SGT5-4000F型燃气轮机转子高速动平衡工艺

SGT5 4000F 型燃气轮机转子高速动平衡工艺型燃气轮机转子高速动平衡工艺 张国永 1 2 陈富新2 许雄国2 李道云2 张岳飞1 2 1 上海交通大学机械与动力工程学院 上海 200240 2 上海电气电站设备有限公司上海汽轮机厂 上海 200240 摘要 摘要 介绍了 SGT5 4000F 型燃气轮机转子特点 根据上海汽轮机厂动平衡设备特点及挠性 转子动平衡原理 提出合理的 SGT5 4000F 型燃气轮机转子高速动平衡工艺方案 并 以实例进行阐述 关键词 关键词 转子 动平衡工艺 燃气轮机 中图分类号 文献标识码 文章编号 High Speed Balance Process of SGT5 4000F Gas Turbine Rotor ZHANG Guo yong1 2 CHEN Fu xin2 XU Xiong guo2 LI Dao yun2 ZHANG Yue fei1 2 1 School of Mechanical Engineering Shanghai Jiaotong University Shanghai 200240 China 2 Shanghai Electric Power Generation Equipment Co Ltd Shanghai Turbine Plant Shanghai 200240 China Abstract The features of SGT5 4000F gas turbine rotor are introduced According to the features of the balance facilities in Shanghai Turbine Plant and the balance theories of flexible rotor a proper high speed balance process for the SGT5 4000F gas turbine rotor is proposed The process is described with actual data Key words Rotor Balance Process Gas Turbine 收稿日期 作者简介 张国永 1980 男 工程师 2003 年毕业于重庆大学机械设计制造及其自动化专业 现攻 读上海交通大学机械工程工程硕士 目前在上海汽轮机厂工艺处从事总装工艺开发工作 0 0 引言引言 重型燃气轮机是 21 世纪动力设备的核心 燃气轮机联合循环技术是目前世界上标志一 个国家工业基础先进程度的关键技术 在燃机联合循环第二捆中标项目中 上海电气从西门 子引进了 F 级燃气轮机技术 并陆续开始国产化制造 在消化吸收引进技术的基础上 有计 划地开展新技术 新工艺 新材料的攻关 1 西门子 SGT5 4000F 型燃气轮机的转子高速动 平衡技术是此次国产化制造的关键技术 也是工艺技术攻关的重点 本文从西门子 SGT5 4000F 型燃气轮机转子的结构特点及挠性转子的动平衡原理研究出 发 结合上海汽轮机厂动平衡室设备的特性 根据设计意图及要求 选用恰当的工艺方法对 该转子进行高速动平衡 1 1 SGT5 4000FSGT5 4000F 型燃气轮机转子特点及动平衡要求型燃气轮机转子特点及动平衡要求 该转子采用两个轴承支承 由 15 级压气机叶轮和 4 级透平叶轮组成 叶轮之间通过 Hirth 齿啮合 再通过中心拉杆轴向固紧 采用中空轴结构 具有转动平稳 冷却方式绝佳等 特点 有利于机组快速启动 能在 6 分钟内达到额定转速 4 转子总重 80 吨 总长 9742mm 叶片最大外径 3208mm 两个轴承间距 8446mm 额定转速 3000r min 一阶临界 转速 1370r min 二阶临界转速 3400r min 运行时沿气流方向看去为逆时针旋转 转子的中 心拉杆直径仅 280mm 整个转子的重量几乎全部作用在如此细长的中心拉杆上 静挠度较大 整根转子的结构如图 1 所示 图 1 SGT5 4000F 型燃气轮机转子结构示意图 为实现 第一次完成动平衡后 在检修期间拆装轮盘不用再做动平衡 4 其动平衡精 度要求非常高 在动平衡机上测得的振动速度具体要求如表 1 所示 