西門子某型燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子現(xiàn)場動(dòng)平衡的研究

陳 偉，高傳寶，王 輝

(株洲航發(fā)動(dòng)科南方燃?xì)廨啓C(jī)有限公司，湖南 株洲 412000)

隨著國內(nèi)西門子燃?xì)廨啓C(jī)數(shù)量的增多，本公司直接銷售的西門子工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)已超過30套。燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行過程中振動(dòng)值一直是燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行的重要指標(biāo)。燃?xì)廨啓C(jī)振動(dòng)好壞直接影響燃?xì)廨啓C(jī)的壽命，嚴(yán)重者可能直接造成燃?xì)廨啓C(jī)損壞。造成燃?xì)廨啓C(jī)振動(dòng)異常的因素很多，例如：轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡發(fā)生變化、轉(zhuǎn)子軸瓦磨損或損壞、軸承密封系統(tǒng)以及滑油系統(tǒng)油壓不穩(wěn)定等。很多情況下是由于軸系或者單個(gè)轉(zhuǎn)子平衡發(fā)生變化造成的，例如：燃?xì)廨啓C(jī)與其他輔助驅(qū)動(dòng)設(shè)備相連后會影響軸系的平衡；隨著燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行時(shí)間的增長，渦輪轉(zhuǎn)子葉片的熱腐蝕也會影響轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡。因此通過對燃?xì)廨啓C(jī)現(xiàn)場動(dòng)平衡解決或優(yōu)化燃?xì)廨啓C(jī)的振動(dòng)問題是非常有必要的，不僅能優(yōu)化燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，提高燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行壽命，還能通過現(xiàn)場動(dòng)平衡解決一些因燃?xì)廨啓C(jī)振動(dòng)無法正常運(yùn)行設(shè)備的故障，保證客戶的效益。

1 故障現(xiàn)象

西門子某型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組在停機(jī)后，重新起動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)過程中，動(dòng)力渦輪輸出端振動(dòng)值隨轉(zhuǎn)速上升不斷增高，到達(dá)額定轉(zhuǎn)速后振動(dòng)值超過50 μm(P-P)(P-P表明在測量方向上位移量的峰峰值)，并網(wǎng)一瞬間燃?xì)廨啓C(jī)振動(dòng)值急劇上升，燃?xì)廨啓C(jī)由于振動(dòng)超標(biāo)跳停。停機(jī)后燃?xì)廨啓C(jī)冷轉(zhuǎn)正常，振動(dòng)值無明顯變化。

2 原因分析

影響燃?xì)廨啓C(jī)振動(dòng)的因素較多[1]，主要體現(xiàn)在：

1) 燃?xì)廨啓C(jī)與齒輪箱同心度發(fā)生變化

經(jīng)現(xiàn)場檢查燃?xì)廨啓C(jī)和齒輪箱之間的同心度滿足設(shè)計(jì)要求，且燃?xì)廨啓C(jī)與齒輪箱的固定螺栓未見松動(dòng)。

2) 燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡發(fā)生變化

燃?xì)廨啓C(jī)冷轉(zhuǎn)正常，冷轉(zhuǎn)時(shí)振動(dòng)值正常。但由于冷轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速較低，不排除轉(zhuǎn)子存在一定程度的不平衡量。

3) 燃?xì)廨啓C(jī)軸瓦磨損

查看燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行曲線，發(fā)現(xiàn)在停機(jī)過程中與燃?xì)廨啓C(jī)起動(dòng)過程中，軸瓦溫度正常。

4) 燃?xì)廨啓C(jī)滑油供油壓力與溫度發(fā)生變化

查看燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行曲線，發(fā)現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行和起動(dòng)過程中，燃?xì)廨啓C(jī)滑油供油壓力與溫度都正常。

5) 燃?xì)廨啓C(jī)軸瓦密封發(fā)生變化

查看燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行曲線，發(fā)現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)儀表風(fēng)壓力與密封空氣壓力正常，拆下密封空氣管未見異常。

經(jīng)過上述檢查，且燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行已接近20 000 h，分析出最有可能導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)振動(dòng)大的原因?yàn)槿細(xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子渦輪葉片長期運(yùn)行在高溫環(huán)境中產(chǎn)生熱腐蝕，導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生了較大的不平衡量，從而出現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)振動(dòng)高的故障。故障原因分析出后，決定對燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行現(xiàn)場動(dòng)平衡。

3 動(dòng)平衡計(jì)算理論依據(jù)

