火力发电厂刚性转子的现场动平衡技术.pdf

第3 2卷 第 1 2期 2 01 0年 1 2月 华 电 技 术 Hua d i a n T e c h n o l o g y Vo 1 ． 3 2 No． 1 2 De c ． 2 0l 0 火力发 电厂刚性转子 的现场动平衡技术 曹景芳 ， 李生伟 华电国际邹县发电厂， 山东 邹城2 7 3 5 2 2 摘要 介绍了火力发电厂刚性转子 的概念和划分依据 ， 分析 了转子不平衡故障产生的原因， 论述 了不平衡故障的分类 、 特征及刚性转子现场找动平衡的方法。列举实例 ， 对现场动平衡处理的工作经验进行 了总结。 关键词 刚性转 子； 动不平衡故障 ； 动平衡技术 ； 影响系数法 中图分类号 0 3 1 7 T M 6 2 1 文献标志码 A 文章编号 1 6 7 41 9 5 1 2 0 1 0 1 2 0 0 3 4 0 3 1 问题 的提 出 在大型火力发电厂 中， 异常振动为电厂旋转类 主要辅助设备的常见故障， 引起旋转设备振动异常 的原因较多 如不平衡 、 不对中、 松动 、 转子弯曲、 转 子摩擦 、 共振和轴承故障等 ， 其 中不平衡是旋转设 备故障的最常见原因。在作者处理过的异常振动实 例中， 不平衡约占故障总数 的 7 0 ％ 以上 ， 在排粉机、 一 次风机 、 吸风机 、 增压风机中尤为常见。不断发展 的振动加剧轴承损坏 ， 引起轴承温升， 最终使生产被 迫中断。而这些旋转类主要辅助设备的配置， 往往 与生产主体设备“ 一对一” 相配， 直接影响机组的负 荷 。一旦旋转设备因不平衡因素所引起的振动而被 迫停运 ， 拆卸转子要进行离机平衡时 ， 需要进行揭 盖、 拆卸和运输转子， 检修时间长 、 工序复杂且费用 高， 这些因素对吸风机、 增压风机等大型转子影响较 大 ， 在处理过程中往往需要停机很长时间， 严重影响 机组负荷率。因此， 在火力发电厂中， 掌握大型旋转 设备的现场动平衡技术 ， 缩短检修时间就显得非常 重要。在华 电国际邹县 发电厂 以下简称邹县 电 厂 ， 这些旋转类 主要辅助设备的转子大多为刚性 转子 ， 因而掌握刚性转子的现场动平衡技术对解决 设备不平衡问题非常实用。 2刚 柔 性转子概念和划分依据 根据工作状态和力学特性 ， 转子可以分为刚性 转子和柔性转子。直观地讲， 刚性转子的刚度较大， 在整个转速范围内， 转子没有变形或变形量很小 ， 可 以忽略。柔性转子 的刚度较小， 在一定转速和动载 荷作用下 ， 转子有变形或必须 考虑变形量 的影响。 实际上， 转子不 可能绝对刚性 ， 只不过 当转速较低 时， 转子上不平衡引起 的动载荷较小 ， 其变形可 以忽 收稿 日期 2 0 1 0 0 6 0 4 略不计 。 刚性转子和柔性转子的划分没有绝对依据， 工 程上通常以临界转速为分界线。把工作转速高于临 界转速的转子称为柔性转子 ， 把工作转速低于临界 转速的转子称为刚性转子。有的文献给出的划分标 准更严格， 把工作转速低于 5 0 ％临界转速的转子定 义为刚性转子， 其他都称为柔性转子。在邹县发 电 厂中， 排粉机 、 一次风机 、 吸风机、 送风机和增压风机 等大型风机多为刚性转子。 3 产生不平衡故 障的主要原 因 1 转子结构不对称。 2 材质不均匀且有制造误差和安装误差。 3 运行中零 、 部件的变形和移位。 4 运行中零、 部件 的结垢。例如一次风机、 吸 风机和增压风机在运行 中容易积灰， 由于积灰不匀 ， 在清灰过程中， 引起质量分布不均匀， 易出现不平衡。 5 运行中零 、 部件的磨损。近年来 ， 由于煤质 变差， 对排粉机叶轮的磨损较大 ， 排粉机出现不平衡 的频率较高。如邹县 电厂一期 、 二期设备排粉机由 于磨损， 2年中进行了十几次动平衡处理 。 