大型透平机组监制过程中重要问题探讨
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作者: 申健
摘 要：本文从大型透平机组监制的角度出发，提出在动平衡以及机械试车阶段监制人员应重点关注的一些问题，为设备日后的安装、调试工作和更长远的运行打下良好的基础。
关键词：透平机械；动平衡；机械试车；振动
中图分类号：TH452 文献标识码：A
1 概述
大型透平机组，包括轴流式压缩机、离心式压缩机和汽轮机，广泛的应用于化工，冶金及动力工业，是工业生产及发展的重要基础和保障，被人们称作为“工业装置心脏”，在国民生产中占有极其重要的位置。大型透平机组的监制对日后整个生产工艺流程的稳定有着极为重要的意义，也是各采购单位监制工作的重点。本文将从动平衡和机械试车两个方面讨论大型透平机组监制时的一些概念以及关注点。
2 动平衡阶段
动平衡有3个主要考核指标，残余不平衡量、振动速度、振动幅度。
（1）残余不平衡量是在低速动平衡下得出的数值，对应的检测标准为ISO1940-1-2003。允许的残余不平衡量的计算公式为：
可将公式中的角速度转化成转速，公式相应变为Uper=9550（eper*Ω）*m/n，其中n为最大连续转速，单位为r/min。按照动平衡精度等级选择规范，蒸汽透平机组和压缩机组的动平衡精度应为为G2.5级，即公式中的（eper*Ω）=2.5。低速动平衡时所选择的转速一般为最大连续转速的1/3，不过这并非硬性要求，但要避开临界转速。
（2）而振动速度是指轴承座的振动速度，也称瓦振或壳振，单位为mm/s，该数值是在高速动平衡下测得。振动速度的检测标准为ISO10816-1。检测时需根据机组的级别选择相应的允许振动速度。一般空分装置所配套的蒸汽透平机组和压缩机组选用Ⅱ级，新机组允许的振动速度为1.1mm/s，短时允许2.8mm/s。
（3）振动幅度，也称轴振，与实际操作时所得的轴振动概念相同，单位为μm，该数值也是在高速动平衡下测得。根据API标准，经平衡过的透平机组转子，在规定的运转范围内的任何转速下进行机械运转试验时，所测得的未滤波P-P值不应超过下列数值或25μm，取两者中较小值。
式中：A——未滤波的峰-峰振幅，单位为μm；
N——最大连续转速，单位r/min。
在大于最大连续转速直至跳闸转速情况下（一般为超速试验时，其他情况禁止机组转速超过最大连续转速），振动级别不应超过最大连续转速时记录值12.7μm或1.5倍A。在低于最小连续运行转速时，API没有给出严格的要求，但一般要求不超过50μm（在非临界转速及其隔离裕度（SM）时），但并非强制要求。
鉴于API标准给出的是在机械试车时所允许的振动值，因此在做高速动平衡时，可要求转子的轴振动值不超过0.75*API标准，这样便能更好地保证转子在机械试车以及实际运行时保持良好的振动水平。
（4）国内设备厂家的高速动平衡机一般配备德国SCHENCK制造的设备。该品牌动平衡机允许在高速动平衡时同时监测振动速度和振幅两个数据。需要注意的是部分国内机器设备厂家在做高速动平衡时，在不开辅助刚度的情况下只监测振动速度，而将振幅放在机械试车时测量。由于部分国外设备厂家不进行机械性能试验，因此在转子高速动平衡时需要对振动速度和振幅同时监测，并使用工作轴承、开启辅助刚度以接近实际运行的情况。
3 机械试车阶段
机械试车时可通过在线分析软件得出如波形图、频谱图、轴心轨迹图、极坐标图、轴心位置图、全息谱图、波德图、阶次谱阵图、三维谱振图等用以进行旋转振动分析的信息。由于很多信息采集得到后需要进一步处理分析，同时需要人员具有相应的专业知识，因此一般厂家在机械试车时仅提供波德图和频谱图给监制人员进行参考。
