǎn)子在工作轉(zhuǎn)速下振動大，一般反相振動占主要成分，此時可以在轉(zhuǎn)子跨內(nèi)兩端面加反相重量來消除二階不平衡引起的振動。而對于發(fā)電機轉(zhuǎn)子來說，還要考慮三階不平衡或者由外伸端帶來的影響。
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在動平衡之前，必須對原始振動進行認真篩選，平衡哪個轉(zhuǎn)子就要以該轉(zhuǎn)子兩端軸承的數(shù)據(jù)作為計算依據(jù)，而聯(lián)軸器平衡則要帶入兩側(cè)軸承的數(shù)據(jù)。當軸振很大而軸承振動不大，平衡計算時主要考慮軸振；如果兩者都比較大，則要全面考慮。另外，工作轉(zhuǎn)速下的動平衡的原始數(shù)據(jù)的選擇，一般選擇接近定轉(zhuǎn)速或者初定速的數(shù)據(jù)作為平衡數(shù)據(jù)，因為長時間空轉(zhuǎn)會出現(xiàn)其他不穩(wěn)定因素，如碰磨、熱彎曲等。
1.3平衡配重重量的選取
對于平衡配重的選擇，剛性轉(zhuǎn)子可通過如下經(jīng)驗公式來推算：
對于柔性轉(zhuǎn)子，配重質(zhì)量的選擇是個困難的環(huán)節(jié)，在很大程度上依賴經(jīng)驗，尤其重要的是同類型機組或者是該機組以往動平衡中獲得的影響系數(shù)，行業(yè)專家通過多年經(jīng)驗積累總結(jié)的大量影響系數(shù)很值得借鑒。見表2。
1.4配重方位的計算
配重方位選擇的失誤，不僅不會降低振動，甚至會導(dǎo)致振動大幅增加。在計算配重方位角的時候一定要把握幾個關(guān)鍵的因素：
1.4.1測試儀器關(guān)于相位角的定義
從現(xiàn)有的測試設(shè)備來看，關(guān)于相位角的定義主要區(qū)別在于標準脈沖信號是導(dǎo)前或是滯后振動信號以及振動信號的取點位置。在測試之前一定要格外關(guān)注。
1.4.2現(xiàn)場振動傳感器及鍵相傳感器安裝位置及轉(zhuǎn)動方向
根據(jù)配重角度計算公式
從以上公式可以發(fā)現(xiàn)，加重角度與振動傳感器、鍵相傳感器安裝角度及轉(zhuǎn)動方向有必然的聯(lián)系。
1.4.3機械滯后角的選取
機械滯后角的選定對于剛性轉(zhuǎn)子來說相對簡單，一般選取0°就不會有太大的偏差。對于柔性轉(zhuǎn)子來說，滯后角的選定就需要多方面的考慮。在臨界轉(zhuǎn)速下，不論是一階臨界還是二階臨界轉(zhuǎn)速下，滯后角都可取90°，實際動平衡過程中，一般取臨界轉(zhuǎn)速以下的振動作為平衡數(shù)據(jù)，此時滯后角應(yīng)該比90°低一些，工作轉(zhuǎn)速下動平衡的滯后角的選擇還要考慮到支撐系統(tǒng)的剛度，可參考表3。
2、大型柔性轉(zhuǎn)子動平衡一次加準法應(yīng)用
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自投運以來，該機組5瓦軸振偏大。y方向達10um。空負荷下原始軸振如表4。從低壓轉(zhuǎn)子5瓦、6瓦軸振來看，以y方向為參考數(shù)據(jù)，其基頻振動相位相差接近180°，從波特圖來看，低壓轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速在1550r/min左右，說明工作轉(zhuǎn)速下低壓轉(zhuǎn)子振動主要是由二階振動引起，在5、6瓦兩側(cè)反對稱加重，可消除二階不平衡對工作轉(zhuǎn)速下的振動的影響。
結(jié)合同類型機組的計算數(shù)據(jù)及參考表2，兩側(cè)配重質(zhì)量選取4509左右，配重安裝角度按照配重角度計算公式計算。從汽輪機往發(fā)電機方向看去。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向為順時針方向旋轉(zhuǎn)，該轉(zhuǎn)子振動傳感器及鍵相器安裝角度如圖3所示，其中x、y分別為左上方45°和右上方45°，鍵相傳感器k與x方向傳感器在同一方位。滯后角參考表3中二階不平衡柔性支撐系統(tǒng)，選取100°，以表4中5瓦y方向基頻振動94.6um<197°作為原始數(shù)據(jù)計算，鍵相傳感器與5y方向振動傳感器逆轉(zhuǎn)向夾角270°，參照配重角度計算公式終計算出配重安裝角度在187°附近。
配重安裝角度計算：
197°+270°一100°一180°=187°
由于現(xiàn)場配重加工工藝及安裝條件限制，終在5瓦側(cè)190°位置安裝450.5g、6瓦側(cè)10度位置安裝451g配重塊。待機組恢復(fù)系統(tǒng)后，重新沖轉(zhuǎn)至額定轉(zhuǎn)速3000r/rain時，空負荷下5x、5y通頻振動降低到19.3um、19.4um，機組各項指標正常，順利并網(wǎng)，帶滿負荷670mw后，各軸通頻振動見表5。至此，通過一次加重，機組振動問題得到解決，動平衡工作結(jié)束。
3、結(jié)語
對振動性質(zhì)的正確判斷是動平衡工作的基礎(chǔ)，了解現(xiàn)場振動和鍵相傳感器安裝角度以及機組旋轉(zhuǎn)方向，依據(jù)轉(zhuǎn)子振型及支撐系統(tǒng)特性合理選取機械滯后角是一次加準法的關(guān)鍵。配重的選擇與原始振動大小、轉(zhuǎn)子重量、加重半徑及支撐特性有關(guān)，統(tǒng)計總結(jié)同類型機組的影響系數(shù)尤為重要。一次加準法成功應(yīng)用在轉(zhuǎn)子動平衡中，減少機組啟停次數(shù)，能有效節(jié)約發(fā)電企業(yè)成本。
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