汽轮机轴系平衡一次加准法.pdf
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1、轴轴系平衡一次加准法系平衡一次加准法施施维维新新(西安(西安热热工研究院有限公司,工研究院有限公司,陕陕西西 西安西安 710032)摘摘 要要:传统的轴系平衡方法,是首先在选定的几个平面上试加重,才能计算出应加平衡重量,一次加准法首次加重即为应加平衡重量。目前对于一般的轴系不平衡,一次加准的成功率可达 90%,其平衡效果优于,先在几个平面上分别试加后,计算加重的效果。轴系平衡技术一直较为神秘,目前由于技术保密等原因,加之轴系平衡长期主要依靠计算机完成,掩盖了平衡过程中的全面的分析、判断和计算等技术细节,因而这些内容在公开发表的文献中,很少涉及。平衡过程中的全面分析、判断和计算是一次加准法成功
2、的关键,通过对这些经验及数据的详细介绍,可为轴系平衡中,合理的选取加重平面、型式、确定平衡重量数值和方向,提供可靠方法,同时,有助于国内轴系平衡技术的交流和共享,促进轴系平衡技术水平的提高。关关键词键词:轴系平衡 一次加准法一、前言一、前言由长期现场消振资料统计得知,其中 90%的机组振动,特别是大机组的振动,是通过调整抽系平衡获得消振。大机组轴系平衡需起动整套机炉和相关的辅属设备,每次起动费用、耗时均很大,目前国内一般机组轴系平衡需起动 3-5 次,复杂 6-10 次,就燃油一项消耗,一般达 100T500T,因此掌握好轴系平衡技术不仅对于现场机组的消振,可以十拿九稳,成为出色的振动专家,而
3、且能给现场带来显著的经济和社会效益。平衡方法的选取,直接关系到机组起动次数和平衡效果,一次加准法可以使轴系平衡的机组起动次数减少到最低限度。国内提出一次加准法2已有十余年,本文是统计和汇总了 200 余台次,容量为 12660MW 机组轴系平衡数据,经过近十几年,100 多台次机组上的应用,不断改进和完善,目前对于一般的轴系不平衡,其成功率可达 90%,复杂的轴系不平衡,一次加准也有了良好的开端。国外虽早在 70 年代中已提出,直到 80 年代中,见有在单转子上应用的报导5-6,但直至目前,未见有在轴系平衡中成功应用的报导。本文将一次加准法成功应用的关键技术和数据作了详细介绍,这些技术和数据不
4、仅有助于一次加准法的推广应用,而且也为其它轴系平衡方法,提高平衡精度、减少机组起动次数提供了有效方法。二、二、轴轴系平衡方法的系平衡方法的选择选择轴系平衡方法的选取,是在获得原始振动和机组结构作出分析、判断之后,是每位轴系平衡工作者应考虑的问题,选取方法合理与否,直接关系到平衡效果、机组起动次数和成败,但许多平衡工作者,往往习惯于一种平衡方法。目前国内外使用的轴系平衡方法,按平衡工艺过程分,有以下三种方法:1、单转单转子平衡法子平衡法假定轴系各瓦不平衡振动,主要由各个转子独立引起,因此只要将各转子分别平衡好,可使整个轴系振动达到满意。尽管在计算某个转子平衡重量时也考虑了不同测点(轴瓦)和不同的
5、工况,但其平衡过程是对轴系中各转子分别逐个进行的。这种平衡方法最大优点是可使轴系平衡重量计算过程显著简化,计算精度相当高,因此对于简单的轴系不平衡,测点间振动相互影响较小的轴系,可以获得满意的平衡效果,但对于轴系中几个转子同时存在显著不平衡,相互影响大时,使用这种平衡法,轴系平衡过程会出现一定的反复。2、影响系数法、影响系数法国内自 70 年代中,国产 200MW、300MW 机组相继投产,普遍出现了复杂的轴系不平衡,使用原来单转子平衡法处理这些轴系不平衡,平衡过程出现了反复,开始采用多平面、分别试加重,列出线性联立方程或矛盾方程,求解这些方程,得到应加平衡重量。这种平衡方法实质上是将数学方法
