郭玉杰，吳小川，趙福春，劉少恒

(1.河南省電力公司電力科學(xué)研究院，鄭州 450052；2.大唐洛陽熱電廠，河南 洛陽 471039；3.華電漯河發(fā)電有限公司，河南 漯河 463200)

近年來，汽輪發(fā)電機(jī)組向著大容量、高參數(shù)方向發(fā)展，轉(zhuǎn)子也變得更加細(xì)長。但是，為了縮短軸系長度、降低成本并提高經(jīng)濟(jì)性，國內(nèi)、外汽輪發(fā)電機(jī)組制造廠家普遍采用了高壓-中壓一體化的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)模式。據(jù)統(tǒng)計(jì)，受進(jìn)汽參數(shù)高和通流部分動(dòng)靜間隙小等因素的影響，高中壓轉(zhuǎn)子發(fā)生永久彎曲的概率較高。

引起汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子永久彎曲的原因主要有轉(zhuǎn)軸碰磨和非轉(zhuǎn)軸碰磨，其中非轉(zhuǎn)軸碰磨主要包括高溫轉(zhuǎn)子被水浸泡、轉(zhuǎn)軸內(nèi)應(yīng)力釋放和非同期合閘等因素[1]。相關(guān)報(bào)道和研究論文較多，在一定程度上對預(yù)防彎軸事故起到了很好的作用。但是，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)生永久彎曲后，除了分析原因外，還應(yīng)該深入研究汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子永久彎曲的振動(dòng)控制方法。彎曲轉(zhuǎn)子振動(dòng)控制方法主要有2種：(1)直軸。直軸由于工藝復(fù)雜、溫度控制難度較大，并且有一定的風(fēng)險(xiǎn)，因此該項(xiàng)工藝的應(yīng)用有逐步減少的趨勢。(2)動(dòng)平衡。動(dòng)平衡振動(dòng)控制方法特點(diǎn)是簡便、易行，其分為現(xiàn)場動(dòng)平衡、低速動(dòng)平衡和制造廠高速動(dòng)平衡。文獻(xiàn)[2]針對彎曲轉(zhuǎn)子的平衡補(bǔ)償，提出了汽輪發(fā)電機(jī)組預(yù)平衡，主要是基于對機(jī)組振動(dòng)歷史和特征的分析，在機(jī)組啟動(dòng)之前對軸系進(jìn)行預(yù)加配重,是一種新的嘗試。文獻(xiàn)[3]針對彎曲轉(zhuǎn)子的平衡補(bǔ)償，采取在高速平衡機(jī)上進(jìn)行校正，降低了軸振動(dòng)值，也達(dá)到了運(yùn)行要求。

針對2臺(tái)汽輪機(jī)的高中壓彎曲轉(zhuǎn)子，給出了2種不同的振動(dòng)控制方法，并提出了3個(gè)平面組合加重模式。

1 第1臺(tái)機(jī)組轉(zhuǎn)子彎曲及處理情況

1.1 振動(dòng)情況

該機(jī)組為引進(jìn)型國產(chǎn)330 MW機(jī)組，汽輪機(jī)型式為高中合缸、兩缸兩排汽、單軸、單抽、供熱凝汽式，發(fā)電機(jī)冷卻方式為水氫氫。共有6套軸承(圖1)，1#和2#軸承為支承高中壓轉(zhuǎn)子的軸承，3#和4#軸承為支承低壓轉(zhuǎn)子的汽缸軸承，5#和6#軸承為發(fā)電機(jī)的端蓋軸承。

圖1 機(jī)組軸系簡圖

機(jī)組振動(dòng)測點(diǎn)布置為：1#～6#軸承均裝2個(gè)電渦流傳感器，2個(gè)渦流傳感器相互垂直，自汽輪機(jī)向發(fā)電機(jī)方向看，左45°為x向，右45°為y向。

該機(jī)組于2006年投產(chǎn)，在2008年進(jìn)行了B級檢修。自2009年以來，多次出現(xiàn)啟動(dòng)升速過程中高中壓轉(zhuǎn)子臨界振動(dòng)大的現(xiàn)象，有時(shí)甚至因軸振動(dòng)保護(hù)動(dòng)作跳閘，嚴(yán)重影響正常啟動(dòng)，是影響機(jī)組安全運(yùn)行的一個(gè)重要隱患，現(xiàn)場被迫采取提高升速率和放寬軸振動(dòng)保護(hù)定值的臨時(shí)措施。

1y軸振動(dòng)隨轉(zhuǎn)速變化的波德圖如圖2所示。啟動(dòng)升速過程中1x軸振動(dòng)最大值為213 μm，1y軸振動(dòng)最大值為263 μm。2010—2011年間，多次測試了機(jī)組升速、降速時(shí)的振動(dòng)情況，其臨界轉(zhuǎn)速時(shí)的振動(dòng)數(shù)據(jù)變化不大，基頻振動(dòng)和相位變化很小，見表1。