额定转速下的振动速度 要求仅为 ISO2372 所推荐的 良好 品质界限值 1 8mm s 5 的 36 表 1 SGT5 4000F 型燃气轮机转子动平衡技术要求 转子转速振动速度要求 额定转速 3000r min 0 64mm s 临界转速 1370r min 0 88mm s 2400r min 3000r min 0 88mm s 其余转速 1 68mm s 2 2 上海汽轮机厂动平衡设备特点上海汽轮机厂动平衡设备特点 上海汽轮机厂的高速动平衡室于 2006 年 1 月进行改造 改造后采用一台汽轮机作为拖 动动力 其最大功率为 8MW 最高转速可达 4320r min 设置有倒车档以适合高速动平衡试 验频繁启停的需要 倒车最长允许时间为 15 分钟 此外 该机组配有电动盘车设备 盘车 速度为 7 2r min 3 动平衡系统采用申克 CAB690 系统 动平衡摆架型号为 DG200 支承刚度 3000 5440N m 动平衡真空室的真空度可达 133Pa 可用于重 8 吨至 105 吨 50Hz 或 60Hz 的汽轮机或燃气轮机转子做低速动平衡 高速动平衡及超速试验 3 3 挠性转子动平衡的基本原理挠性转子动平衡的基本原理 3 1 振型与振型函数 2 对于挠性转子 在一定的转速下转子轴线沿纵向各点的振动位移是不同的 这种轴线各 点振动位移随转速变化的特征函数关系称之为振型 转子在某一临界转速下运行时 转轴有 一最大的挠度曲线 称之为该临界转速下的振型 当转子不在临界转速下运行时 转子的动 挠度曲线可看成是各阶振型叠加而形成的空间曲线 图 2 是一 二阶振型曲线 b 二阶振型 a 一阶振型 图 2 振型曲线 转子在理论上存在无穷多个临界转速 即存在无穷多个振型曲线 对于两端简支的转子 如果把它的第 i 阶和第 j 阶的振型函数用和来表示 转子长度设为 l 转子沿轴向 s i s j 的质量分布函数表示为 第 i 阶临界转速用表示 那么根据挠性转子动力学理论 sm i 可以推导出 其中 i j 即按第 i 阶主振型分布的惯性力0 0 dssssm j l i 在第 j 阶振型的位移中所作的功等于零 振型的这种性质称之为振型的正 2 ii ssm s j 交性 根据振型的正交性可知 第 i 阶不平衡量仅对第 i 阶主振型起作用 因此 从理论上 讲 只要逐阶把不平衡量平衡 转子就可以完全平衡 而在实际动平衡中 不可能也没有必 要求得完全平衡的转子 这是因为一般挠性转子都是运转在低阶临界转速以下 转子的振动 也主要由低阶不平衡谐量引起 所以 对于一般的挠性转子 只要平衡其低阶 通常为一阶 和二阶 不平衡谐量 就可以达到良好的平衡效果 3 2 振型平衡的理论条件 6 设转子质量分布密度函数为 m s 在 s 处的偏心距矢为 第 i 个校正面上的校正荷重e 之质径积矢为 转子第 m 阶主振型函数为 则平衡方程可写为 i U s m 1 2 m 1 2 N 3 上述式 1 和式 2 是转子刚性动平衡的条件 式 3 包括了 N 个方程 N 为所需平衡的振 型阶数 故上列三个式一共是 N 2 个方程 为使方程有唯一解 未知数的个数应为 N 2 i U 个 即必须选取 N 2 个校正面来平衡转子 有另一种观点认为挠性转子不必满足式 1 和式 2 而直接按振型平衡 故只需要 N 个校正面 这就是振型平衡法中 N 法与 N 2 法的由来 实 践证明 N 法与 N 2 法各有优缺点 从理论上讲 N 2 法精度较高 但平衡时需要启停的次 数较多 而 N 法则相反 对一些初始不平衡量较大的转子可能会产生较大的振幅 3 3 不平衡校正的计算方法 7 如图 3 所示 矢量代表对某个任意参考角度绘出的初始振动 矢量代表当在转子上OAOB 加一试验质量组时在同一转速下对同一参考角度绘出的合成振动 那么 试验质量组的 效 应 用矢量代表其幅值和角度 因此 为使原始振动为零 试验质量组应移动角度AB 0 0 1 l n i i Udssesm 0 0 1 i l n i iS Usdssesm 0 1 0 im n i i l m sUdsssesm 并且试验质量组中每个质量的大小按比例进行调整 BAO AB AO B A 图 3 试验质量组的矢量效应 4 4 SGT5 4000FSGT5 4000F 燃气轮机转子动平衡工艺过程燃气轮机转子动平衡工艺过程 