SGT5-4000F型燃气轮机转子高速动平衡工艺

SGT5-4000F型燃气轮机转子高速动平衡工艺张国永1,2, 陈富新2，许雄国2, 李道云2，张岳飞1,2（1．上海交通大学机械与动力工程学院，上海200240；2．上海电气电站设备有限公司上海汽轮机厂，上海200240）摘要：介绍了SGT5-4000F型燃气轮机转子特点，根据上海汽轮机厂动平衡设备特点及挠性转子动平衡原理，提出合理的SGT5-4000F型燃气轮机转子高速动平衡工艺方案，并以实例进行阐述。

关键词：转子，动平衡工艺，燃气轮机中图分类号：文献标识码：文章编号：High Speed Balance Process of SGT5-4000FGas Turbine RotorZHANG Guo-yong1,2, CHEN Fu-xin2, XU Xiong-guo2, LI Dao-yun2, ZHANG Yue-fei1,2(1. School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China;2. Shanghai Electric Power Generation Equipment Co., Ltd. Shanghai Turbine Plant, Shanghai 200240, China)Abstract: The features of SGT5-4000F gas turbine rotor are introduced. According to the features of the balance facilities in Shanghai Turbine Plant and the balance theories of flexible rotor,a proper high speed balance process for the SGT5-4000F gas turbine rotor is proposed.The process is described with actual data.Key words: Rotor, Balance Process, Gas Turbine收稿日期：作者简介：张国永（1980－），男，工程师，2003年毕业于重庆大学机械设计制造及其自动化专业，现攻读上海交通大学机械工程工程硕士，目前在上海汽轮机厂工艺处从事总装工艺开发工作。

0、引言重型燃气轮机是21世纪动力设备的核心，燃气轮机联合循环技术是目前世界上标志一个国家工业基础先进程度的关键技术。

在燃机联合循环第二捆中标项目中，上海电气从西门子引进了F级燃气轮机技术，并陆续开始国产化制造，在消化吸收引进技术的基础上，有计划地开展新技术、新工艺、新材料的攻关[1]。

西门子SGT5-4000F型燃气轮机的转子高速动平衡技术是此次国产化制造的关键技术，也是工艺技术攻关的重点。

本文从西门子SGT5-4000F型燃气轮机转子的结构特点及挠性转子的动平衡原理研究出发，结合上海汽轮机厂动平衡室设备的特性，根据设计意图及要求，选用恰当的工艺方法对该转子进行高速动平衡。

1、SGT5-4000F型燃气轮机转子特点及动平衡要求该转子采用两个轴承支承，由15级压气机叶轮和4级透平叶轮组成，叶轮之间通过Hirth 齿啮合，再通过中心拉杆轴向固紧，采用中空轴结构，具有转动平稳，冷却方式绝佳等特点，有利于机组快速启动，能在6分钟内达到额定转速[4]。

转子总重80吨，总长9742mm，叶片最大外径3208mm，两个轴承间距8446mm，额定转速3000r/min，一阶临界转速1370r/min，二阶临界转速3400r/min，运行时沿气流方向看去为逆时针旋转，转子的中心拉杆直径仅280mm，整个转子的重量几乎全部作用在如此细长的中心拉杆上，静挠度较大。

整根转子的结构如图1所示。

图 1 SGT5-4000F型燃气轮机转子结构示意图为实现“第一次完成动平衡后，在检修期间拆装轮盘不用再做动平衡”[4]，其动平衡精度要求非常高，在动平衡机上测得的振动速度具体要求如表1所示，额定转速下的振动速度要求仅为ISO2372所推荐的“良好”品质界限值1.8mm/s[5]的36%。

2、上海汽轮机厂动平衡设备特点上海汽轮机厂的高速动平衡室于2006年1月进行改造，改造后采用一台汽轮机作为拖动动力，其最大功率为8MW，最高转速可达4320r/min，设置有倒车档以适合高速动平衡试验频繁启停的需要，倒车最长允许时间为15分钟，此外，该机组配有电动盘车设备，盘车速度为7.2r/min[3]。

