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660 MW汽轮机转子的低速动平衡理论与实践

2014-02-07郑大鹏陈建华

机电工程技术 2014年6期
关键词:挠性不平动平衡

郑大鹏,陈建华

(广东东莞沙角C电厂,广东东莞 523936)

0 引言

自20世纪40年代末,氢冷发电机转子研制成功,单机容量大幅度增加,使发电机转子长度有了显著的增长,转子刚性明显降低,发电机转子的一阶临界转速降至1 000 r/min以下。对于柔性转子需要高速动平衡试验,以消除转子挠曲变形所产生的附加不平衡量,即振型不平衡量。然而,是否所有的高速转子都要经过这一试验呢?本文从挠性转子的动平衡方程出发,证明有很大一部分转子是可以通过低速动平衡就能使其达到平衡运转的。

1 挠性转子的动平衡方程[1]

式(1)、(2)、(3)分别为静力、力偶和振型的平衡方程。其中us和um分别为静力和力偶的不平衡量;wi为第i个校正平面上的校正量;zi为第i个校正平面到支承的距离;φn(z)为第n阶振型。据ISO/DIS 5406及我国GB/Z197-83定义,振型不平衡量为:

这就是高速动平衡中由挠曲变形所产生的附加不平衡量。而us和um可以通过低速动平衡来加以消除。

假设第n阶振型为直线,则振型函数可以表示为:

将(5)式代入(4)式可得:

由此可见,在振型为直线的情况下,其振型的不平衡量可看作静力不平衡和力偶不平衡的线性组合,只要将静力和力偶的不平衡量校正到允许值以下,转子就能平稳运转。对于那些工作转速下的振型不为直线的转子,根据理论计算和试验结果证明,只要转子转速低于0.4~0.5倍转子第一临界转速时,转子挠曲变形对其平衡的影响可以忽略,根据这一原则,挠性转子只要低于一定的转速,也可称作刚性转子,所以挠性转子的平衡又可分为刚性平衡与挠性平衡。

2 挠性转子低速动平衡的方法

对于国内大多数汽轮发电机组而言,除了发电机转子工作转速在二阶临界转速以上外,其余汽轮机转子工作转速大多在一阶临界转速与二阶临界转速之间,机组大修过程中,采用的例如汽轮机转子喷丸、发电机转子拔护环、汽轮机末级叶片镶嵌司太立合金片等检修工艺后往往会破坏一阶平衡,导致机组开机时过临界转速振动超标。因此,必须对汽轮发电机转子进行低速动平衡,低速动平衡可以在移动平衡台上进行,也可以在机器本体上进行,对于大修期间进行的低速动平衡或者不开缸无法在支撑内加重的转子建议在移动平衡台上进行低速动平衡。

2.1 测振幅逐阶平衡法

平衡台在两侧轴瓦全松的情况下有两个共振转速,低的那个共振转速是由转子静不平衡引起的,较高的那个共振转速是由转子动不平衡即力偶引起的,分别称之为刚性一阶、二阶振型。在平衡台上平衡时,首先在较低的共振转速下,两个端面上加同相重量,消除转子静不平衡。待较低共振转速下平衡台轴承振动值满意时,再在较高共振转速下,两个端面上反相加重消除动不平衡。

2.2 测相平衡法

根据刚性转子的平衡原理,任意两个面加重均可使转子获得平衡,但考虑到加重方便以及有效平衡转子动不平衡所产生的力偶,选择转子端部更为合理。在平衡台上平衡时,首先测量转子在A、B两个轴承上的原始振幅和相位,其矢量以A0、B0表示,其次在1、2两个平面(见图1)分别试加重获取在平面1上加重对A、B两个轴承的影响系数α11、α12,在平面2上加重对A、B两个轴承的影响系数α21、α22,假设1、2两个平面上应加的平衡重量为Q1、Q2,若使平衡后两个轴承的残余振动为零,则必须满足如下线性联立方程[2],而获得唯一解,即:

图1 低速动平衡加重面选取

在刚性转子平衡过程中,理论上可以将原始振动降为零,在实际平衡过程中能将原始振动降低80%,效果就算不错。如果刚性转子的平衡是挠性转子的低速平衡,则加重平面数或平衡重量沿转子轴向长度的分布方式,将直接影响挠性振型下的平衡,一般较合理的分布是沿转子本体长度均布。

表1 汽轮机转子低速动平衡试验数据

3 实例分析

广东东莞沙角C电厂拥有三台660 MW火力发电机组,3号机组于2012年底开始进行大修,大修中采用喷丸技术对转子、隔板等通流部件进行除垢,为防止转子喷丸除垢后平衡恶化以及降低大修前转子过临界振动值对高、中、低四条汽轮机转子进行了低速动平衡。动平衡采用ALSTOM瑞士分公司设计生产的具有机加工能力的移动式动平衡台以及FFT数据采集及信号分析仪VIBXPERT。平衡数据如表1所示:

2013年1月23日,3号机组大修后首次冲转,升速过程中各瓦过临界转速轴振均小于60 μm,带满负荷后,除1号、10号瓦轴振60 μm外,其他瓦轴振均小于60 μm,各瓦温度均小于100℃,瓦温以及轴振均达到#3机的历史最好水平。

4 结束语

(1)对于大多数1.4ncr1<n<0.7ncr2(ncr1、ncr2分别为转子的第一、二阶临界转速)的转子,实践证明,只进行刚性转子平衡就能保证工作转速下的稳定运行。

(2)进行低速动平衡时应考虑转子的一、二阶振型曲线,对于其质量大部分在轴承跨内的转子,原则上不平衡力应在中部(重心附近)校正,力偶不平衡在两侧校正,这关系到结果的好坏。

(3)在动平衡台上进行低速动平衡时应让转子连续运转时间不少于1 h,消除转子原始静弯曲,待振动数据稳定后再进行读数,最好测量2~3次取平均值效果更佳。

[1]周仁睦.转子动平衡原理、方法和标准[M].杭州:杭州工业汽轮机研究所,1983.

[2]施维新,石静波.汽轮发电机组振动及事故[M].北京:中国电力出版社,2008.

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