4 1 转子拎直 在转子进行动平衡之前 转子已长时间静止放置 可能已产生较大弯曲 为减少弯曲 必须在动平衡之前先低速盘转转子一段时间 我们把这一过程称之为转子的拎直过程 为避 逸拖动转子的汽轮机在低速运行时排汽温度过高 可采用下图所示的升降速方法对转子拎直 整个过程中注意观测转子的振动不能超过 7 1mm s 如果超过则应立即停下转子 通过低速 动平衡来减少振动后再继续 当转子在 400r min 的转速下测得的不平衡量稳定时 就可以认 为转子已拎直 记录数据 记录数据 记录数据 破坏真空重复直至数据稳定 抽真空 400 时间 转速 r min 1370 3000 图 4 转子的拎直过程 4 2 低速动平衡 初始低速动平衡的目的是避免转子在尝试超速试验时产生过大振动 通常选择 420r min 的转速做低速动平衡 燃机转子在该转速下为刚性状态 可按照 CAB690 系统测试出来的残 余不平衡量的值和相位来确定添加平衡块的数量和相位 必要时要考虑一阶临界转速时的振 型曲线 将主要的残余不平衡量放在转子中间的平衡面进行平衡 对于该燃机转子 低速动 平衡的平衡精度并没有硬性要求 但是应尽量做到 ISO1940 规定的 G2 5 级 经验表明 良 好的低速动平衡对高速动平衡是有利的 4 3 超速试验 超速试验能使转子内应力完全释放 彻底完成塑性变形 利于后续做高速动平衡 对于 本燃机转子 需要进行 2 分钟 3600r min 的超速试验 在尝试超速的过程中 应当严密观测 转子的振动速度 振动速度不得超过 7 1mm s 否则必须停下重新进行低速动平衡后再尝试 超速 经过超速试验后 转子在低速状态下的残余不平衡量通常都会发生改变 此时应当重 做低速动平衡 并尽量平衡到 ISO1940 规定的 G2 5 级的要求 4 4 高速动平衡 高速动平衡主要是平衡一阶临界转速以及工作转速 靠近二阶临界转速 时的不平衡谐 量 根据上述的 N 2 法及 N 法 选择转子三个平衡校正面添加平衡块 两个校正面分别靠 近压气机端和透平端 记为 平面和 平面 中间校正面位于压气机末级叶轮上 记为 平 面 为了更直观地计算平衡配重 每次加平衡块后 在坐标纸上分别标出转子在 1400r min 和 3000r min 时测得的振动矢量 如图 5 图 6 所示 平衡配重的计算可参考上面 3 3 所述的 方法 在实际操作中 可借签以往同类型转子的平衡经验进行估算 以下以某电厂一根 SGT5 4000F 型燃气轮机转子在上海汽轮机厂做高速动平衡时的数据为 例 说明具体的计算方法 转子在第 i 次加好平衡块后 升速至 1400r min 时 测得压气机端 的振动为 Vi 402 m s 195 透平端的振动为 Ti 585 m s 194 分别将 Vi和 Ti在坐 标纸上描出 如图 5 根据经验 在 平面中添加平衡块时 平衡块 效应矢量 的相位与 其安装角度相同 因此必须在 平面 0 的相位处添加平衡块 添加的数量根据振动速度的 大小估算为 10 块 另外 再考虑一阶临界转速时的振型曲线 按照 N 2 法 必须在 平面 和 平面的 180 相位处安装补偿平衡块 按振动速度估算分别安装 11 块和 6 块 安装平衡 块后重新升速至 1400r min 时 测得 Vi 1 60 m s 244 Ti 1 59 9 m s 203 振动情况 明显改善 当一阶临界转速时的振动速度达到满意值后 就可以开始工作转速下的平衡校正 转子 在第 j 次加好平衡块后 升速至 3000r min 时 测得压气机端的振动为 Vj 762 m s 336 透平端的振动为 Tj 1470 m s 139 分别将 Vj和 Tj在坐标纸上描出 如图 6 按照 N 法 及经验估算 应在 平面的 180 相位处以及 平面的 0 相位处各添加 1 块平衡块 安装 后 重新升速转子至于 3000r min 测得 Vj 1 253 m s 317 Ti 1 746 m s 120 振动 情况得到改善 但仍不满足技术要求 还需要重新按上述方法继续计算和试验 直至合格为 止 O O O O 0 90 180 270 Vi 1 Vi Ti Ti 1 O 0 O O O 270 180 90 Vj 1 Tj Tj 1 Vj 图 5 一阶临界转速时的振动矢量 图 6 工作转速时的振动矢量