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对9FA重型燃气轮机转子高速动平衡试验方法、平衡方法、平衡设备等做了详细的介绍，同时也介绍了GE公司的低速平衡方法，为9FA燃气轮机转子今后的高速动平衡提供了可资参考和借鉴的经验。 9FA重型燃气轮机的相关技术是哈尔滨汽轮机厂有限责任公司从美国GE公司引进，是国家863重点项目之一。在GE的燃气轮机发展史上从没有对燃气轮机转子做过高速动平衡，各种型号(例如6、7、9、B \E \F \H 系列) 的燃气轮机转子都是低速动平衡。燃气轮机转子组装前，分别对每个部件进行精确平衡，来控制转子不平衡量的分布状态。GE的燃气轮机工厂没有高速动平衡的设备，不具备对燃气轮机转子进行高速动平衡的条件。国外的三菱、阿尔斯通等公司都已经开始对燃气轮机转子进行高速动平衡试验，我们没有GE的经验可以借鉴，一切都要靠自己摸索。要完全摆脱GE的低速平衡方式，进行高速动平衡存在很大的难度，但是如果试验成功将填补我国9F级重型燃气轮机进行高速动平衡的空白，意义十分重大。 9FA燃气轮机是GE 公司与GEC Alsthom公司联合开发的，通过对MS7001F型燃气轮机的模化放大( 除轴承和燃烧室以外) ，模化系数为1.2，制成了50Hz 的9FA 型燃气轮机，输出功率212.2MW，发电效率34.1%。第一台9FA型燃气轮机发电机组于1991 年8 月在美国南卡罗莱纳州的格林维尔( Greenville)厂制造成功并满意地运行。 9FA型燃气轮机结构图见图1，主要部件的结构、性能和材料的情况如下: 压气机为18级轴流式，压比为15.4，空气质量流量为645kg/s。前两级为跨音速级，带可调进口导叶，用于调节透平的排气温度，提高运行效率。第9级和第13级开有排气口，以配合启动过程。用多根IN 738合金钢的轴向拉杆将叶轮连接成刚性转子，末级叶轮上附有一向心式透平槽道，将压缩空气引入中心孔，用于透平段的冷却。转子的一阶临界转速高于同步转速20%。 透平为3级轴流式，应用压气机的排气冷却。第1、2级动叶应用空气内冷，并采用真空等离子喷涂保护涂层。第3级动叶不冷却，但应用堆积涂层保护。第1级动叶无围带，第2、3 级动叶应用整体的乙形围带。3 级静叶都应用空气内冷，第1、2级静叶设计成2 叶片块结构，应用真空等离子喷涂合金保护涂层。第3级静叶设计成三叶片块结构，应用堆积涂层保护。 整个转子总重约为78t，为两支撑结构，两轴承之间跨距为8253mm，轴颈尺寸为550.672mm，转子工作转速为3000r/min。 高速动平衡试验设备为德国申克公司的DH12型支撑摆架，此摆架设计平衡转子最大吨位320t，最高转速为4320r/min，完全能够满足9FA燃气轮机转子的高速动平衡要求。 具体平衡设备参数如下: 平衡转子重量: 32t～320t; 每个轴承座允许的最大静载:160t; 轴颈直径: 最大1000mm; 每个轴承的最大油量: 2200L/min; 平衡转速( 无级调速) : 3600r/min,超速到4320r/min; 每个轴承座许可的最大离心力: 2×106N; 无附加刚度时径向总刚度为: 2.5×109N/m; 有附加刚度时径向总刚度为: 4×109N/m; 平衡精度: 0.5～5μm; 测量系统满足轴振和瓦振测量要求: 瓦振测量系统为德国申克公司CAB920H测量系统，测点数为2个; 轴振测量系统为美国Bently208，测点数为4个，分别在电、调端轴承附近安装2个垂直和水平的涡流传感器。 GE公司在试车台上试车过程中对振动要求： 在整个试车过程中小于10.16mm/s(0～3000r/min)，但是我们在制造厂进行平衡的时候所要求的精度远远高于GE公司的标准，我们的标准是工作转速下小于2.5mm/s，过临界时的振动速度小于2.8mm/s。 由于燃气轮机转子结构的特殊性，高速动平衡时所用的方法和工艺与常规汽轮机转子的平衡方法有很大的不同，这是9FA 燃气轮机转子进行高速动平衡的难点，如果借用常规汽轮机转子的平衡方法来平衡燃气轮机转子是行不通的。燃气轮机转子的平衡一定要保证连续性，并且在开始平衡前一定要进行4～10h的盘车，否则在进行低速平衡的时候就会发现每次启机的数据都变化较大，以至于低速平衡都无法进行下去。 在刚开始平衡的时候我们走了很多弯路，浪费了大量的时间，但在后来的不断摸索中，逐渐掌握了燃气轮机转子的这个特性，在整个平衡过程中始终保证盘车的投入，即使盘车不能投入，也必须保证转子在同一位置停留时间不超过20min。