陳 偉，高傳寶，王 輝

(株洲航發(fā)動科南方燃氣輪機有限公司，湖南 株洲 412000)

隨著國內(nèi)西門子燃氣輪機數(shù)量的增多，本公司直接銷售的西門子工業(yè)燃氣輪機已超過30套。燃氣輪機運行過程中振動值一直是燃氣輪機運行的重要指標。燃氣輪機振動好壞直接影響燃氣輪機的壽命，嚴重者可能直接造成燃氣輪機損壞。造成燃氣輪機振動異常的因素很多，例如：轉(zhuǎn)子動平衡發(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轉(zhuǎn)子平衡發(fā)生變化造成的，例如：燃氣輪機與其他輔助驅(qū)動設(shè)備相連后會影響軸系的平衡；隨著燃氣輪機運行時間的增長，渦輪轉(zhuǎn)子葉片的熱腐蝕也會影響轉(zhuǎn)子動平衡。因此通過對燃氣輪機現(xiàn)場動平衡解決或優(yōu)化燃氣輪機的振動問題是非常有必要的，不僅能優(yōu)化燃氣輪機的運行狀態(tài)，提高燃氣輪機的運行壽命，還能通過現(xiàn)場動平衡解決一些因燃氣輪機振動無法正常運行設(shè)備的故障，保證客戶的效益。

1 故障現(xiàn)象

西門子某型燃氣輪機發(fā)電機組在停機后，重新起動燃氣輪機過程中，動力渦輪輸出端振動值隨轉(zhuǎn)速上升不斷增高，到達額定轉(zhuǎn)速后振動值超過50 μm(P-P)(P-P表明在測量方向上位移量的峰峰值)，并網(wǎng)一瞬間燃氣輪機振動值急劇上升，燃氣輪機由于振動超標跳停。停機后燃氣輪機冷轉(zhuǎn)正常，振動值無明顯變化。

2 原因分析

影響燃氣輪機振動的因素較多[1]，主要體現(xiàn)在：

1) 燃氣輪機與齒輪箱同心度發(fā)生變化

經(jīng)現(xiàn)場檢查燃氣輪機和齒輪箱之間的同心度滿足設(shè)計要求，且燃氣輪機與齒輪箱的固定螺栓未見松動。

2) 燃氣輪機轉(zhuǎn)子動平衡發(fā)生變化

燃氣輪機冷轉(zhuǎn)正常，冷轉(zhuǎn)時振動值正常。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) 燃氣輪機軸瓦磨損

查看燃氣輪機運行曲線，發(fā)現(xiàn)在停機過程中與燃氣輪機起動過程中，軸瓦溫度正常。

4) 燃氣輪機滑油供油壓力與溫度發(fā)生變化

查看燃氣輪機運行曲線，發(fā)現(xiàn)燃氣輪機運行和起動過程中，燃氣輪機滑油供油壓力與溫度都正常。

5) 燃氣輪機軸瓦密封發(fā)生變化

查看燃氣輪機運行曲線，發(fā)現(xiàn)燃氣輪機儀表風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，且燃氣輪機運行已接近20 000 h，分析出最有可能導致燃氣輪機振動大的原因為燃氣輪機轉(zhuǎn)子渦輪葉片長期運行在高溫環(huán)境中產(chǎn)生熱腐蝕，導致燃氣輪機轉(zhuǎn)子產(chǎn)生了較大的不平衡量，從而出現(xiàn)燃氣輪機振動高的故障。故障原因分析出后，決定對燃氣輪機轉(zhuǎn)子進行現(xiàn)場動平衡。

3 動平衡計算理論依據(jù)

西門子某燃氣輪機在輸出軸聯(lián)軸器上設(shè)有配重孔，可以進行現(xiàn)場動平衡，如圖1所示。

圖1 燃氣輪機輸出軸聯(lián)軸器上的配重孔

應(yīng)用現(xiàn)有的理論計算方法在現(xiàn)場對燃氣輪機進行現(xiàn)場動平衡[2-3]?，F(xiàn)將兩種最常用的計算方法總結(jié)如下。

3.1 計算方法一

此方法需要轉(zhuǎn)動四次：第一次動平衡之前現(xiàn)有的測量振動值Vi；第二次在0°配重孔中加入已知的配重塊(試重塊)轉(zhuǎn)動，得出振動值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，得出振動值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，得到振動值V2。此方法具體計算過程用已有的實驗數(shù)據(jù)總結(jié)如下：

第一次轉(zhuǎn)動：動平衡之前現(xiàn)有的測量振動值Vi，此時測量的振動值為Vi=100 μm(P-P)。如圖2所示，以坐標原點為圓心、以Vi為半徑畫一個圓。

圖2 以Vi為半徑畫圓

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

圖3 以V0為半徑畫圓

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

圖4 以V1為半徑畫圓

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

圖5 以V2為半徑畫圓

此時V0、V1與V2三個圓會形成交集，如圖6所示，陰影部分為交集，在形成交集中心區(qū)域取一點與坐標原點相連，此線段標記為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°。此時可以計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∠θ=246°沒有合適的配重孔(225°<θ< 247.5°),由于振動值是矢量，可以通過矢量分解計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，裝置振動值變得很小，動平衡結(jié)束。

3.2 計算方法二

此計算方法需要轉(zhuǎn)動三次：第一次以動平衡之前現(xiàn)有的測量振動值，得出初始振動值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，得出振動值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，得出振動值C或B。第二次轉(zhuǎn)動與第三次轉(zhuǎn)動測量振動值大者為B，小者為C。此方法具體計算過程用已有的實驗數(shù)據(jù)總結(jié)如下：

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

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

第三次轉(zhuǎn)動：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，此時測量的振動值為65 μm(P-P)。

第二次轉(zhuǎn)動與第三次轉(zhuǎn)動振動值較大的定義為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，以線段兩端做原點畫圓弧，左側(cè)端點圓弧半徑為B，右側(cè)端點圓弧半徑為C，連接圓弧交點與線段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與邊2A的左邊端點，得到三角形AACCD。

圖8 計算方法二示意圖

此時可以通過測量得出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)用此種計算方法在上述燃氣輪機故障電站中進行現(xiàn)場動平衡效果顯著，動平衡之前開機過程中，燃氣輪機到達額定轉(zhuǎn)速11 000 r/min時，UD13X1(UD13X1表示西門子燃氣輪機動力渦輪輸出端軸承在X方向的1號振動探頭)振動值最高74.95 μm(P-P)，燃氣輪機無法并網(wǎng)發(fā)電，如圖9所示。

圖9 動平衡之前額定轉(zhuǎn)速下UD13X1曲線

現(xiàn)場進行動平衡后，在配重孔(如圖1所示)增加配重塊后，開機振動值很好，并網(wǎng)發(fā)電功率(GCP25是西門子燃氣輪機功率的代號，圖10曲線GCP25就是發(fā)電機功率)4 500 kW時UD13X1振動值很小(17 μm(P-P))，如圖10所示。

圖10 動平衡后功率4 500 kW UD13X1振動值17μm(P-P)

5 結(jié)論

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