西門子某燃?xì)廨啓C(jī)在輸出軸聯(lián)軸器上設(shè)有配重孔，可以進(jìn)行現(xiàn)場動(dòng)平衡，如圖1所示。

圖1 燃?xì)廨啓C(jī)輸出軸聯(lián)軸器上的配重孔

應(yīng)用現(xiàn)有的理論計(jì)算方法在現(xiàn)場對燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行現(xiàn)場動(dòng)平衡[2-3]?，F(xiàn)將兩種最常用的計(jì)算方法總結(jié)如下。

3.1 計(jì)算方法一

此方法需要轉(zhuǎn)動(dòng)四次：第一次動(dòng)平衡之前現(xiàn)有的測量振動(dòng)值Vi；第二次在0°配重孔中加入已知的配重塊(試重塊)轉(zhuǎn)動(dòng)，得出振動(dòng)值V0；第三次，取出0°配重孔中試重塊，加入到112.5°配重孔中轉(zhuǎn)動(dòng)，得出振動(dòng)值V1；第四次，取出112.5°配重孔中試重塊，加入到247.5°配重孔中轉(zhuǎn)動(dòng)，得到振動(dòng)值V2。此方法具體計(jì)算過程用已有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)如下：

第一次轉(zhuǎn)動(dòng)：動(dòng)平衡之前現(xiàn)有的測量振動(dòng)值Vi，此時(shí)測量的振動(dòng)值為Vi=100 μm(P-P)。如圖2所示，以坐標(biāo)原點(diǎn)為圓心、以Vi為半徑畫一個(gè)圓。

圖2 以Vi為半徑畫圓

第二次轉(zhuǎn)動(dòng)：在0°位置的配重孔增加一個(gè)已知質(zhì)量的配重塊，稱為試重(此組數(shù)據(jù)中試重為1 g)，轉(zhuǎn)動(dòng)至設(shè)定轉(zhuǎn)速，此時(shí)測量的振動(dòng)值為V0=143 μm(P-P)。如圖3所示，以Vi與0°坐標(biāo)軸的交點(diǎn)為圓心，以V0為半徑畫一個(gè)圓。

圖3 以V0為半徑畫圓

第三次轉(zhuǎn)動(dòng)：取出0°配重孔中的試重，將其移至112.5°的配重孔中，轉(zhuǎn)動(dòng)至設(shè)定的轉(zhuǎn)速，此時(shí)的振動(dòng)值為V1=152 μm(P-P)。如圖4所示，以坐標(biāo)原點(diǎn)為起點(diǎn)畫條角度為112.5°的線段與半徑為Vi的圓的交點(diǎn)為圓心，以V1為半徑畫一個(gè)圓。

圖4 以V1為半徑畫圓

第四次轉(zhuǎn)動(dòng)：取出112.5°配重孔中的試重，將其移至247.5°的配重孔中，轉(zhuǎn)動(dòng)至設(shè)定的轉(zhuǎn)速，此時(shí)的振動(dòng)值為V2=45 μm(P-P)。如圖5所示，以坐標(biāo)原點(diǎn)為起點(diǎn)畫條角度為247.5°的線段與半徑為Vi的圓的交點(diǎn)為圓心，以V2為半徑畫一個(gè)圓。

圖5 以V2為半徑畫圓

此時(shí)V0、V1與V2三個(gè)圓會形成交集，如圖6所示，陰影部分為交集，在形成交集中心區(qū)域取一點(diǎn)與坐標(biāo)原點(diǎn)相連，此線段標(biāo)記為T1，由于圖形是按同種比例畫的，其長度可以通過尺子量出來，T1=60，其角度(θ)可以通過量角器量出∠θ=246°。此時(shí)可以計(jì)算出需要增加的配重塊質(zhì)量(M)，M=(Vi/T1)×試重(1 g)=(100÷60)×1=1.67 g，其需要增加的配重孔角度為∠θ=246°。

圖6 配重塊的質(zhì)量和角度示意圖

此時(shí)∠θ=246°沒有合適的配重孔(225°<θ< 247.5°),由于振動(dòng)值是矢量，可以通過矢量分解計(jì)算分配到合適的配重孔上。如圖7所示，將M=1.67 g分解到225°(225°配重孔的質(zhì)量為M2)與270°(270°配重孔的質(zhì)量為M3)的配重孔上，由于圖7為等距圓，M2和M3可以通過尺子測量，或者直接看圖計(jì)算出質(zhì)量M2=3.5/6×1.67≈1 g，M3=3/6×1.67≈0.8 g 。

圖7 配重塊分解示意圖

取出試重塊經(jīng)過測試，在225°配重孔增加1 g配重塊，在270°配重孔增加0.8 g配重塊，旋轉(zhuǎn)至設(shè)定轉(zhuǎn)速，裝置振動(dòng)值變得很小，動(dòng)平衡結(jié)束。

