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摘要：9E燃气轮机在带负荷运行中普遍存在振动不稳定和振动大幅度增加等问题，主要原因是高温下燃机转子刚度降低引起的热变形。在振动测试分析的基础上，采用现场动平衡降低振动可以收到很好的效果，并有利于减小热变形。
关键词：燃气轮机；振动分析；现场动平衡
1、前言
某厂#6机系美国GE公司生产的PG9171E燃气轮机，于2004年9月安装投产。自2010年更换燃气透平第三级动叶片后振动明显增加，特别是2012年大修提高进气参数后，振动更进一步增加。额定负荷运行时，瓦振最大可超过12mm/s、轴振动接近200μm。为降低振动，并能安全度夏（夏天环境温度高、振动大），在启动升速及带负荷过程中对该机振动进行了全过程测试，特别是在带额定负荷运行时进行了较长时间的连续测量，经分析后采用现场动平衡的方法，在较短的时间内降低该机的振动到预定目标。
该燃气轮机由压气机、燃气透平和发电机转子组成，轴系结构见图1。压气机和燃气透平为三支承结构，燃气透平和发电机之间有一接长短轴。该机的振动问题主要是#3轴承瓦振和轴振大，发电机两端轴承瓦振和轴振均很小。振动测试中，重点关注压气机和燃气透平的振动。
图1 9E燃气轮机结构示意图
1、3、4、5号轴承附近左、右45°方向各安装x、y两个电涡流传感器测量大轴与轴承的相对振动，轴振动信号进入本特利3500系统。1、3、4、5号轴承上部垂直方向和2号轴承下部垂直安装的振动速度传感器直接进入DCS系统测量轴承座瓦振，为可靠起见，瓦振动测量同时安装了两个传感器。键相位传感器安装在#1瓦附近与转轴上的凹槽配合测量机组的转速和振动相位。
2、机组振动状况
图2 燃气轮机轴承振动升速特性曲线
2.1 升速特性测量
为判断转子是否存在质量不平衡及中心偏差等问题，在升速过程中，用多通道振动分析仪测量和记录了瓦振1v、2v、3v、4v、5v和轴振1x、1y、3x、4x、4y、5x、5y，图2为测得的压气机和燃气透平侧轴瓦振动升速特性曲线，从图中可以看出：
（1）在升速过程中，瓦振1v、2v、3v起伏变化较大，多次出现峰值。转速在1000r/min左右时，瓦振2v、3v同时出现峰值，瓦振2v最大达95μm（工频）。至1450r/min时，瓦振1v、2v、3v同时出现峰值，瓦振1v最大达118μm（工频），通频最大达122μm.。至2150r/min时，瓦振1v、2v同时出现峰值，瓦振1v最大达94μm，。至2800r/min左右，瓦振3v有一个较小的峰值。
（2）从相位变化看，在出现峰值时相位变化较快。转速在1450r/min时，瓦振1v和3v为同相振动，在2150r/min时，瓦振1v和3v为反相振动。
（3）至额定转速3000r/min时，瓦振1v、2v、3v均很小，都在15μm以下。
2.2 带负荷后振动测量
升负荷过程及到达额定负荷后，对各瓦振和轴振进行了连续测量，重点关注压气机和燃气透平的振动变化，图3为测得的瓦振1v、2v、3v的变化曲线。机组于11：00并网，11：40带负荷至112MW，而后一直稳定在110~115MW之间运行。从图中可以看出，在并网和开始升负荷阶段，瓦振1v、2v、3v幅值和相位均有较大的变化，而后瓦振2v变化较小，主要是瓦振3v和1v变化，从幅值看，以3v的变化量为最大，表1记录了并网和升负荷时瓦振3v的变化。从图表中还可以看出，当带上满负荷时，瓦振3v、1v继续发生变化，到达稳定的时间一般需要5小时左右。待轮间温度、瓦温等到达额定值时振动才能稳定下来，振动稳定时一直维持在一个较高的水平，相位也维持不变。
2.3.2 停机过程中，燃气轮机轴瓦振动降速特性曲线见图4，与升速特性曲线相比较有较明显的变化：
（1）转速在2800r/min左右时，瓦振3v达82μm，升速时仅26μm；
（2）瓦振1v在2300r/min左右出现峰值（升速时没有），在2100r/min左右瓦振3v有一个较为明显的峰值，达70μm（升速时没有）；
（3）转速在1450r/min时，瓦振1v没有出现峰值，瓦振3v峰值振动略大；
（4）转速在1000r/min左右时，瓦振2v出现一个较大的峰值，达150μm，3v峰值由开机时的55μm增大到85μm。
停机过程的振动数据说明转子的平衡状况已经发生了较大的变化。
