汽輪鼓風(fēng)機組超速時振動原因分析及對策

       攀鋼熱電廠2＃-5＃汽輪鼓風(fēng)機是攀鋼煉鐵廠1＃-3＃高爐送風(fēng)系統(tǒng)的重要組成部分。風(fēng)機運轉(zhuǎn)正常與否直接影響高爐的正常生產(chǎn)，從而直接影響攀鋼生鐵產(chǎn)量。
       一般說來，對于汽輪鼓風(fēng)機組這樣的大型關(guān)鍵設(shè)備都設(shè)有速度保安系統(tǒng)，以保證機組速度突然升高時能自動啟動速度調(diào)節(jié)器，通過調(diào)整主氣門來調(diào)整機組轉(zhuǎn)速，使機組重新在安全轉(zhuǎn)速下運行。汽輪機在大修后，由于葉片調(diào)整、做動平衡等，可能會改變機組原先設(shè)定的安全轉(zhuǎn)速值，必須通過做超速試驗重新調(diào)整。2004年4月15日2＃汽輪機在大修后做超速試驗時，在升到4310r/min時，機組振動突然升高，被迫停機。為此，對機組振動進行了診斷分析。
一、汽輪鼓風(fēng)機組構(gòu)成及技術(shù)參數(shù)
        汽輪鼓風(fēng)機組由汽輪機和鼓風(fēng)機構(gòu)成（圖1)，中間由撓性聯(lián)軸節(jié)詐接。由于該機在一階臨界轉(zhuǎn)速以上工作，故轉(zhuǎn)子為撓性轉(zhuǎn)子。
        汽輪機型號為G12-35型，單缸沖動，凝汽式，共有7個壓力級和一個雙列速度級。其技術(shù)參數(shù)如下：功率12000kW，工作轉(zhuǎn)速3700-4200r/min，一階臨界轉(zhuǎn)速2502r/min，進汽壓力3.5MPa。
        鼓風(fēng)機為Z3650-5型軸流式風(fēng)機，一階臨界轉(zhuǎn)速7310r/min，排風(fēng)量3650m3/min。

圖1　汽輪鼓風(fēng)機組構(gòu)成簡圖及測點布置

二、超速試驗
        為了確定汽輪鼓風(fēng)機組大修后的運轉(zhuǎn)情況和保安系統(tǒng)的可靠性，對機組做超速試驗是非常必要的。超速試驗就是讓機組在工作轉(zhuǎn)速之上持續(xù)運行直到事先設(shè)定的安全值（本機設(shè)定為4880r/min)，以檢驗在超速時機組運行的穩(wěn)定性和保安系統(tǒng)的可靠性。為了防止突發(fā)事故影響生產(chǎn)，通常只對汽輪機單機（斷開鼓風(fēng)機）進行試驗。
        該機經(jīng)過9.15r/min盤車轉(zhuǎn)速充分預(yù)熱后，在30r/min沖轉(zhuǎn)，盤車機構(gòu)自動脫開，轉(zhuǎn)速逐漸升高。為減少連續(xù)升速對機組產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動，當(dāng)升到1200r/min時，每升高100r/min運行5min，待穩(wěn)定后，再以100r/min為間隔升速。圖2為測點1垂直方向在1200r/min時的頻譜圖。由圖可見，有許多基頻及其諧波成分。

