平衡室内单转子与接入轴系转子振动特性变化分析

黄琪，于光辉，袁超，何东

(东方汽轮机有限公司，四川 德阳，618000)

0 前言

随着转子制造工艺和出厂平衡工艺的进步，目前国内几乎所有的发电机组单转子均实现了在出厂时完成低速、高速动平衡工作，这在很大程度上保证了发电机组调试启动时振动水平在许可值范围，但由于制造厂内平衡时的单转子与实际轴系在刚度和阻尼上存在一定偏差，现场仍然存在少部分新机转子由于不平衡原因出现启机振动大的现象，如文献描述的低压转子[1-2]、励磁机转子[3]振动问题。当然这其中也包含安装方面的因素，如对轮联接时的同心度控制偏差。

在发电机组上，机组启动、定速过程中过大的振幅势必伴随碰摩现象[4]，严重碰摩甚至可能导致转子发生弯曲。

由于目前安装工艺对同心度控制得比较好，较好地控制了轴系连接时带入的附加不平衡量，因此本文不考虑现场安装带来的同心度偏差等其他因素的影响，主要分析厂内高速动平衡时的单转子与连入轴系后的转子振动特性变化，找出两者之间的变化规律。

1 单转子刚度增加对振动的影响

1.1 刚性支撑阻尼单圆盘转子振动

为便于分析，将单转子简化为刚支撑阻尼单圆盘转子，转子运动规律可描述为式（1），单圆盘刚支阻尼转子示意图见图1。

图1 单圆盘刚支阻尼转子示意图

将式（2）代入式（1）可得幅值响应表达式，见式 （3～4）。

滞后角表达式为式（5）。

1.2 单转子连入轴系后振动分析

将单转子简化为单圆盘刚支阻尼转子进行分析，假设连入轴系的转子与单转子平衡时的阻尼（c）一致，由于平衡室内单转子一端不存在约束及平衡摆架刚度的影响，连入轴系后，刚度将会增加，以下就连入轴系后的转子振动特性进行分析。

2 模拟计算结果分析

2.1 连入轴系后刚度变化对振动的影响

根据式（6）～（7）进行模拟计算，取某电机转子设计一、二阶临界转速分别为700 r/min、2 350 r/min。从图2可以看出，相同离心力作用下，连入轴系后的转子过临界的响应要大于单转子，工作转速下的幅值要大于单转子幅值，轴系转子的振动特性与单转子基本一致，但存在一定的右移。

图2 单转子与连入轴系后不同刚度下升速振动特性

从图2（a）中可以看出，随着刚度比α的减小（连入轴系后刚度增加），连入轴系的转子临界响应在逐步增大，且定速下的幅值响应也在增大，从图2（b）中可以看出，随着刚度的增加，一阶、二阶滞后角曲线在往右移，且定速下的滞后角在减小。

从以上分析，可以得出：

（1）连入轴系后的转子幅值响应要大于单转子幅值响应；

（2）连接刚度越好，连入轴系的转子幅值响应比单转子响应越大；

（3）单转子固有频率应尽可能避开工作转速一定区间。单转子固有频率如靠近工作转速，连入轴系后的转子临界转速将更靠近工作转速或者等于工作转速，同等不平衡量的作用下，会造成工作转速下振幅增大较多。

2.2 阻尼变化对单转子和连入轴系转子振动特性

的影响

一般来说，旋转的转子阻尼来自两部分，分别是滑动轴承油膜给转子施加的阻尼和转子旋转时的介质（工质或冷却介质）施加在转子上的阻尼，因此平衡时的单转子与连入轴系后转子所受的阻尼有一定的变化。从式（4）可以得出图3。

图3 阻尼变化对转子升速幅值特性的影响

从图3可以看出，随着阻尼的减小，幅值响应增大，即同等不平衡量的作用下，阻尼越小，幅值越大。

3 案例分析

3.1 案例简介

巴基斯坦某燃气联合循环电厂配套汽轮机发电机组为200 MW机组，机组轴系结构如图4所示，各转子之间均为刚性连接，发电机冷却为空气冷却方式，各支撑瓦均为椭圆瓦。

图4 轴系结构示意图

机组首次启动就存在发电机前轴承振动大的现象，升速至750 r/min时5#～6#轴振动X方向分别最大达到193 μm和181 μm，经停机检查发现5#油档存在严重碰摩，将油档处理后，定速时5#轴振仍达 150 μm。