6、引入了转子平衡领域,尽管它本身没有给转子平衡技术增添第 2 页 共 11 页新的内容,但通过求解方程可以取得选定平面上加重,对各测点振动获得综合平衡。从直观看,这是一种严密和合理的轴系平衡方法,但轴系平衡毕竟不是单纯的数学问题,更多的内容是工程实际应用,因此实际应用效果并不好,主要是计算结果误差太大,不仅是机组起停数次多,而且平衡效果往往不佳,产生这种现象的原因,主要是影响系数与实际存在较大偏差。从数学要求来说,轴系的影响系数是不可能测准,特别是对于不平衡响应高或低的轴系,在同一平面上,不同方向的加重,影响系数变化 1-2 倍,方向变化 50-100,是正常。由于通过多平面、多测点方程联合求解
7、,累积误差成倍增大,计算结果往往是数值巨大的错误加重,所以尽管不少振动专家,为测准影响系数和如何筛选作了许多研究,但未能从根本的上扭转影响系数法平衡重量计算误差太大的普遍现象。这种平衡方法的优点是对于不同型式的机组、不同类型的轴系不平衡和制造厂单转子平衡,可以采用固定的模式,不需要太多的转子平衡技术和现场经验,即可进行轴系平衡,因此受到了大多数人的欢迎。平衡效果,主要由轴系不平衡复杂程度、加重平面选取和振动数据取准与否决定,实际上现场大多数较简单的轴系不平衡,只要加重平面和试加重选取正确,使用影响系数法也可以获得较满意的平衡效果。但此时就平衡方法而言,已归属于单转子平衡法。3一次加准法一次加准
8、法这是吸取了单转子和影响系数法成功的经验,国内在 90 年代初提出的一种新的轴系平衡方法。它是依据转子临界转速、工作转速下关注测点振幅、相位、考虑带负荷下振动热变量,结合机组结构,对轴系不平衡作出判断、计算之后,采用一组加重,一次加到有关平面上,必要时作一次调整,可获得空负荷和带负荷下振动最佳折中。从近十年来现场使用效果来看,对于一般的轴系不平衡,一次加准的成功率可达 90%,加重准确性也可达 6070%。所谓一次加准成功,是指原来最大振幅降低 50%以上,其它测点振幅升高后轴振小于 100m,瓦振小于 50m,由此可达到轴系平衡最基本要求。加重的准确性是指加重实测残余振动与计算的残余振动接近
9、程度。这样的加重效果,优于先在几个平面上分别试加,然后求得最终平衡加重的传统的轴系平衡法。所以能获得这种加重效果,主要是依靠轴系不平衡轴向位置和转子不平衡型式、关注测点之间影响,以及平衡重量数值和方向的正确判断。这种平衡法优点,机组起停次数减到最少,计算方法简单、可靠,但平衡效果,主要由平衡工作者对方法的掌握,机组结构认识深入程度、轴系不平衡复杂与否决定,平衡步骤因轴系不平衡特性和机组结构不同而改变,因此,致使目前大多数人望而却步。下面具体讨论一次加准法应掌握的技术要点和经验。三、不平衡三、不平衡轴轴向位置和向位置和转转子不平衡型式判断子不平衡型式判断不论采用何种平衡方法,轴系平衡的第一步,首
10、先首先应对轴应对轴系不平衡系不平衡轴轴向位置和向位置和转转子不平衡型式,子不平衡型式,作出正确判断,作出正确判断,如果这一步失误,不仅直接导致一次加准法的失败,而且这次加重,对这一台机组和任何轴系平衡方法而言,都失去了试加重的价值。下面分别介绍转子临界转速和工作转速下,轴系不平衡轴向位置和转子不平衡型式判断方法。1 临临界界转转速下相速下相应阶应阶不平衡不平衡目前投运的汽轮发电机组轴系,临界转速下相应阶不平衡只有一阶和二阶两种型式。判断其不平衡型式及其轴向位置较为简单。根据临界转速下振动峰值、相位及其变化率和临界转速值,即可确定轴系中那一个转子存在那一种型式不平衡,例如在汽机高压转子一阶临界转
11、速下#1、#2 瓦轴振或瓦振出现显著峰值,说明高压转子存在显著的一阶不平衡,是永久不平衡,还是转轴碰磨暂时性热弯曲引起,还应作进一步判断,这种判断方法对转子二阶不平衡也适用。这两种型式不平衡均在转子主跨内。这里应指出,在判断转子二阶不平衡时,要注意支承转子的两个轴承动特征性差别,两个轴承是否都是刚性或柔性支承,否则从瓦振或轴振相位判断其不平衡型式会产生失误。转子一阶不平衡沿转子轴向分布,不论是近似均布,还是集中在两端、一端或中部,在转子中部一个平面或转子主跨内两个端面上加同相重量,都能有效地平衡一阶振动。转子二阶不平衡沿转子轴向分布,不论是集中在两端(反相),还是集中在一端,在转子主跨内,第