4 不平衡故 障分类和特征 转子不平衡故障所具有的典型特征如下 1 在一定转速下 ， 振动 幅值和相位稳定 ， 与负 荷 、 电流 等参数无 关 。 2 振动频率主要是 1转速频率且具有较高 的径 向振 动 。 3 时域波形近似为正弦波。 4 轴心轨迹为椭圆形。 5 当故障仅 限于不平衡时， 1 x转速频率的振 动尖峰 的幅值 通 常大于 或等 于振动 总 量幅值 的 8 0 ％ 如果除 了不平衡外还有其他故障， 则可能仅 为振动总量幅值的 5 0 ％到 8 0 ％ 。 第 1 2期 曹景芳 ， 等 火力发 电厂刚性转子的现场动平衡技术 3 5 6 水平方 向振动通常略大于垂 直方 向振动 ， 一 般 为 2～3 倍 。 7 不平衡对转速 的变化最敏感 与转速平方 成正 比 。 8 水平和垂直方向的相位相差 9 0 。 。 4 ． 1静不平 衡 静不平衡就是质量 中心线离开和平行于轴中心 线的一种状态 ， 呈现如下 4项特征 1 产生 1 转速频率大小的径向振动。 2 在静不平衡情况下 ， 外侧水 平方 向振动相 位等于同一轴上 内侧水平方 向振动相位 。同样 ， 同 一 轴上外侧轴承的垂直方向振动相位也近似等于内 侧轴承的垂直方向振动相位。 3 内侧和外侧轴承水平方向振动相位差应该 大致等于内侧和外侧轴承垂直方向振动相位差。 4 只需在通过转子重心的单一平面内加一个 反作用的重量便可修正。 4 ． 2力偶静不平衡 力偶不平衡就是质量中心线离开与轴几何 中心 线轴线相交于转子 的重心处的一种状态 ， 呈现如下 2项特 征 1 产生 1 X转速频率大小 的径 向振动 ， 一个轴 承座上的振动可能略大于另一侧轴承座上 的振动。 2 内侧和外侧轴承座上水平方向振动相位差 近似为 1 8 0 。 ； 同样， 内侧和外侧轴承座上垂直方 向 振动相位差约为 1 8 0 。 。 4 ． 3动不平衡 动不平衡就是质量中心线与轴几何轴 中心线既 不平行也不相交的状态。基本上是静不平衡和力偶 不平衡两者的组合 ， 呈现如下 4项特征 1 产生 1 转速频率大小的径向振动 ， 但在外 侧轴承座上的振动幅值与在内测轴承座上的振动幅 值略不相同。 2 在一定转速下 ， 振动幅值和相位稳定 。 3 内侧和外侧轴承水平方 向振动相位差应该 大致等于垂直方向振动相位差。 4 至少需要 2个平衡面才能修正。 4 ． 4 悬臂转子不平衡 所谓悬臂转子是指被驱动转子位于 2个轴承的 外侧 ， 呈现如下 4项特征 1 产生 1 转速频率大小的径向和轴 向振动 ， 轴向振动等于或大于径向振动幅值 。 2 轴向相位稳定 ， 而径向相位会有变化。 3 轴向相位读数通常是相 同的。 4 平衡可能需要轴向相位 的读数。 5 刚性转子的动平衡 方法 5 ． 1 振幅平衡法 动平衡 中只测振幅， 一般采用 的方法有试加重 量周移法 、 三点法和二点法。通常使用为三点法， 优 点是简单易学 ， 为大多数检修班组所掌握 ， 缺点是不 太准确 ， 设备启 、 停次数多 ， 在此不再赘述 。 5 ． 2 影 响 系数法 在某一转速下 ， 在转子 的某一加重平面加上单 位质量 ， 引起某轴承的某个方向振动的变化 ， 称为在 该转速时这一平面加重对这一轴承这一方向的振动 影响系数 。影响系数反映 了转子 的不平衡灵敏度。 根据平衡面数 的不 同， 又可分为单平 面影响系数法 和双平面影响系数法 2种 。 5 ． 2 ． 1 单平面影响系数法步骤 1 转子不加重 ， 第 1次启动至额定转速或选 定转速 ， 测取原始振动 A 。 。 2 在转子上试加质量 m 。 试加质量 m 的数值 由经验公式求得 mPA0 m， g ／ r S ， 1 式中 m 为转子某一侧 断面上试加质量 ， k g ； A。为 转子某一侧轴承的原始振幅， m； r 为转子半径 ， m； 为平衡时转子角速度 ， r a d ／ s ； m 为转子质量， k g ； g 为重力加速度 ， m ／ s ； ．