3.2 振动原因分析

3.2.1 启机过程振动异常分析

油档处理后的几次启停过程中，发电机振动升速特性重复性比较好，定速后振动趋势图平稳，表明碰摩现象已消除。

图5为碰摩消除后的发电机两端轴振升速过程波特图，从图中可以看出，发电机轴振过临界及定速下轴振均比较大，安装时，低发对轮连接同心度控制在1丝以内，表明安装过程未带入较大的附加不平衡量。因此，发电机过临界幅值大是启机过程发生油档碰摩造成启机困难的主要原因。

图5 发电机转子轴振波特图

3.2.2 发电机过临界、定速幅值大原因分析

发电机过临界幅值大，一般主要来源单转子残余不平衡量大。

图6 发电机厂内单转子平衡升速过程幅值图

图6为发电机转子厂内平衡升速特性图，从图中可以看出，电机转子在出厂平衡后过一、二阶临界振幅140 μm，额定转速下振幅均在50 μm以内，表明该转子在厂内平衡状态是符合出厂要求的，由此可见，发电机启动过程中的过临界及定速振动偏大是某种原因放大了转子上残余的不平衡量对振动的影响。

共振放大因子[6-7]可用来评价轴系的稳定性，从图5和图6可以得出平衡室内单转子与连入轴系转子的共振放大因子，见表1。

表1 共振放大因子

从表1可以看出，连入轴系的发电机转子一二阶共振放大因子均小于4，表明系统阻尼很大，轴系不容易失稳，但同时也表明连入轴系的系统阻尼大于单转子平衡状态下的阻尼，根据图3分析结果，阻尼增大幅值响应应该降低，而该转子连入轴系后在阻尼大于平衡室单转子的阻尼情况下，幅值响应却增大了，表明连入轴系后发电机转子振动增大的原因是刚度增加而造成的，同时发电机转子本身的残余一、二阶不平衡量偏大也是振动大的一个诱因。

从以上分析可以得出：

（1）电机转子连入轴系后，一、二阶临界分别由单转子的700 r/min、2 350 r/min增加至760 r/min、2 520 r/min，表明单转子连入轴系后临界转速提高了；

（2）连入轴系的发电机转子过临界振幅达200 μm，而单转子过临界振幅为140 μm，表明同等离心力作用下，连入轴系后的转子幅值响应要大于单转子幅值响应，这与前文分析结果一致；

（3）连入轴系的转子与单转子在幅值升速特性上的规律基本一致，但由于刚度增加，整个升速曲线特性发生了右移，这是定速时振动大的原因。

3.3 振动处理

由于转子共振放大因子均小于5，按西屋公司对放大因子的规定[8]，通过良好动平衡后可以长期稳定运行，根据图5发电机转子的升速特性，在定速下，存在较大的二阶分量，现场在发电机两端风扇环平衡槽内各加重1 343 g/295°，1 343 g/115°，平衡后发电机轴振最大62 μm （见图7），从图中可以看出，转子升速时二阶临界幅值变化已经不明显，表明二阶不平衡量得到显著降低，同时表明在单转子平衡时尽量降低残余不平衡量能较好地确保轴系振动水平。

图7 平衡前后5#轴振的升速波特图

4 总结

从单转子连入轴系后的刚度模拟计算及案例分析可以得出如下结论：

（1）受两者刚度和阻尼的变化影响，连入轴系转子的幅值响应与平衡室内单转子幅值响应会出现差异；

（2）连入轴系后的转子与平衡室单转子振动升速特性规律基本一致，但存在一定程度的右移；

（3）平衡室内单转子平衡时尽可能地降低转子各阶残余不平衡量能较好地确保轴系振动水平。

本文通过模拟计算及实例分析得出的结论对发电机组现场振动预防及处理具有一定参考意义。