9FA重型燃氣輪機轉子高速動平衡研究
導讀：
對9FA重型燃氣輪機轉子高速動平衡試驗方法、平衡方法、平衡設備等做了詳細的介紹，同時也介紹了GE 公司的低速平衡方法，為9FA 燃氣輪機轉子今後的高速動平衡提供了可資參考和借鑒的經驗。
9FA重型燃氣輪機的相關技術是哈爾濱汽輪機廠有限責任公司從美國GE公司引進，是國家863重點項目之一。在GE的燃氣輪機發展史上從沒有對燃氣輪機轉子做過高速動平衡，各種型號(例如6、7、9、B E F H 系列) 的燃氣輪機轉子都是低速動平衡。燃氣輪機轉子組裝前，分別對每個部件進行精確平衡，來控制轉子不平衡量的分布狀態。GE的燃氣輪機工廠沒有高速動平衡的設備，不具備對燃氣輪機轉子進行高速動平衡的條件。國外的三菱、阿爾斯通等公司都已經開始對燃氣輪機轉子進行高速動平衡試驗，我們沒有GE的經驗可以借鑒，一切都要靠自己摸索。要完全擺脫GE的低速平衡方式，進行高速動平衡存在很大的難度，但是如果試驗成功將填補我國9F級重型燃氣輪機進行高速動平衡的空白，意義十分重大。
1 9FA燃氣輪機轉子結構簡介
9FA燃氣輪機是GE 公司與GEC Alsthom公司聯合開發的，通過對MS7001F型燃氣輪機的模化放大( 除軸承和燃燒室以外) ，模化係數為1.2，製成了50Hz 的9FA 型燃氣輪機，輸出功率212.2MW，發電效率34.1%。第一台9FA型燃氣輪機發電機組於1991 年8 月在美國南卡羅萊納州的格林維爾( Greenville)廠製造成功並滿意地運行。
9FA型燃氣輪機結構圖見圖1，主要部件的結構、性能和材料的情況如下:
壓氣機為18級軸流式，壓比為15.4，空氣質量流量為645kg/s。前兩級為跨音速級，帶可調進口導葉，用於調節透平的排氣溫度，提高運行效率。第9級和第13級開有排氣口，以配合啟動過程。用多根IN 738合金鋼的軸向拉杆將葉輪連接成剛性轉子，末級葉輪上附有一向心式透平槽道，將壓縮空氣引入中心孔，用於透平段的冷卻。轉子的一階臨界轉速高於同步轉速20%。
透平為3級軸流式，應用壓氣機的排氣冷卻。第1、2級動葉應用空氣內冷，並採用真空等離子噴塗保護塗層。第3級動葉不冷卻，但應用堆積塗層保護。第1級動葉無圍帶，第2、3 級動葉應用整體的乙形圍帶。3 級靜葉都應用空氣內冷，第1、2級靜葉設計成2 葉片塊結構，應用真空等離子噴塗合金保護塗層。第3級靜葉設計成三葉片塊結構，應用堆積塗層保護。
整個轉子總重約為78t，為兩支撐結構，兩軸承之間跨距為8253mm，軸頸尺寸為550.672mm，轉子工作轉速為3000r/min。
2 平衡設備及測量系統
高速動平衡試驗設備為德國申克公司的DH12型支撐擺架，此擺架設計平衡轉子最大噸位320t，最高轉速為4320r/min，完全能夠滿足9FA燃氣輪機轉子的高速動平衡要求。
具體平衡設備參數如下:
平衡轉子重量: 32t～320t;
每個軸承座允許的最大靜載:160t;
軸頸直徑: 最大1000mm;
每個軸承的最大油量: 2200L/min;
平衡轉速( 無級調速) : 3600r/min,超速到4320r/min;
每個軸承座許可的最大離心力: 2×106N;
無附加剛度時徑向總剛度為: 2.5×109N/m;
有附加剛度時徑向總剛度為: 4×109N/m;
平衡精度: 0.5～5μm;
測量系統滿足軸振和瓦振測量要求: 瓦振測量系統為德國申克公司CAB920H測量系統，測點數為2個; 軸振測量系統為美國Bently208，測點數為4個，分別在電、調端軸承附近安裝2個垂直和水平的渦流感測器。
3 平衡過程
GE公司在試車台上試車過程中對振動要求為:
在整個試車過程中小於10.16mm/s(0～3000r/min)，但是我們在製造廠進行平衡的時候所要求的精度遠遠高於GE公司的標準，我們的標準是工作轉速下小於2.5mm/s，過臨界時的振動速度小於2.8mm/s。
由於燃氣輪機轉子結構的特殊性，高速動平衡時所用的方法和工藝與常規汽輪機轉子的平衡方法有很大的不同，這是9FA 燃氣輪機轉子進行高速動平衡的難點，如果借用常規汽輪機轉子的平衡方法來平衡燃氣輪機轉子是行不通的。燃氣輪機轉子的平衡一定要保證連續性，並且在開始平衡前一定要進行4～10h的盤車，否則在進行低速平衡的時候就會發現每次啟機的數據都變化較大，以至於低速平衡都無法進行下去。