s 为灵敏系数 ， 由表 1 选取。 表 1 刚性转子试加重量 的灵敏 系数 而试加角度求得 o一日1 8 0 。， 2 式 中 卢为试加角度 ， 。 ； ％ 为转子某一侧轴 承的 原始相位 ， 。 ； 为机械滞后角， 。 。 3 第 2次启 动转子， 升至额定转速或选定转 速 ， 测取振动 A． 。 4 转子上应加平衡质量 m0一 Ao mP ／ Al Ao 。 3 转子上试加重量所产生的振动矢量或加重效应 A A A1 一 A 0 。 4 影响系数 △ A ／ P 。 5 平衡 质量 mo 一 Ao ／ a 。 6 说明 振动有幅值 和相位 ， 加重有质量和角度， 两 者都是矢 量 。 上述除式 1 、 式 2 外 ， 所有加 、 3 6 华 电技 术 第 3 2卷 减 、 乘、 除计算都要采用矢量运算法则 。 5 ． 2 ． 2 双平面影响系数法原理及步骤 1 转子不加重 ， 第 1次启动至额定转速测量 两轴承原始振动的幅值和相位 A 。 ， 。 。 2 将 P 加到平面 I 上 ， 第 2次启动至额定转 速测量幅值和相位 A。 ， ， 。 3 取下 P。 ， 将 P 加到平面 Ⅱ上， 第 3次启动 至额定转速测量幅值和相位 A 。 。 4 计算影响系数。 I 平面上加重， 对 A， B 2轴承的影响系数 I I A0 I Ao ／ P I ， ⋯ l 2 曰 0 】 一 B 0 ／ P l 。 Ⅱ平面上加重 ， 对 A， B 2轴承的影响系数 2 l A。 2一 A。 ／ JP 2 ， f 8 2 2 曰o 2 一 0 ／ P 2 。 假设 I， Ⅱ平面上应加平衡质量 ， 如图 1所示 。 为使平衡后两轴承残余振动为 0 ， 在 A轴承上产生 的振动与原始振动矢量和应为。同样 ， 在 B轴承上 产生的振动与原始振动矢量和应为 0 。即 1 1 Q I 2 1 mQ 2Ao 0 ， rq、 mo l 2 Ao 一 】 B0 ／ 2 l a l J t lt2 2 ， l 2 m Q 1 2 2 m 0 2B00 ， mQ 2 1 l B o 1 2 A0 ／ l 2 1 71 2 l 一 l l r e 2 2 ， 若令 A0 I l 2 2一 l 2 2 1 ， A 1 2 l B 0 一 2 2 A0 ， 1 0 ／12 1 2 A0一 I 1 B0， 则 有 Q l△1 ／ △0 ， f 1 1 m o 2／ 1 2 ／／ 1 0 。 说明 振动有幅值和相位 ， 加重有质量和角度， 两者都是矢量。上述所有加 、 减 、 乘、 除计算都要采 用矢量运算法则。 图 1 平衡刚性转子加重 平面选取 6 现场动平衡 实际工作 中的注意事项 6 ． 1 动不平衡故障的确定 进行动平衡试验之前 ， 必须判明设备振动异常 的原因。对于那些不是 因不平衡引起 的振动故障， 虽然采用动平衡方法有时也能取得一定效果 ， 但往 往动平衡工作开展得较为困难且加重量偏大。时间 稍长 ， 振动又会发生变化 ， 效果不是很好。 案例 1 。作 者在 2 0 0 9年曾处理过 1台 M 5 3 61 1 N o ． 2 0 1 ／ 2 D型排粉机振动异常情况。在 13 常振动监测中， 发现该机驱动端轴承出现故障 ， 但振 动并未超标 ， 最大处为 6 8 Ix m 振动位移合格标准为 8 0 m 。此后又进行 了跟踪监测 ， 一直未有不平衡 特征出现， 但轴承异常情况进一步发展。4个月后 ， 驱动侧轴承温度由3 5 ． 8 q C突升至 5 5 ． 1 ℃且继续上 升， 检查轴承油位及轴承冷却水正常 ， 停运设备对驱 动端轴承进行解体检查， 发现驱动端轴承损坏。在 更换新轴承后 ， 开启试运后出现振动异常， 振动最大 处振幅高达 2 0 9 ． 5 Ix m。