12、3 页 共 11 页两个端面上加反相重量,可以有效地平衡二阶振动。2工作工作转转速下速下轴轴系不平衡系不平衡工作转速下转系不平衡轴向位置和转子不平衡型式判断比较复杂,直至目前还没有形成有效的判断方法,因此在实际平衡中难免失误。其难点是各测点之间影响量值和方向,特别是响应高的轴系,判断难度更大,因此对机组结构型式应格外关注。目前判断依据主要是柔性转子不平衡特性和现场平衡经验的积累,其判断要点和步骤为:1)求取要平衡原始振求取要平衡原始振动动 A0t轴轴系平衡后要使空系平衡后要使空负负荷和荷和带负带负荷下振荷下振动动都都满满意,要平衡的原始振意,要平衡的原始振动动既不是既不是 3000r/min
13、下的原始下的原始振振动动,也不是,也不是满负满负荷下原始振荷下原始振动动,而是两者合理的折中,而是两者合理的折中值值,计计算公式算公式为为:A0t=A0+0.6At (1)式中:式中:A03000r/min 原始振原始振动动At振振动热变动热变量,量,At=AP-A0AP满负满负荷或某一荷或某一负负荷下原始振荷下原始振动动式中式中 0.6 是是经验经验分割系数,表示平衡后理想状分割系数,表示平衡后理想状态态,空,空负负荷下最小残余振荷下最小残余振动为动为 0.6At,满负满负荷下最小荷下最小残余振残余振动为动为 0.4At。按公式(按公式(1)求取每一关注)求取每一关注测测点要平衡原始振点要平
14、衡原始振动动 A0t,所,所谓谓关注关注测测点是点是 3000r/min 和和满负满负荷下原始荷下原始振振动动不不满满意及加重响意及加重响应较应较高的高的测测点,一般是关注点,一般是关注测测点愈多,点愈多,轴轴系不平衡愈是复系不平衡愈是复杂杂。2)判断转子不平衡型式及轴向位置目前运行的汽轮发电机组,在额定转速下,轴系不平衡型式及轴向位置,有以下四种:(1)转子二阶不平衡当支承转子的两个轴瓦或轴振反相分量较大时(转子两个支承动特性相近),说明该转子存大较大的二阶不平衡。这是工作转速下现场较容易平衡的一种不平衡分量,为为此,即使此,即使转转子某一个子某一个轴轴瓦振瓦振动动不大,只要两个不大,只要两
15、个轴轴瓦(瓦(轴轴振)反相分量振)反相分量较较大,首先考大,首先考虑虑加重平衡加重平衡这这种分量。种分量。(2)转子三阶不平衡当支承转子的两个轴瓦同相分量较大时,产生这种现象有两种可能。一是转子存在明显三阶不平衡,但就目前投运机组而言,这种现象只能在发电机转子上才有明显反映;二是转子外伸端存在显著不平衡,使转子振型畸变。在现场平衡转子三阶不平衡十分困难,因此平衡这种同相分量,不论是转子三阶不平衡引起,还是转子外伸端不平衡引起,首先考虑的是在转子外伸端加重平衡。(3)联轴器不平衡除带较长的接长轴的联轴器(国产 200MW 机组)外,其它机组联轴器存在明显不平衡时,相邻联轴器的两个轴瓦的瓦振或轴振
16、,会产生显著的同相振动,在两个轴瓦上引起振幅比值由其支承动刚度,联轴器刚度、不平衡距轴瓦距离决定(详见表 1.),在这两个轴瓦上呈现的振幅还与转子各自不平衡量及方向有关。联轴器不平衡对转子另一个轴瓦振幅比例,为相邻轴瓦 0.300.70,相位大部分是反相。(4)外伸悬壁端不平衡当轴系外伸端振动较大时,首先应排除联轴器错位和端面瓢偏产生的振动。引起#1 瓦和励磁机或永磁机后瓦不平衡的原因有两个,一是外伸悬壁端存在不平衡或在高速下转子产生了显著动挠曲;二是轴系平衡不合理,在轴系末端引起了显著挠曲。不论哪一种原因引起的不平衡振动,在外伸悬壁端加重可以使这些瓦振动获得有效平衡,但如果是轴系平衡不合理引
17、起,则加重平衡后会使其它测点振动的增大。四、关注四、关注测测点之点之间间振振动动影响影响轴系平衡与单转子平衡最大区别之一,轴系平衡必须考虑关注测点之间振动影响,否则整个轴系无法实现满意的平衡。一次加准法考虑关注测点之间影响,除吸收了单转子平衡法平衡重量计算简单可靠的经验外,同时还吸收了影响系数法综合平衡的原理,但不是矛盾方程的联合求解,而是选用适应该轴系不平衡的组合加重,从而简化了平衡重量计算过程,显著提高了多平面加重计算的正确性。第 4 页 共 11 页1 临临界界转转速下振速下振动动平衡临界转速下振动,为了提高平衡精度,首先应采用共振分离法,在一次升降速过程中可以连续记录轴系主要测点转子临
