660 MW汽輪機轉子的低速動平衡理論與實踐

鄭大鵬，陳建華

（廣東東莞沙角C電廠，廣東東莞 523936）

0 引言

自20世紀40年代末，氫冷發電機轉子研制成功，單機容量大幅度增加，使發電機轉子長度有了顯著的增長，轉子剛性明顯降低，發電機轉子的一階臨界轉速降至1 000 r/min以下。對于柔性轉子需要高速動平衡試驗，以消除轉子撓曲變形所產生的附加不平衡量，即振型不平衡量。然而，是否所有的高速轉子都要經過這一試驗呢？本文從撓性轉子的動平衡方程出發，證明有很大一部分轉子是可以通過低速動平衡就能使其達到平衡運轉的。

1 撓性轉子的動平衡方程[1]

式（1）、（2）、（3）分別為靜力、力偶和振型的平衡方程。其中us和um分別為靜力和力偶的不平衡量；wi為第i個校正平面上的校正量；zi為第i個校正平面到支承的距離；φn(z)為第n階振型。據ISO/DIS 5406及我國GB/Z197-83定義，振型不平衡量為：

這就是高速動平衡中由撓曲變形所產生的附加不平衡量。而us和um可以通過低速動平衡來加以消除。

假設第n階振型為直線，則振型函數可以表示為：

將（5）式代入（4）式可得：

由此可見，在振型為直線的情況下，其振型的不平衡量可看作靜力不平衡和力偶不平衡的線性組合，只要將靜力和力偶的不平衡量校正到允許值以下，轉子就能平穩運轉。對于那些工作轉速下的振型不為直線的轉子，根據理論計算和試驗結果證明，只要轉子轉速低于0.4～0.5倍轉子第一臨界轉速時，轉子撓曲變形對其平衡的影響可以忽略，根據這一原則，撓性轉子只要低于一定的轉速，也可稱作剛性轉子，所以撓性轉子的平衡又可分為剛性平衡與撓性平衡。

2 撓性轉子低速動平衡的方法

對于國內大多數汽輪發電機組而言，除了發電機轉子工作轉速在二階臨界轉速以上外，其余汽輪機轉子工作轉速大多在一階臨界轉速與二階臨界轉速之間，機組大修過程中，采用的例如汽輪機轉子噴丸、發電機轉子拔護環、汽輪機末級葉片鑲嵌司太立合金片等檢修工藝后往往會破壞一階平衡，導致機組開機時過臨界轉速振動超標。因此，必須對汽輪發電機轉子進行低速動平衡，低速動平衡可以在移動平衡臺上進行，也可以在機器本體上進行，對于大修期間進行的低速動平衡或者不開缸無法在支撐內加重的轉子建議在移動平衡臺上進行低速動平衡。

2.1 測振幅逐階平衡法

平衡臺在兩側軸瓦全松的情況下有兩個共振轉速，低的那個共振轉速是由轉子靜不平衡引起的，較高的那個共振轉速是由轉子動不平衡即力偶引起的，分別稱之為剛性一階、二階振型。在平衡臺上平衡時，首先在較低的共振轉速下，兩個端面上加同相重量，消除轉子靜不平衡。待較低共振轉速下平衡臺軸承振動值滿意時，再在較高共振轉速下，兩個端面上反相加重消除動不平衡。

2.2 測相平衡法

根據剛性轉子的平衡原理，任意兩個面加重均可使轉子獲得平衡，但考慮到加重方便以及有效平衡轉子動不平衡所產生的力偶，選擇轉子端部更為合理。在平衡臺上平衡時，首先測量轉子在A、B兩個軸承上的原始振幅和相位，其矢量以A0、B0表示，其次在1、2兩個平面（見圖1）分別試加重獲取在平面1上加重對A、B兩個軸承的影響系數α11、α12，在平面2上加重對A、B兩個軸承的影響系數α21、α22，假設1、2兩個平面上應加的平衡重量為Q1、Q2，若使平衡后兩個軸承的殘余振動為零，則必須滿足如下線性聯立方程[2]，而獲得唯一解，即：

圖1 低速動平衡加重面選取

在剛性轉子平衡過程中，理論上可以將原始振動降為零，在實際平衡過程中能將原始振動降低80%，效果就算不錯。如果剛性轉子的平衡是撓性轉子的低速平衡，則加重平面數或平衡重量沿轉子軸向長度的分布方式，將直接影響撓性振型下的平衡，一般較合理的分布是沿轉子本體長度均布。

表1 汽輪機轉子低速動平衡試驗數據

3 實例分析

廣東東莞沙角C電廠擁有三臺660 MW火力發電機組，3號機組于2012年底開始進行大修，大修中采用噴丸技術對轉子、隔板等通流部件進行除垢，為防止轉子噴丸除垢后平衡惡化以及降低大修前轉子過臨界振動值對高、中、低四條汽輪機轉子進行了低速動平衡。動平衡采用ALSTOM瑞士分公司設計生產的具有機加工能力的移動式動平衡臺以及FFT數據采集及信號分析儀VIBXPERT。平衡數據如表1所示：

2013年1月23日，3號機組大修后首次沖轉，升速過程中各瓦過臨界轉速軸振均小于60 μm，帶滿負荷后，除1號、10號瓦軸振60 μm外，其他瓦軸振均小于60 μm，各瓦溫度均小于100℃，瓦溫以及軸振均達到#3機的歷史最好水平。

4 結束語

（1）對于大多數1.4ncr1＜n＜0.7ncr2（ncr1、ncr2分別為轉子的第一、二階臨界轉速）的轉子，實踐證明，只進行剛性轉子平衡就能保證工作轉速下的穩定運行。

（2）進行低速動平衡時應考慮轉子的一、二階振型曲線，對于其質量大部分在軸承跨內的轉子，原則上不平衡力應在中部（重心附近）校正，力偶不平衡在兩側校正，這關系到結果的好壞。

（3）在動平衡臺上進行低速動平衡時應讓轉子連續運轉時間不少于1 h，消除轉子原始靜彎曲，待振動數據穩定后再進行讀數，最好測量2～3次取平均值效果更佳。

［1］周仁睦.轉子動平衡原理、方法和標準［M］.杭州：杭州工業汽輪機研究所，1983.

［2］施維新，石靜波.汽輪發電機組振動及事故［M］.北京：中國電力出版社，2008.