两平面动平衡在动叶可调双级轴流式风机中的应用

赵卫正， 陈 杰， 周仁米， 顾伟飞， 华 敏

(浙江浙能技术研究院有限公司， 杭州 310003)

一次风机作为火电厂锅炉系统中重要设备，主要功能是将干燥的煤粉送入锅炉炉膛，使锅炉安全、稳定燃烧。近年来，动叶可调双级叶轮轴流式结构的一次风机在大型火电机组得到广泛应用。动叶可调双级轴流式一次风机通过液压装置来调整叶轮动叶的安装角，实现对风压和风量的调整，具有效率高、调节灵活等特点。一次风机在长期运行中，风机中输送的煤粉会对两级叶轮叶片产生磨损和堆积，引起转子质量不平衡，造成振动超标[1-3]。

由于动叶可调双级轴流式一次风机采用前后两级叶轮，两级叶轮都会因磨损造成质量不平衡。对于双级叶轮都存在质量不平衡的一次风机，大多数情况下通过单级叶轮加重可同时减小各测点振动，但也会碰到单级叶轮加重无法同时减小各测点振动，在降低某一侧振动的同时将另一侧的振动增大，这时需要考虑两级叶轮同时加重处理。

笔者分析了某电厂动叶双级轴流式一次风机异常振动故障原因，尝试对一级和二级叶轮分别进行单平面动平衡处理，分析单平面加重无法降低振动的原因，提出两平面同时动平衡处理方案。

1 两平面动平衡原理

某转子由轴承A和轴承B两端支撑，轴承A和轴承B各装有振动测点。转子上有两个加重平面，分别为Ⅰ-Ⅰ平面和Ⅱ-Ⅱ平面，两平面动平衡示意图见图1。

图1 双面动平衡示意图

将转子升速至工作转速，测得转子两端轴承A和轴承B的振动分别为A0和B0。在Ⅰ-Ⅰ平面试加重质量为P1，将转速升至工作转速，测得轴承A和轴承B的振动分别为A1和B1。计算P1对轴承A和轴承B的影响系数k1A、k1B分别为：

(1)

(2)

取下加重P1，在Ⅱ-Ⅱ平面试加重质量为P2，测得工作转速下轴承A和轴承B的振动分别为A2和B2。计算试加重P2对轴承A和轴承B的影响系数k2A、k2B分别为：

(3)

(4)

假设在Ⅰ-Ⅰ平面和Ⅱ-Ⅱ平面分别加重质量为Q1和Q2，根据影响系数和振动变化的对应关系，Q1和Q2对轴承A的振动变化量为Q1×k1A+Q2×k2A，加重后振动变化量与原始振动A0相反，可得：

Q1×k1A+Q2×k2A+A0=0

(5)

同理，可得：

Q1×k1B+Q2×k2B+B0=0

(6)

联立式(5)和式(6)，可求得Q1和Q2[4-6]。

2 振动测试与分析

2.1 风机轴系布置

某火电厂600 MW机组锅炉系统的一次风机采用动叶可调双级轴流式结构，风机由一台电动机驱动，工作转速为1 498 r/min，电动机转子和风机转子通过挠性联轴器相连，其轴系结构见图2。整个轴系由四个滚动轴承支撑，其中风机转子由1号和2号轴承支撑，两个轴承布置在同一轴承箱内。风机轴承箱位于风机一级和二级叶轮之间，通过支撑筋与风机外壳相连。

图2 一次风机轴系示意图

2.2 振动测点布置

该一次风机驱动电动机两侧轴承振动均较小，主要是风机侧1号和2号轴承振动偏大。1号和2号轴承位于同一轴承箱内，在水平和垂直方向分别安装了速度传感器用于测量轴承振动；键相探头安装在水平方向，用于测量转速和振动相位。1号和2号轴承振动测点布置分别见图3和图4。

图3 1号轴承振动测点布置

图4 2号轴承振动测点布置

2.3 振动测试

据电厂运行人员反映，该一次风机运行中电动机侧振动较小，而风机侧振动偏大。在检查性大修中进行解体，大修结束后风机侧振动仍然偏高，接近报警值，威胁到设备的安全稳定运行。

一次风机启动到工作转速1 498 r/min时，将速度传感器测得的速度信号转换成位移信号，记录启动后各工况下风机侧轴承振动数据(见表1，数据表示：通频值/一倍频振幅∠相位)。

表1 一次风机工作转速下原始振动数据 μm/μm∠(°)