在剛開始平衡的時候我們走了很多彎路，浪費了大量的時間，但在後來的不斷摸索中，逐漸掌握了燃氣輪機轉子的這個特性，在整個平衡過程中始終保證盤車的投入，即使盤車不能投入，也必須保證轉子在同一位置停留時間不超過20min。而汽輪機轉子多為整體轉子，不存在這個特性，平衡起來也就相對比較容易。另外，燃氣輪機轉子的平衡方法綜合了振型法和影響係數法，通過對振型進行分析來大致確定需要哪幾個加重平面; 而對於汽輪機轉子，由於影響係數已經成型，並且十分準確，加重平面的選擇完全根據計算得到的殘餘振動來確定，所以基本上全部採用影響係數法就能快速、準確地進行平衡。
3.1 低速動平衡
美國GE公司對此轉子低速平衡工藝如下:
(1) 對壓氣機0～17級輪盤和端軸在立式平衡機上首先進行低速平衡。平衡過程中帶葉片，此葉片已用計算機進行了力矩排序。
(2) 對透平3級葉輪、兩級中間盤、前後端軸分別在立式平衡機上進行低速平衡，不帶葉片。
(3) 對組裝後的壓氣機轉子進行低速平衡。
(4) 對組裝後的透平轉子不帶葉片進行平衡。
(5) 對帶葉片的透平轉子進行平衡。
(6) 將透平和壓氣機組裝後的整體轉子進行低速動平衡，平衡轉速為310r/min，平衡精度小於15g。
在ISO 5406「撓性轉子的機械平衡」的轉子分類表中，這種有多個部件用拉杆拉緊的組合轉子屬於2C類，平衡這類轉子可採用各個部件單獨進行低速平衡以控制初始不平衡量的方法，也可採用直接組裝成整體轉子進行高速動平衡的方法，這兩種方法都可以保證機組在現場平穩運行。
我們採用的低速平衡方法為:
在進行低速平衡時，轉子狀態為: 壓氣機轉子(帶葉片)和透平轉子(帶葉片) 組裝成整體轉子，兩個支撐點分別在壓氣機側和透平側。在大氣狀態下對該轉子進行400r/min 的低速平衡，對轉子的初始不平衡進行合理分布，防止原始不平衡量過大對設備產生危害，同時也有利於上到一個較高的平衡轉速。對於進行高速動平衡的轉子，低速平衡時的殘餘不平衡量沒有一個固定的標準，一般情況下殘餘不平衡量控制在300g 左右，達到這個標準後即可停機抽真空，等待進行高速動平衡。
在低速平衡的過程中要特別注意每次啟機時不平衡量的變化情況，由於燃氣輪機轉子結構的特殊性，長時間在一個位置停留會對不平衡量產生很大的影響。如果不平衡量的變化較大，那麼需要在400r/min下穩定運行一段時間，直至不平衡量恢復到變化前的數值，否則不能進行進一步的平衡。
3.2 高速動平衡
撓性轉子的平衡目標是對轉子每個截面的局部不平衡量進行平衡校正，使質心與迴轉中心重合，即轉子沒有力和力偶不平衡，也沒有因內彎矩而產生彎曲變形。
低速平衡完成後接著可以抽真空進行高速平衡，平衡工藝如下:
(1)平衡一階不平衡量，主要通過P2P6 平面，通過在一階振動相位的反方向加重來降低一階振動值(加重平面參見圖1)。
(2)採集2200、2500、2800、3000r/min下穩定的振動速度數據，在P1面加試重，然後啟動機組測量加重後的響應。
(3)在P8面加試重，採集2200、2500、2800、3000r/min下穩定的振動速度數據，此時P1加重不必取下。
(4)計算影響係數，重新調整P1P8面的加重量。
高速動平衡過程中必須控制好筒體內的真空度，真空的最低限值是0.15Pa。平衡方法主要以影響係數法和振型法為主，且要十分注意加重平面的選取，這也是燃氣輪機轉子高速動平衡的難點之一。
因為此轉子可用加重平面較多，一共有9個加重平面，如果加重平面選擇不當，採集的影響係數就不是那麼準確，將會在平衡中浪費大量的時間來不斷地採集、修正影響係數，通過對試加重後轉子的振動響應分析，我們認為平衡過程中應該以P1P2P6P8為主，其餘的加重平面對加重響應不是很敏感，最終我們經過4次的加重，轉子的軸振和瓦振都達到了合格的要求。瓦振數據如表3。
至此，整個轉子的高速平衡過程全部結束，從結果來看，試驗是非常成功的。
4 總結
9FA燃氣輪機轉子的平衡對於我們製造廠來說是一個全新的嘗試，從工裝、工藝的準備到平衡方案的確定，這其中都存在許多困難的地方，尤其是平衡工藝。GE公司的燃氣輪機轉子是不進行高速動平衡的，低速平衡後在試車台上試車，如果振動超標則在試車台上進行現場平衡，有統計數據表明，在試車台上需要重新進行現場平衡的比例高達60%以上，由此我們也可以看出，燃氣輪機轉子進行高速平衡是非常必要的。通過我們的平衡，轉子在試車台上試車一次成功，並且在現場運行的情況也非常好，事實證明高速動平衡是非常可行和必要的，通過我們的試驗和摸索、總結，希望能為國內後續相關9FA燃氣輪機轉子的高速動平衡提供一個借鑒。
（作者：李立波，雒興剛，張修寰，張奇，哈爾濱汽輪機廠有限責任公司）
來源：燃氣輪機技術
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