汽轮发电机振动分析及现场动平衡处理

摘 要：大多数的汽轮发电机振动故障可以用现场高速动平衡的方法进行处理。本文介绍了柔性转子的振动特性，阐述了现场校正一、二、三阶转子不平衡所采用的方法。通过实例证明对称加重法虽然可能使汽轮发电机存在的三阶不平衡得到一定的校正，但是灵敏度低，且可能破坏一阶平衡状态;而在转子外伸端的联轴器加重时一般会取得较好的效果。所取得的振动治理经验对同型机组类似振动故障的诊断及现场处理有一定的借鉴意义。

关键词：汽轮发电机;柔性转子;振动;现场动平衡

引言

汽轮发电机是火力发电厂的核心设备，振动水平是衡量机组安全可靠性最重要的指标。剧烈的振动容易导致设备部件的疲劳损坏，一些重大的毁机事故直接或间接地与振动有关。在汽轮发电机的各种振动故障中，不平衡引起的振动占到70%以上，还有部分故障也可以通过平衡的手段使振动得到改善，因此现场动平衡是消除振动的主要手段[1]。由于汽轮发电机组轴系是多转子系统，相互之间有一定影响;而且在现场受加重位置的限制，有时无法在计算好的位置加重;此外大型机组启动一次的费用高达十万元以上，启动次数和时间受到了限制，因此现场高速动平衡是振动处理中十分重要而又有一定难度的环节。

随着汽轮发电机容量的增大，转子轴向长度及其重量也不断增加，而转子径向尺寸因受到材料强度限制增长不大，这样就迫使采用工作转速大于第一临界转速和第二临界转速的柔性转子[2]。汽轮发电机转子均属于柔性转子，一般200 MW及以下的发电机工作转速在一、二阶临界转速之间，大多数300MW及以上的发电机工作转速在二、三阶临界转速之间。这两类转子的平衡方法存在较大的差异，因此在现场动平衡时应采取针对性的处理方案才能取得理想的效果。

1 柔性转子的振动特性

在不平衡作用下柔性转子的振动可表示为：

柔性转子平衡主要根据其振型正交原理进行。所谓正交是指在平衡某一阶振型时，不影响其他振型的平衡状态。现场动平衡时通常一阶不平衡采用对称加重的方法，它与二阶振型是正交的;二阶不平衡采用反对称加重的方法，它与一阶不平衡是正交的。当转子存在三阶不平衡时，为了不破坏一、二阶振型平衡，理论上至少需要三个校正平面，但在现场由于无法在转子中部进行加重，无法完全满足正交的要求。因此现场校正三阶不平衡时一般采用在主跨内加对称重量或转子外伸端加重两种方法进行平衡，对称加重法虽然可能使这种不平衡得到一定的校正，但是灵敏度低，而且有可能破坏一阶不平衡;而在转子外伸端的联轴器加重时一般会取得较好的效果。

2 实例分析

2.1 机组概况

某发电公司一期（2×300MW）工程是凝汽式亚临界燃煤机组，汽轮机、发电机均由上海电气集团股份有限公司制造，汽轮机型式为两缸两排汽、亚临界、一次中间再热、供热抽汽凝汽、直接空冷凝汽式，发电机采用双水内冷冷却方式。轴系由高中压转子、低压转子、发电机转子及其相应的6个支撑轴承组成，各转子均为双支撑结构，轴系示意图如图1所示。

汽轮发电机组各转子临界转速如表1所示。

2.2 机组振动情况

1号机组经过A级检修后首次启动，机组升速至2 200 r/min后发电机5、6瓦轴振动逐渐增大，转速升至2 500 r/min以上时，振动急剧增加，定速3000rpm后各轴承振动详见表2，5X、6X轴振动升速波德图分别见图2、图3。

2.3 初步分析

2.3.1 从表2振动试验数据可知在额定转速下5、6瓦轴振动偏大，尤其5瓦X向轴振动达184 ?m，远超出标准要求（80μm）[3]，影响机组的安全稳定运行。

2.3.2 从振动频谱分析可知额定转速下各瓦轴振、瓦振均以工频分量为主，属于普通强迫振动，幅值、相位都比较稳定，可以排除动静碰磨及测试信号干扰等因素[4-5]。

2.3.3 发电机5瓦振动超标，但相邻低压转子的4瓦振动很小，因此可以排除外伸端存在不平衡的问题。

2.3.4 从表1可知该机组发电机转子二阶临界转速低于工作转速，且发电机两侧5号、6号瓦轴振动存在较大的同相振动分量，因此初步分析发电机转子本体存在一定的三阶质量不平衡。

2.4 处理过程

2.4.1 第一次动平衡

从前述柔性转子的振动特性可知当转子存在三阶不平衡时，采用对称加重的方法虽然可能使这种不平衡得到一定的校正，但是灵敏度低，而且有可能破坏一阶不平衡。但因现场无充裕停机冷却时间，且只有发电机配重块到厂，故在發电机转子两端平衡槽进行了试加重，机组启动后有一定改善，但效果不理想。分析认为发电机主跨内加重对三阶不平衡影响小，故决定有停机机会时再次进行动平衡试验。

2.4.2 第二次动平衡

机组运行一段时间后利用停机机会对配重进行了调整，为了避免低-发对轮加重过多导致4瓦振动超标，在发电机跨内及外伸端（低-发对轮）同时进行了加重，实际加重为：低-发对轮700g;发电机5瓦侧720g，6瓦侧900g。加重后1号机组启动后顺利定速、并网带负荷。在过一阶临界时发电机振动较平衡前有所增大，但均在100μm以内，220MW有功负荷工况下各轴承轴振动均在80μm以内，各轴承瓦振均在20μm以内，完全满足安全运行要求。高速动平衡后各瓦轴振、瓦振见表3所示，5X、6X轴振动升速波德图分别见图4、图5。

3 结束语

大型汽轮发电机转子虽然在制造厂进行过单转子高速动平衡，但在现场连接成轴系后由于边界约束条件的变化仍可能出现轴系不平衡振动，对于工作转速高于二阶临界转速的发电机转子可呈现三阶不平衡振动，其特征是工作转速下前后轴承存在较大的同相振动分量。采取对称加重的方法虽然使这种不平衡得到一定的校正，但效果不理想，而且对机组的一阶平衡状态有所影响，不利于机组过临界振动，这时在发电机外伸端加重取得了很好的效果，经过现场高速动平衡处理后该机组振动值均在国家标准范围内，满足了安全运行的要求，所取得的振动治理经验对同型机组类似振动故障的诊断及现场处理有一定的借鉴意义。

参考文献：

[1] 寇胜利，汽轮发电机组振动及现场平衡[M].北京：中国电力出版社. 2007：174～175.

[2] 顾晃，汽轮发电机组振动与平衡[M].北京：水利电力出版社. 1989：55～56.

[3] 国家质量监督检验检疫总局，GB/T 11348.2-2007，《旋转机械转轴径向振动的测量和评定第2部分》[S]，北京：中国标准出版社2007：6～7.

[4] 施维新.汽轮发电机组振动及事故[M].北京：中国电力出版社. 2001：171～190.

[5] 王雪峰，秦萍，李东.发电机后轴承异常振动的诊断处理[J].山西电力，2006年（1）：28～29.

作者简介：

刘宗浩（1988-），男，山西太原人，2009年毕业于山西电力职业技术学院热能动力工程专业，助理工程师，现主要从事汽轮发电机及辅助设备附属机械安装施工技术工作。

（中国能源建设集团山西电力建设有限公司，山西 太原 030006）