圖2 1y軸振動(dòng)隨轉(zhuǎn)速變化的波德圖

表1 機(jī)組臨界轉(zhuǎn)速時(shí)振動(dòng)數(shù)據(jù) μm∠°

依據(jù)振動(dòng)測試結(jié)果，機(jī)組振動(dòng)特點(diǎn)歸納為：

(1)機(jī)組振動(dòng)頻率為基頻，振動(dòng)性質(zhì)為強(qiáng)迫振動(dòng)；

(2)振動(dòng)主要表現(xiàn)在汽輪機(jī)高中壓一階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，而帶負(fù)荷時(shí)的振動(dòng)不是很大；

(3)多次啟動(dòng)、降速過程的臨界振動(dòng)重復(fù)性較強(qiáng)，并且振動(dòng)和相位隨轉(zhuǎn)速變化的特點(diǎn)符合一般規(guī)律，一階振型為典型的“弓形”彎曲。

1.2 轉(zhuǎn)子彎曲情況與振動(dòng)控制

2012年5月7日—6月30日，該機(jī)組進(jìn)行A級檢修。揭缸發(fā)現(xiàn)高中壓轉(zhuǎn)子中壓進(jìn)汽處彎曲0.08 mm，如圖3所示。圖中，1～6分別表示汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子的不同部位?？梢钥闯?，1#與2#軸承間中壓進(jìn)汽處彎曲值最大，該部位基本處于汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子的中部。1～4彎曲部位逐漸增大，4～6則逐步減小，整個(gè)彎曲形狀光滑，無毛刺和突變，說明數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。

圖3 汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子彎曲示意圖

根據(jù)現(xiàn)場檢查痕跡和運(yùn)行情況，分析認(rèn)為轉(zhuǎn)子彎曲的原因是動(dòng)靜碰磨。

軸彎曲是指轉(zhuǎn)子各截面的質(zhì)心連線與軸幾何中心連線存在偏差，彎曲轉(zhuǎn)子與質(zhì)量偏心轉(zhuǎn)子的振動(dòng)特性基本相似，均會(huì)產(chǎn)生與轉(zhuǎn)速同頻的激振力，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生同步渦動(dòng)[4]。因此，彎曲轉(zhuǎn)子可以采取動(dòng)平衡處理。

因汽輪機(jī)中部彎曲轉(zhuǎn)子的振動(dòng)響應(yīng)是一階振型，為“弓形”曲線，如圖4所示。因此振型分解的主要工作是同向分量。F3為需要在轉(zhuǎn)子中部加重產(chǎn)生向下的力，F(xiàn)1和F2分別為需要在轉(zhuǎn)子兩端加重產(chǎn)生向下的力。從振型曲線上看，F(xiàn)3>F1或F2。F1，F(xiàn)3和F2的比例關(guān)系主要由轉(zhuǎn)子長度、彎曲量等參數(shù)確定。

圖4 轉(zhuǎn)子彎曲振型示意圖

考慮機(jī)組檢修工期緊張，振動(dòng)控制采用現(xiàn)場低速動(dòng)平衡，平衡轉(zhuǎn)速為181 r/min。分別在調(diào)端、電端試加重1.242和2.12 kg，運(yùn)用轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)理論，按照一階振型的特性，對調(diào)端、電端試加重量進(jìn)行重新分配，最終分別在調(diào)端、中部和電端分別加重0.852，1.588和0.899 kg，加重比例分別為25.5%，47.6%和26.9%。采取了以中部加重為主、兩端為輔的加重組合模式，見表2。

表2 動(dòng)平衡加重結(jié)果 kg∠°

1.3 效果

2012年7月1日，該機(jī)組A級檢修結(jié)束。啟動(dòng)運(yùn)行后高中壓轉(zhuǎn)子臨界振動(dòng)小于58 μm，帶負(fù)荷時(shí)1x，1y，2x，2y軸振動(dòng)均小于61 μm。高中壓轉(zhuǎn)子修前、后的振動(dòng)數(shù)據(jù)見表3?？梢钥闯?，無論是臨界振動(dòng)值，還是帶負(fù)荷的振動(dòng)值，均達(dá)到了國家標(biāo)準(zhǔn)中A區(qū)域的水平。另外，通過幾次啟動(dòng)升速、停機(jī)惰走的振動(dòng)數(shù)據(jù)對比，其軸振動(dòng)值和相位重復(fù)性好。因此，可以說汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子振動(dòng)狀態(tài)是“穩(wěn)定”的。

表3 檢修前、后的振動(dòng)數(shù)據(jù) μm

2 第2臺(tái)機(jī)組轉(zhuǎn)子彎曲及處理情況

2.1 振動(dòng)情況

該機(jī)組也是引進(jìn)型國產(chǎn)330 MW機(jī)組，軸系布置、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)均與第1臺(tái)機(jī)組相同。