而汽轮机转子多为整体转子，不存在这个特性，平衡起来也就相对比较容易。另外，燃气轮机转子的平衡方法综合了振型法和影响系数法，通过对振型进行分析来大致确定需要哪几个加重平面; 而对于汽轮机转子，由于影响系数已经成型，并且十分准确，加重平面的选择完全根据计算得到的残余振动来确定，所以基本上全部采用影响系数法就能快速、准确地进行平衡。 低速动平衡 美国GE公司对此转子低速平衡工艺如下: (1) 对压气机0～17级轮盘和端轴在立式平衡机上首先进行低速平衡。平衡过程中带叶片，此叶片已用计算机进行了力矩排序。 (2) 对透平3级叶轮、两级中间盘、前后端轴分别在立式平衡机上进行低速平衡，不带叶片。 (3) 对组装后的压气机转子进行低速平衡。 (4) 对组装后的透平转子不带叶片进行平衡。 (5) 对带叶片的透平转子进行平衡。 (6) 将透平和压气机组装后的整体转子进行低速动平衡，平衡转速为310r/min，平衡精度小于15g。 在ISO 5406“挠性转子的机械平衡”的转子分类表中，这种有多个部件用拉杆拉紧的组合转子属于2C类，平衡这类转子可采用各个部件单独进行低速平衡以控制初始不平衡量的方法，也可采用直接组装成整体转子进行高速动平衡的方法，这两种方法都可以保证机组在现场平稳运行。 我们采用的低速平衡方法为： 在进行低速平衡时，转子状态为: 压气机转子(带叶片)和透平转子(带叶片) 组装成整体转子，两个支撑点分别在压气机侧和透平侧。在大气状态下对该转子进行400r/min 的低速平衡，对转子的初始不平衡进行合理分布，防止原始不平衡量过大对设备产生危害，同时也有利于上到一个较高的平衡转速。对于进行高速动平衡的转子，低速平衡时的残余不平衡量没有一个固定的标准，一般情况下残余不平衡量控制在300g 左右，达到这个标准后即可停机抽真空，等待进行高速动平衡。 在低速平衡的过程中要特别注意每次启机时不平衡量的变化情况，由于燃气轮机转子结构的特殊性，长时间在一个位置停留会对不平衡量产生很大的影响。如果不平衡量的变化较大，那么需要在400r/min下稳定运行一段时间，直至不平衡量恢复到变化前的数值，否则不能进行进一步的平衡。 高速动平衡 挠性转子的平衡目标是对转子每个截面的局部不平衡量进行平衡校正，使质心与回转中心重合，即转子没有力和力偶不平衡，也没有因内弯矩而产生弯曲变形。 低速平衡完成后接着可以抽真空进行高速平衡，平衡工艺如下: (1)平衡一阶不平衡量，主要通过P2\P6 平面，通过在一阶振动相位的反方向加重来降低一阶振动值(加重平面参见图1)。 (2)采集2200、2500、2800、3000r/min下稳定的振动速度数据，在P1面加试重，然后启动机组测量加重后的响应。 (3)在P8面加试重，采集2200、2500、2800、3000r/min下稳定的振动速度数据，此时P1加重不必取下。 (4)计算影响系数，重新调整P1\P8面的加重量。 高速动平衡过程中必须控制好筒体内的真空度，真空的最低限值是0.15Pa。平衡方法主要以影响系数法和振型法为主，且要十分注意加重平面的选取，这也是燃气轮机转子高速动平衡的难点之一。 因为此转子可用加重平面较多，一共有9个加重平面，如果加重平面选择不当，采集的影响系数就不是那么准确，将会在平衡中浪费大量的时间来不断地采集、修正影响系数，通过对试加重后转子的振动响应分析，我们认为平衡过程中应该以P1\P2\P6\P8为主，其余的加重平面对加重响应不是很敏感，最终我们经过4次的加重，转子的轴振和瓦振都达到了合格的要求。瓦振数据如表3。 至此，整个转子的高速平衡过程全部结束，从结果来看，试验是非常成功的。 9FA燃气轮机转子的平衡对于我们制造厂来说是一个全新的尝试，从工装、工艺的准备到平衡方案的确定，这其中都存在许多困难的地方，尤其是平衡工艺。GE公司的燃气轮机转子是不进行高速动平衡的，低速平衡后在试车台上试车，如果振动超标则在试车台上进行现场平衡，有统计数据表明，在试车台上需要重新进行现场平衡的比例高达60%以上，由此我们也可以看出，燃气轮机转子进行高速平衡是非常必要的。通过我们的平衡，转子在试车台上试车一次成功，并且在现场运行的情况也非常好，事实证明高速动平衡是非常可行和必要的，通过我们的试验和摸索、总结，希望能为国内后续相关9FA燃气轮机转子的高速动平衡提供一个借鉴。 来源：燃气轮机技术 |
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