图4 燃气轮机轴承振动降速特性曲线
3、振动分析
3.1 从冷态开机测得的升速特性曲线看，虽然在升速过程中出现几个峰值，存在一定的一阶、二阶不平衡分量，但额定转速3000r/min时的振动很小，转子本身存在的质量不平衡等不会影响该机的振动。
3.2 该机振动的主要问题是带负荷后燃气轮机侧振动不断增大【1】，稳定后一直维持在较高的水平，尤其是瓦振3v可从10μm增加到100μm以上。
3.2 振动增大与燃气透平转子的热状态有关：
（1）在开始升负荷阶段，由于燃气流量增加，瓦振3v快速增加。由于是三支承结构，使瓦振1v相应增大，但增加的幅度较小。
（2）在增加负荷切换燃烧方式时，如由小火嘴切换到大火嘴，振动快速增加。
（3）与轮间温度有很好的对应关系。由于轮间温度趋于稳定时需要很长时间（约5小时左右），瓦振3v、1v达到稳定也需要同样长的时间。
（4）与环境温度即与压气机进气温度有关。进气温度高，振动明显增加。
以上表明，转子升温快、振动增加快，转子温度高、振动大。
3.4 从燃气透平转子的结构分析，三级转子的叶轮及转鼓之间是靠螺杆拉紧固定的（图5），拉杆长度约1133mm，末级轮间工作温度约330o。钢材线膨胀系数12.90×10^（-6）mm/mm.℃，额定负荷下拉杆紧力松弛约4.38mm。转子温度升高时将使拉杆紧力降低，从而使转子抗弯刚度减小，转子在扰动力的作用下产生新的变形从而使振动增加。
图5 9E燃气轮机转子结构图
3.5 从停机时测得的降速特性曲线看，转子变形并没有呈现出明显的弓状弯曲，而是以不平衡放大为主。同时这种不平衡具有比较固定的形式，经加重后计算，热不平衡矢量的大小和方位虽有一定变化，但变化量较小。
4、现场动平衡
4.1 考虑到振动是以一倍频分量为主，带额定负荷运行一段时间后，振动幅值和相位变化较小，可以利用现场动平衡的方法降低振动【2】。
4.2 压气机和燃气透平转子上的加重面在气缸内部不能直接加重，为不影响机组发电（燃气机组参与调峰，早晨开机、晚上停机），决定首先在对轮处（燃气透平侧）加重进行平衡。经二次加重求得影响系数，由于灵敏度太小，经计算必须在对轮上加重2公斤以上，后决定加重1.2公斤，因轴振动1x、1y增大，平衡工作无法进行下去，只是选择了一个较好的位置加重约600克。
4.3 因热不平衡矢量主要作用在燃气透平转子上，决定在燃气透平转子第三级叶轮后端平衡槽内加重。在与平衡槽对应的燃机汽缸壳体上开孔（约45*75mm），用特制的平衡块进行加重。
（1）根据测得的振动选择试加重量，在45°位置加重373克【3】（加重处直径1170mm），加重后测得升速特性曲线见图6。转速在1000r/min左右，瓦振2v、3v均有不同程度的降低。至1450r/min时，瓦振1v、2v、3v与平衡前相比，也均有明显的降低。至2140r/min时，1v略有增加，2v、3v变化不大。至额定转速3000r/min时，瓦振分别为1v-11μm∠47°、2v-8μm∠4°、3v-10μm∠267°、4v-17.6μm∠50°、5v-12.5μm∠264°。
图7 燃气轮机动平衡后带负荷轴承振动变化趋势
（3）这次加重后，带负荷后停机降速特性曲线见图8。与升速时相比变化不大，仅在2150r/min左右，瓦振1v略有增大。
（5）通过这次现场动平衡，发现燃气轮机侧瓦振3v、1v的热不平衡矢量有明显减小，表6为瓦振3v的计算结果，可以看出幅值减小一倍多，相位也有一定的变化。
热不平衡矢量的变化标志着转子的热变形与作用在转子上的扰动力有关。即转子上不平衡量大，扰动力大，转子在热态下的变形就大，热不平衡矢量就大【4】，这与前述的刚度不足十分吻合。
5、结论和建议
采用现场动平衡既可降低扰动力又可同时减小热不平衡矢量【5】，对降低振动有很好的效果。在现场一时无法处理转子热变形的情况下，高速动平衡不失是一种较好的振动处理方法。
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作者简介：
刘学民（1968年）湖南长沙人 2011年至今在国电集团公司从事火电厂节能改造工作。
论文作者:刘学民
论文发表刊物:《电力设备》2016年第22期
论文发表时间:2017/1/21
标签：转子论文; 燃气轮机论文; 峰值论文; 负荷论文; 动平衡论文; 燃气论文; 不平衡论文; 《电力设备》2016年第22期论文;