3.2 計(jì)算方法二

此計(jì)算方法需要轉(zhuǎn)動(dòng)三次：第一次以動(dòng)平衡之前現(xiàn)有的測量振動(dòng)值，得出初始振動(dòng)值A(chǔ)；第二次在0°配重孔中加入已知的配重塊(試重塊)轉(zhuǎn)動(dòng)，得出振動(dòng)值B或C；第三次，取出0°配重孔中試重塊，加入到180°配重孔中轉(zhuǎn)動(dòng)，得出振動(dòng)值C或B。第二次轉(zhuǎn)動(dòng)與第三次轉(zhuǎn)動(dòng)測量振動(dòng)值大者為B，小者為C。此方法具體計(jì)算過程用已有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)如下：

第一次轉(zhuǎn)動(dòng)：以動(dòng)平衡之前現(xiàn)有的測量振動(dòng)值，此時(shí)測量的振動(dòng)值為A=48 μm(P-P)。

第二次轉(zhuǎn)動(dòng)：在0°配重孔增加試重(1 g)，旋轉(zhuǎn)至設(shè)定轉(zhuǎn)速，此時(shí)測量的振動(dòng)值為86 μm(P-P)。

第三次轉(zhuǎn)動(dòng)：取出0°配重孔的試重，將其移至180°配重孔中，旋轉(zhuǎn)至設(shè)定轉(zhuǎn)速，此時(shí)測量的振動(dòng)值為65 μm(P-P)。

第二次轉(zhuǎn)動(dòng)與第三次轉(zhuǎn)動(dòng)振動(dòng)值較大的定義為B=86 μm(P-P)，較小的定義為C=65 μm(P-P)。

如圖8所示，先畫線段，長度等于2A，以線段兩端做原點(diǎn)畫圓弧，左側(cè)端點(diǎn)圓弧半徑為B，右側(cè)端點(diǎn)圓弧半徑為C，連接圓弧交點(diǎn)與線段2A兩端，得到三角形AACB(如圖由邊AACB組成的三角形)。然后延長三角形C邊，使其長度等于2C，再連接延長線段端點(diǎn)與邊2A的左邊端點(diǎn)，得到三角形AACCD。

圖8 計(jì)算方法二示意圖

此時(shí)可以通過測量得出D=118，邊D與邊2A的夾角α=74°。根據(jù)測量值可以計(jì)算出需要增加的配重塊質(zhì)量M=(2A/D)×試重=(2×48÷118)×1=0.8 g。

其需要增加的配重孔角度θ=180°±α(106°或者254°)，在按照方法一中的步驟進(jìn)行矢量分解，將配重塊分解到合適角度的配重孔中。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

應(yīng)用此種計(jì)算方法在上述燃?xì)廨啓C(jī)故障電站中進(jìn)行現(xiàn)場動(dòng)平衡效果顯著，動(dòng)平衡之前開機(jī)過程中，燃?xì)廨啓C(jī)到達(dá)額定轉(zhuǎn)速11 000 r/min時(shí)，UD13X1(UD13X1表示西門子燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力渦輪輸出端軸承在X方向的1號振動(dòng)探頭)振動(dòng)值最高74.95 μm(P-P)，燃?xì)廨啓C(jī)無法并網(wǎng)發(fā)電，如圖9所示。

圖9 動(dòng)平衡之前額定轉(zhuǎn)速下UD13X1曲線

現(xiàn)場進(jìn)行動(dòng)平衡后，在配重孔(如圖1所示)增加配重塊后，開機(jī)振動(dòng)值很好，并網(wǎng)發(fā)電功率(GCP25是西門子燃?xì)廨啓C(jī)功率的代號，圖10曲線GCP25就是發(fā)電機(jī)功率)4 500 kW時(shí)UD13X1振動(dòng)值很小(17 μm(P-P))，如圖10所示。

圖10 動(dòng)平衡后功率4 500 kW UD13X1振動(dòng)值17μm(P-P)

5 結(jié)論

通過上述理論分析計(jì)算可以有效地解決某種燃?xì)廨啓C(jī)現(xiàn)場振動(dòng)問題[4]，優(yōu)化燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，延長運(yùn)行壽命，減少燃?xì)廨啓C(jī)返廠維修次數(shù)，維護(hù)客戶的效益。此次西門子某型燃?xì)廨啓C(jī)現(xiàn)場動(dòng)平衡成功地將理論知識與現(xiàn)場實(shí)際相結(jié)合，不僅順利解決了現(xiàn)場因轉(zhuǎn)子不平衡引起的振動(dòng)問題，也為以后類似故障提供了參考依據(jù)。