18、界转速下轴振、瓦振,依据临界转速下振幅和相位,进行加重可以达到很高的平衡精度。采用共振分离化不论是一阶还二是阶振动,在转子主跨内加一阶或二阶平衡重量,对支承转子的两个轴瓦振动可以获得有效的平衡,对临界转速下相邻测点振动减小,绝大多数情况下是有利的,如果平衡一阶振动在 3000r/min,引起两个轴瓦振动或相邻测点振动增大,其主要原因是所加一阶平衡重量两端比例关系没有分配好,在 3000r/min 下引起了明显的二阶不平衡所致。2工作工作转转速下振速下振动动确定工作转速下关注测点之间振动影响,目前有两种方法,一是直观判断法;二是影响系数计算分析法。1)直观判断法-直观判断法是在缺乏同型机组可靠的
19、影响系数情况下,依据机组结构、轴系平衡经验,直观近似地判断在选定的平面上加重,对关注测点的影响,实现关注测点振动综合平衡,以此获得更合理的加重平面、加重型式、加重数值和方向。工作转速下关注测点之间振动影响,主要受机组结构(轴系和本体)、支承刚度、加重平面轴向位置、加重型式、轴系不平衡灵敏度等诸多因素影响,不同型式机组测点之间振动影响差别甚大。从大量轴系平衡数据统计中可以得出以下量值和方向一般规律。(1)联轴器上加重这是轴系平衡中常用的加重平面,除国产 200MW 机组接长轴上可加一、二阶和单一加重外,其它联轴器有效加重只有单一加重。这一种加重对关注测点之间振动影响,决定于联轴器两端转子质量、联
20、轴器刚度、支承结构、加重平面与轴瓦之间距离,其影响关系是轴系各种加重中最为复杂的一种。由统计得知,其主要关系可归纳成表 1.所示。由表 1.可见,不同型式机组在联轴器上加重,对支承转子两个轴瓦影响,从统计来看,约 1/3 是同相,2/3 是反相,而且同一台机组,不同的时间(相隔较长)加重,对支承转子的两个轴瓦振动影响,有时同相,有时反相。目前使用的大部分是刚性联轴器,在少数机组的轴系中,还有一种波形节联轴器,在这种联轴器上加重,加重在刚性侧影响,与表 1.基本一致,对柔性一侧的影响,只有表 1.对应的 0.300.50,即经波形联轴器振幅衰减了 50%70%。(2)转子跨内加二阶平衡重量300
21、0r/min 下转子加二阶平衡重量,对关注测点的影响,主要取决于于相邻转子质量,联轴器刚度、相邻轴承座结构、支承动刚度,其影响关系较联轴器上加重简单,其主要规律可归纳为表 2.所示。(3)外伸悬壁端加重#1 瓦外伸端加重,主要平衡的支承动反力,对#2 瓦影响为反相,量值为 0.40.8;励磁机或永磁机外伸端加重,随外伸悬壁长度增加,加重平衡转子挠曲效果愈是显著,因此对降低后瓦轴振十分明显,对前瓦轴振影响只有后瓦 0.10.30。3影响系数影响系数计计算分析法算分析法经 10 年或更长一点时间,可以将国内或一个地区主要型式机组、不同加重平面、各种基本加重或一部分组合加重的影响系数,有了较完整、规
22、范的积累,可以通过下式计算步骤取得选定平面上加重,对关注测点之间振动影响量值、方向的关系。(1)求取平衡关注测点应加平衡重量 Q11011tAQ12022tAQ (2)第 5 页 共 11 页nntnAQ10式中:、平衡关注测点应加平衡重量;1Q2Q2Q、测点 1、2n 需平衡的原始振动;tA01tA02ntA0、影响系数,注脚第一位数表示平面编号,第二位数表示测点编号,例1112n1如,表示第一平面上加重或第一种加重型式对测点 2 的影响系数。12这里的影响系数,不仅包括了传统的一个平面上加单一重量,和转子上加与转子振型符合的加重型式测得的影响系数,而且还包括轴系中加不同型式组合加重的影响系
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