該機(jī)組于2010年5月投產(chǎn)，投產(chǎn)時(shí)機(jī)組振動(dòng)狀況良好。之后隨運(yùn)行時(shí)間延長，機(jī)組振動(dòng)逐漸增大，主要表現(xiàn)在汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子臨界振動(dòng)上，主頻率為基頻，性質(zhì)為普通強(qiáng)迫振動(dòng)。如2011年6月26日，幾次啟動(dòng)升速、降速過程中，在1 520 r/min臨界轉(zhuǎn)速下1x軸振動(dòng)分別為371和437 μm，1y軸振動(dòng)分別為300和350 μm，相位穩(wěn)定。因機(jī)組跳閘無法升速，被迫提高升速率到500 r/min并修改振動(dòng)保護(hù)定值才通過高中壓轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速。

2012年3月31日，機(jī)組停機(jī)進(jìn)行A級檢修，該次停機(jī)過程的1x軸振動(dòng)隨轉(zhuǎn)速變化的波德圖如圖5所示。在降速惰走過程中轉(zhuǎn)速為1 540 r/min時(shí)，1x軸振動(dòng)最大值為453 μm，2x軸振動(dòng)最大值是381 μm。2011—2012年間，多次測量了機(jī)組振動(dòng)隨轉(zhuǎn)速的變化情況，2012年3月31日2y軸振動(dòng)變化較大，其振動(dòng)特點(diǎn)是臨界振動(dòng)附近波德圖曲線不光滑，類似波形的毛刺形狀，分析認(rèn)為是由于軸振動(dòng)較大引起動(dòng)靜碰磨所致。其余幾次臨界轉(zhuǎn)速時(shí)基頻振動(dòng)和相位變化較小，見表4。

圖5 1x軸振動(dòng)隨轉(zhuǎn)速變化的波德圖

表4 機(jī)組臨界轉(zhuǎn)速時(shí)振動(dòng)數(shù)據(jù) μm∠°

該機(jī)組振動(dòng)特點(diǎn)與第1臺(tái)機(jī)組類似，但是臨界振動(dòng)值已經(jīng)到了非常危險(xiǎn)的水平。

2.2 轉(zhuǎn)子彎曲情況與振動(dòng)控制

2012年3月31日—5月13日，該機(jī)組進(jìn)行A級檢修，轉(zhuǎn)子彎曲情況如圖6所示。從圖中可以看出，轉(zhuǎn)子彎曲形狀有多個(gè)“駝峰”。從中壓進(jìn)汽處至高壓調(diào)門端的彎曲情況為：彎曲值從0增大到0.085 mm，曲線斜率很大，隨后彎曲值逐步減小至0，曲線相對光滑，符合一般規(guī)律。而從中壓進(jìn)汽處至電動(dòng)機(jī)端的彎曲形狀則不規(guī)則，呈波浪狀，先逐步增大至0.035 mm，隨后減至0，最后又逐步增大，在電動(dòng)機(jī)端達(dá)到0.06 mm的局部峰值。

圖6 汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子彎曲示意圖

根據(jù)機(jī)組1年的運(yùn)行情況，分析認(rèn)為轉(zhuǎn)子彎曲是內(nèi)應(yīng)力釋放所致。

振動(dòng)控制采取返廠車削后高速動(dòng)平衡。高速試驗(yàn)臺(tái)加重和角度見表5。與第1臺(tái)機(jī)組相同，也采取了調(diào)端、中部和電端平衡槽3個(gè)平面同時(shí)加重模式，以同向?yàn)橹?，中部加重占同向加重?3.37%。

表5 動(dòng)平衡加重結(jié)果 kg∠°

2.3 效果

2012年5月13日，該機(jī)組A級檢修結(jié)束。啟動(dòng)運(yùn)行后高中壓轉(zhuǎn)子臨界振動(dòng)小于141 μm，帶負(fù)荷時(shí)1x,1y,2x,2y軸振動(dòng)均小于52 μm。檢修前、后的振動(dòng)數(shù)據(jù)見表6。平衡效果同樣可以滿足運(yùn)行要求。

表6 檢修前、后的振動(dòng)數(shù)據(jù) μm

3 結(jié)束語

通過對2臺(tái)機(jī)組汽輪機(jī)彎曲轉(zhuǎn)子的振動(dòng)測試、彎曲確認(rèn)，提出了2種振動(dòng)控制方法。

(1)汽輪機(jī)高中壓非對稱轉(zhuǎn)子彎曲部位在中部的振動(dòng)頻率是基頻，主要表現(xiàn)在一階臨界振動(dòng)較大，直接影響機(jī)組的正常啟動(dòng)和安全運(yùn)行，而帶負(fù)荷時(shí)振動(dòng)增大不明顯。

(2)對于一定彎曲值的汽輪機(jī)高中壓非對稱轉(zhuǎn)子，振動(dòng)控制方法可以采取現(xiàn)場低速動(dòng)平衡或返廠車削后高速動(dòng)平衡。

(3)為了消除一階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)的振動(dòng)，可以采取在汽輪機(jī)調(diào)端、中部和電端3個(gè)平面組合加重模式，并且以中部加重為主。