（1）波德图（见图1）
波德图显示了转子振幅和相位随转速变化的关系曲线。波德图是十分有用的分析图谱。
从波德图上可以得到以下信息：①转子系统在各种转速下的振幅和相位。②转子系统的临界转速（转子通过临界转速时，振幅将达到最大，同时相位发生剧烈变化，在图1中可以很容易找到该转子系统所对应的临界转速）。③转子系统的动态放大系数AF；在API标准中放大系数定义为Nc/（Nc2-Nc1），其中Nc为临界转速，Nc1和Nc2分别代表倍临界转速下振幅所对应的初始和终止转速。API标准规定，放大系数的可接受范围是2.5～8，小于2.5的临界阻尼状态，可以不设置机组的隔离裕度，大于8则认为该机组极不稳定，运转时存在巨大风险，是很不安全的。伴随着设计与制造水平的提高，如今动态放大系数越来越小，新出厂的机器多数在3.55以下，小于2.5的也屡见不鲜。④转子的振型，用以振动分析和现场动平衡。⑤转子是否发生热弯曲（如果发生热弯曲，降速过程中各转速所对应的振幅要比升速时大很多，但一般试车时间较短出现的可能性较低）。⑥转子上机械和电子偏差的大小（检测机械和电子偏差时，偏差不应大于0.25A=6.25，由于电子偏差测量可能存在外界干扰信号，因此电子偏差在小于8的情况下都可以接受）。
（2）频谱图（见图2）
频谱图显示了各振动分量的频率及其振幅值。转速n/60得出的相应频率称为倍频。对于旋转机械来说，正常运转状态下的频谱图通常是：倍频最大，二倍频次之、半倍频，三倍频、四倍频…x倍频逐步参差递减，低频微量或无，其它频率成分基本上不存在。
频谱图是旋转机械振动分析的重要工具，每个特定的频率都有其含义，其中多倍频需要与其他频率结合分析，因此这里仅对工频、二倍频和半倍频予以简单介绍，以便监制人员可以对机组的振动分布和可能出现的故障有初步的了解。①工频成分在所有情况下都存在，工频幅值几乎总是最大，应该在其发生异常增大的情况下才视为故障特征频率。工频所对应的故障类型相对较多。60%以上为不平衡故障，如转子发生机械损伤脱落、结垢、初始不平衡，以及轴弯曲等；同时，接近40%为轴承偏心类故障，如间隙过大、轴承合金磨损、轴颈与轴承偏心、轴承座刚度差异过大等；此外，还有刚性联轴器的角度不对中；支座、壳体、基础的松动、变形、裂缝等支承刚度异常引起的振动或共振；运行转速接近临界转速；发电机及电动机转子偏心等。②二倍频成分在所有情况下也都存在，幅值往往低于工频的一半，常伴有呈递减状的三倍频、四倍频、…，也应该在异常增大的情况下视为故障特征频率。二倍频所对应的故障类型较为集中。绝大多数为不对中故障，如齿式联轴器和金属挠性联轴器的不对中、刚性联轴器的平行不对中，其中，既有安装偏差大所产生的冷态不对中，又有由温差产生的支座升降不均匀以及管道力所引起的热态不对中，以及联轴器损伤故障等；此外，还有概率较小的其它故障，如转动部件松动，转子刚度不对称，支承刚度在水平、垂直方向上相差过大等。③半倍频主要反映的是油膜形成的情况，表现出的故障为油膜涡动和油膜振荡。原因可能为：轴承设计或制造不合理、轴承间隙不当、轴承壳体配合过盈不足、轴瓦参数不当、润滑油不良、油温或油压不当轴承磨损、疲劳损伤、腐蚀及气蚀等。
参考文献
[1]石油、化学和气体工业用轴流、离心压缩机及膨胀机-压缩机API617标准[Z].
[2]ISO 1940-1-2003 机械振动-刚性转子的平衡质量要求[Z].
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