通过对测量图谱进行分析 ， 发现其存在松动特征 ， 动不平衡特征并不明显且叶 轮未更换 ， 在检修前未有不平衡特征 出现 ， 故建议检 查轴承各部位间隙是否合格。检修方考虑到此轴承 为新轴承 ， 要求直接进行动平衡处理。在一次增加 配重块 2 6 0g 后 ， 振动最大值减小至 】 1 9 m， 与加重 前相比， 振动最大处减小了 9 0 m， 但加重前后相位 变化不大 ， 从测量图谱分析 ， 松动特征进一步明显。 由于振动值减小 ， 检修方要求继续进行动平衡处理 ， 在第 1次加重位置再次增加配重块 1 8 0 g ， 开启后振 动值合格 ， 振动最大处为 6 5 m。但运行 4 h后 ， 轴 承温度再次升高， 停运对轴承进行 了测量 ， 发现游隙 超标 ， 更换合格轴承并将所加 4 4 0 g配重块去除后 ， 该排粉机开启后振动合格 ， 振动幅值最大不超过 5 0 I, z m， 轴承温度正常。 6 ． 2刚性转子平衡面数的确定 平衡面数的确定是正确平衡 的第 1 步。要求用 双面平衡的转子而用单面平衡 ， 效果就不好。因此， 正确选择平衡面数很重要。决定平衡面数主要有 以 下 2种方法 1 从相位判断上决定。首先用相位来判断是 静不平衡还是动不平衡 ， 在此基础上， 静不平衡采用 单面平衡 ， 动不平衡采用双面平衡。 2 直径宽度比“ 准则” 。如果刚性转子的直径 大于其宽度的4倍， 建议采用单面平衡 ； 如果直径小 于宽度的 4倍 ， 建议进行双面平衡 。转子直径 D与 宽度 b的比值 ≥4 ， 可作 为进行单 面平衡 的条件规 定 ， 但也不能绝对化， 因为转子进行何种平衡还要考 虑转子的工作转速。 6 ． 3选取合 适的机械 滞后 角及影 晌 系数 准确的影响系数和机械滞后角是高效动平衡的 关键。在进行试加重时， 如果选取合适的机械滞后 角及影响系数就能大大降低原始振动， 有利于调整 重量 的计算 。 当知道较 准确 的机械 下转第3 9 页 第 l 2期 程文光， 等 新型卸料小车的设计特点 3 9 同时卸料或中间卸料 。 3 运行平稳 。新型卸料车采用了 P L C和变频 器技术 ， 整个卸料车运行平稳 ， 安全可靠。 4 结构合理。新型卸料车采用了 6轮平衡梁 结构 ， 与一般的整体结构相 比， 既减小 了轮压 ， 又减 轻 了振动 。 5 密封性好 。该新型卸料小车头部及溜槽体 采用全密封结构 ， 且增加了 1 套除尘装置 ， 粉尘通过 布袋除尘器吸走 ， 避免粉尘飞扬造成环境污染 ， 满足 环保要求 ， 此为一般传统卸料小车、 犁式卸料器等其 他皮带机卸料设备所不能达到的。 6 提高工效。新 型卸 料车运行平稳 ， 物料在 输送带上的堆积截面积增大 ， 带速提高 ， 使输送量相 对增 大 。 7 增加效益。新 型卸料车操作简单 ， 运营费 用低 ， 可稳定地提高用户的经济效益。 8 延长寿命。由于输送皮带通过新型卸料车 与皮带机 自身运动几乎一样 ， 所以， 与犁式卸料器等 其他卸料设备 比较 ， 延长了输送带 的使用寿命。 6 结束语 新型卸料小车是针对山西王曲电厂的具体条件 而设计的 ， 该设计可供其他工程 同类产 品设计时参 考 。从新型卸料小 车 目前的运行情况来看 ， 其安全 性和可靠性均达到了预期 的设计 目标 。同其他皮带 机卸料设备比较 ， 该工程设计的新型卸料小车在电 力 、 煤炭 、 粮食 、 冶金 、 化工、 港 口及建材等储运场所 能够代替犁式卸料器和其 他皮带机卸料设备 ， 其使 用范围更加广泛。 参考文献 [ 1 ] J B ／ T 7 0 1 5 --2 0 1 0 ， 回转式翻车机 [ S ] ． [ 2 ] 国电太原第一 热电厂． 3 0 0 Mw 热 电联产机组 技术丛 书 输煤 系统 和设 备[ M] ． 北 京 中国电力 出版社 ， 2 0 0 8 ． [ 3 ] 中国华电工程 集团 有限公司， 上海发电设备成套设计 研究院． 