                                                                                                   圖2
        其他各瓦也有類似的情況。這說明在低轉(zhuǎn)速時，各瓦油膜形成不是很好。根據(jù)雷諾方程可知，油膜壓力與轉(zhuǎn)速成正比，故在低轉(zhuǎn)速下，油膜承壓能力低，機組存在輕微的擦瓦現(xiàn)象。圖3為1瓦垂直方向隨轉(zhuǎn)速升高時的振動趨勢圖。由圖可知，測點1垂直方向振動值在2500r/min達到較大值。這是過一階臨界轉(zhuǎn)速時引起的共振。為避開升速時一階臨界轉(zhuǎn)速對機組振動的影響，在2300-2800e/min時快速升高，當(dāng)升到3000r/min時，振動趨于穩(wěn)定。以后繼續(xù)升速直到工作轉(zhuǎn)速4200r/min。根據(jù)圖3可見，振動幅值是逐漸線性上升的，這是由轉(zhuǎn)子存在輕微不平衡造成的，圖4為4200r/min時的頻譜圖，可明顯看到只有基頻成分，其諧波及其次諧波很少。說明油膜形成良好，機組運行穩(wěn)定。當(dāng)升到4310e/min時，振動突然升高，機組表現(xiàn)為劇烈振動。其中1瓦垂直最大振幅達到18mm/s。超過正常值的10倍之多，機組被迫停機，超速試驗中斷。

三、振動原因分析
        圖5為4310r/min時的1瓦垂直方向頻譜圖。由圖可見，整個譜面以基頻為主，說明振動原因由轉(zhuǎn)頻引起的。懷疑振動原因可能與轉(zhuǎn)子平衡有關(guān)，但根據(jù)熱電廠做平衡時的記錄來看，不平衡量在允許范圍之內(nèi)。由前面升速時的情況來看，在工作轉(zhuǎn)速時，機組運行穩(wěn)定，振動值不大。因此可排除轉(zhuǎn)子不平衡的影響。考慮到在4310r/min時，機組振動是突然升高的，根據(jù)振動理論和以入的經(jīng)驗判斷為共振現(xiàn)象。由于轉(zhuǎn)子在一階臨界轉(zhuǎn)速之上運行，引起共振的原因應(yīng)該與轉(zhuǎn)子的二階臨界轉(zhuǎn)速和機組共振頻率有關(guān)。根據(jù)汽輪機廠家提供的資料來看，只能查到汽輪機和鼓風(fēng)機的一階臨界轉(zhuǎn)速，而沒有提供汽輪機單機的二階臨界轉(zhuǎn)速。從以往做超速的情況來看，其他幾臺機組在超到4300r/min左右時，機組振動并沒有突然升高的現(xiàn)象，并且?guī)着_機組汽輪機的轉(zhuǎn)子具有互換性，而根據(jù)臨界轉(zhuǎn)速雷利公式，臨界轉(zhuǎn)速只與轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、材質(zhì)有關(guān)，因此振動原因不是二階臨轉(zhuǎn)引起的，故推斷振動是由機組共振引起的。共振原因與機座支撐剛度不夠有關(guān)。

四、對策
        根據(jù)以上振動原因分析，要降低超速時的振動可通過增強機座支撐的剛度或降低轉(zhuǎn)子運動時慣性力對機座軸承的作用。由于機組支撐結(jié)構(gòu)復(fù)雜，改動機座的工程龐大，因此較簡便易行的方法是通過轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)子重心來降低轉(zhuǎn)子慣性力對機座的沖擊振動，只須連接上聯(lián)軸節(jié)，讓轉(zhuǎn)子重心向鼓風(fēng)機端轉(zhuǎn)移即可。
五、結(jié)論
        在安裝上聯(lián)軸節(jié)再次做超速試驗時，機組振動平穩(wěn)，在4300r/min左右時，各瓦振動幅值較小，圖6為該轉(zhuǎn)速下1瓦垂直方向的頻譜圖。在譜圖中1倍頻占主要成分，且其幅值僅為0.9mm/s，說明在改變轉(zhuǎn)子重心位置后，達到了降低振動的目的。在隨后的升速過程中，機組運行穩(wěn)定，當(dāng)升到4880r/min，速度保安器被啟動，機組轉(zhuǎn)速隨之下降，直至降到工作轉(zhuǎn)速時穩(wěn)定下來。說明超速試驗取得圓滿成功，為機組可靠運行提供了保證。