从表1数据可以看出：除了2号轴承水平方向振动不大，其余三个测点振动均严重超标。

2.4 振动分析

根据所测量的振动数据，发现该一次风机振动有以下几点特征：

(1) 各测点振动均以一倍频为主，没有明显的高频和低频分量。

(2) 对比刚定速时和定速后30 min的数据，一倍频振动幅值和相位变化较小，振动基本维持稳定。

(3) 1号轴承和2号轴承振动相位差接近反向。从定速后30 min振动数据看：1号和2号轴承垂直方向相位分别为80°和288°，振动相位相差208°，接近反向；1号和2号轴承水平方向振动分别为1°和31°，但这两个探头安装方向相差180°，因此水平方向振动探头实际相位差为210°，同样接近反向。

(4) 该风机大修前振动就一直超标，运行工况变化时振动一直偏大；测试前电厂人员对电动机和风机侧的地脚螺栓进行了紧固，可排除地脚螺栓松动引起的振动超标。

以上振动特征说明一次风机振动超标的原因是质量不平衡。根据双级轴流式风机动平衡经验，通常情况下某一级叶轮质量不平衡会造成靠近该级叶轮的轴承振动超标，而此风机1号轴承和2号轴承垂直方向振动同时超标，初步分析风机两级叶轮可能同时存在不平衡。根据上述分析，决定通过现场动平衡消除风机转子的不平衡质量，减小轴系的激振力，达到降低振动的目的。

3 两平面动平衡

3.1 试加重方案

根据动平衡处理经验，将工作转速下的风机视为刚性转子。1号轴承水平和垂直方向振动均偏大，以1号轴承垂直方向振动为主要平衡目标，兼顾水平方向振动。先在风机一级叶轮处试加重质量为100 g、角度为0°(0.1 kg∠0°)。试加重后工作转速下风机振动见表2。

表2 风机一级叶轮加重后振动数据 μm/μm∠(°)

一级叶轮处试加重后，1号和2号轴承水平方向振动幅值增大，垂直方向振动幅值变化较小。根据1号轴承振动变化情况，计算一级叶轮加重0.1 kg∠0°对1号轴承水平方向和垂直方向振动的影响分别为187 μm∠330°、59 μm∠356°。同理可得：一级叶轮加重0.1 kg∠0°对2号轴承水平方向和垂直方向振动的影响分别为150 μm∠142°、43 μm∠21°。去除一级叶轮加重，在二级叶轮上进行试加重。二级叶轮加重0.1 kg∠0°对1号轴承水平方向和垂直方向振动的影响系数分别为317 μm∠300°、42 μm∠299°；二级叶轮加重0.1 kg∠0°对2号轴承水平方向和垂直方向振动的影响分别为440 μm∠120°、197 μm∠351°。

3.2 单平面动平衡不可行分析

根据表1的原始振动数据，结合加重影响系数，分析一级叶轮或二级叶轮单平面动平衡对降低振动的可行性。加重前1号轴承和2号轴承振动垂直方向相位分别为80°和288°，接近相反，而一级叶轮加重对1号和2号轴承垂直方向振动影响系数相位分别为356°和21°，接近同向。说明一级叶轮单平面加重在降低其中一个测点振动的同时，必然会使另一个测点振动增大，因此在一级叶轮上单平面加重不可能同时降低1号和2号轴承垂直方向振动。同理，可知在二级叶轮单平面加重不可能同时降低1号和2号轴承振动。

在单平面加重无法降低振动的情况下，必须采用在一级叶轮和二级叶轮上同时加重的两平面加重法。

3.3 两平面动平衡

上述两组影响系数中加重对水平方向影响明显比垂直方向大，以降低水平方向振动为主，兼顾垂直方向振动。根据两平面加重影响系数和求解式(5)、式(6)，计算得出一级和二级叶轮加重方案，其中在一级叶轮上加重质量为560 g、角度为240°，二级叶轮上加重质量为250 g、角度为100°，加重后振动明显降低(见表3)。

表3 风机两级叶轮同时加重后振动数据 μm/μm∠(°)

4 结语

目前大型火电机组多采用动叶可调双级轴流式一次风机，在长期运行过程中风机两级动叶受到磨损造成质量不平衡，从而引起振动超标。双级叶轮质量不平衡通过单平面加重无法将振动降低到满意的程度，则需要进行两平面加重。两平面加重过程较单平面加重繁琐，但能彻底消除转子上的力不平衡和力偶不平衡，将振动降低到优良范围内。