大型火电设备手册 输煤系统设备[ M] ． 北京 中国电力 出版社 ， 2 0 0 8 ． [ 4 ] 赵亮 ， 张涛， 曾繁辉．C F H一Ⅱ型侧倾式翻车机控制系统 改造 [ J ] ． 华 电技术 ， 2 0 1 0 ， 3 2 1 5 8 6 3 ． 编辑 王 书平 作者简 介 程文光 1 9 7 8 一 ， 男 ， 河南 X l 4 ,1 1 人 ， 助理工 程师 ， 从事 电 厂辅机设备设计方 面的工作 。 赵海燕 1 9 7 7 一 ， 女 ， 河南 开封人 ， 助理工 程师 ， 从事 电 厂辅机设备设计方面 的工作 。 吴俊峰 1 9 8 2 一 ， 男 ， 河南 禹州人 ， 工程 师， 从事 电厂辅 机设备设计方面 的工作 。 ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ●● ● ●- c ● ●● ●◇● ● ●o。0● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ●● 上接第 3 6页 滞后角及影响系数时 ， 可实现一次 加重成功。通常对于不同的机组或转子 ， 机械滞后 角及影响系数数值不 同， 但 同类型机组或转子的同 一 类振型加重机械滞后角及影响系数数值有一定的 规律性。因此 ， 机械滞后角及影响系数需通过现场 加重实践不断积累， 在很大程度上认为是经验数值 。 邹县发电厂在一期 、 二期排粉机 ， 三期一次风机设备 的动平衡试验中， 积累了丰富的经验 ， 该厂 目前对排 粉风机 、 一次风机因动不平衡 因素引起 的振动异常 故障进行动平衡处理时基本上一次加重即可成功。 案例 2 。某 A Z ／ 1 1 2 2 ／ 0型一次风机 ， 工作转速 为 1 4 8 5 r ／ ra i n 。该机在运行 中由于积灰不匀引起振 动异常 ， 从测量图谱及相位数据分析为标准的静不 平衡 ， 建议检修方进行彻底清灰处理。但 由于积灰 较多且较硬 ， 清理难度大 ， 部分位置人工清理不到 ， 又因网上负荷 紧张， 该设备停运时问很短 ， 未能彻底 清灰。在清灰试运后发现 振动幅值不降反升 ， 从清 灰前最大 1 2 2 m增大至 2 0 0 m。从测量 的图谱及 相位数据分析中可以看 出， 引起振动异常的原因为 明显的静不平衡 ， 决定进行动平衡处理 。加重位置 在叶轮中间的肋板上 ， 一次增加配重块 3 0 0 g后 ， 振 动最大处振动幅值降为 4 1 m。 6 ． 4 现场实际动平衡 时方向的确定 进行现场动平衡时 ， 一般以转子正常运行时实 际转动方向为正， 计算 出的加重角度从键相标记逆 转向测量。 参考文献 [ 1 ] 施维新． 汽轮发电机组振动及事故[ M] ． 北京 中国电力 出版社 ， 1 9 9 8 ． [ 2 ] 陈长征， 胡立新， 周勃 ， 等． 设备振动分析与故障诊断技 术 [ M] ． 北京 科学 出版社 ， 2 0 0 7 ． [ 3 ] 牛学玲． 汽轮发 电机组现场高 速动平衡试验 [ J ] ． 华 电技 术 ， 2 0 0 9 ， 3 1 3 2 7 2 9 ． [ 4 ] 安胜利， 杨黎明． 转子现场动平衡技术 [ M] ． 北京 国防 工业 出版社 ， 2 0 0 7 ． [ 5 ] 王继弘． 3 0 0MW 汽轮发 电机组 突 发性低 频振 动原 因分 析及处理 [ J ] ． 华 电技术 ， 2 0 0 9 ， 3 1 6 2 7 3 1 ． 编辑 王 书平 作者简介 曹景芳 1 9 7 6 一 ， 女 ， 山东汶上 人 ， 工 程师 ， 从事振 动诊 断与分析方面的工作。 李生伟 1 9 7 4 一 ， 男 ， 山东微 山人 ， 工 程师 ， 从事 生产技 术管理方面的工作。