动平衡系统采用申克CAB690系统，动平衡摆架型号为DG200，支承刚度3000～5440N/μm，动平衡真空室的真空度可达133Pa。

可用于重8吨至105吨、50Hz或60Hz的汽轮机或燃气轮机转子做低速动平衡、高速动平衡及超速试验。

3、挠性转子动平衡的基本原理3.1振型与振型函数[2]对于挠性转子，在一定的转速下转子轴线沿纵向各点的振动位移是不同的，这种轴线各点振动位移随转速变化的特征函数关系称之为振型。

转子在某一临界转速下运行时，转轴有一最大的挠度曲线，称之为该临界转速下的振型，当转子不在临界转速下运行时，转子的动挠度曲线可看成是各阶振型叠加而形成的空间曲线，图2是一、二阶振型曲线。

(b )二阶振型(a)一阶振型图 2 振型曲线转子在理论上存在无穷多个临界转速，即存在无穷多个振型曲线。

对于两端简支的转子，如果把它的第i 阶和第j 阶的振型函数用()s i φ和()s j φ来表示，转子长度设为l ，转子沿轴向的质量分布函数表示为)(s m ，第i 阶临界转速用i ω表示，那么根据挠性转子动力学理论，可以推导出0)()()(0=⎰ds s s s m j li φφ（其中i ≠j ），即按第i 阶主振型分布的惯性力2)()(i i s s m ωφ在第j 阶振型的位移()s j φ中所作的功等于零，振型的这种性质称之为振型的正交性。

根据振型的正交性可知，第i 阶不平衡量仅对第i 阶主振型起作用，因此，从理论上讲，只要逐阶把不平衡量平衡，转子就可以完全平衡。

而在实际动平衡中，不可能也没有必要求得完全平衡的转子，这是因为一般挠性转子都是运转在低阶临界转速以下，转子的振动也主要由低阶不平衡谐量引起，所以，对于一般的挠性转子，只要平衡其低阶（通常为一阶和二阶）不平衡谐量，就可以达到良好的平衡效果。

3.2 振型平衡的理论条件[6] 设转子质量分布密度函数为m(s)，在s 处的偏心距矢为e ，第i 个校正面上的校正荷重之质径积矢为i U ，转子第m 阶主振型函数为)(s m φ，则平衡方程可写为： (1) (2) （m=1，2，……，N ） (3)上述式(1)和式(2)是转子刚性动平衡的条件，式(3)包括了N 个方程，N 为所需平衡的振型阶数，故上列三个式一共是N+2个方程，为使方程有唯一解，未知数i U 的个数应为N+2个，即必须选取N+2个校正面来平衡转子。

有另一种观点认为挠性转子不必满足式(1)和式(2)，而直接按振型平衡，故只需要N 个校正面。

这就是振型平衡法中N 法与N+2法的由来。

实践证明，N 法与N+2法各有优缺点。

从理论上讲，N+2法精度较高，但平衡时需要启停的次数较多，而N 法则相反，对一些初始不平衡量较大的转子可能会产生较大的振幅。

3.3 不平衡校正的计算方法[7]如图3所示，矢量代表对某个任意参考角度绘出的初始振动，矢量代表当在转子上加一试验质量组时在同一转速下对同一参考角度绘出的合成振动，那么，试验质量组的“效应”用矢量代表其幅值和角度。

因此，为使原始振动为零，试验质量组应移动角度BAO∠0)()(01=+⎰∑=l n i i U ds s e s m 0)()(01=+⎰∑=i l n i i S U sds s e s m 0)()()()(10=+∑⎰=i m n i i l m s U ds s s e s m φφ并且试验质量组中每个质量的大小按比例ABAO 进行调整。

A图 3 试验质量组的矢量效应4、 SGT5-4000F 燃气轮机转子动平衡工艺过程4.1 转子拎直在转子进行动平衡之前，转子已长时间静止放置，可能已产生较大弯曲，为减少弯曲，必须在动平衡之前先低速盘转转子一段时间，我们把这一过程称之为转子的拎直过程。

为避逸拖动转子的汽轮机在低速运行时排汽温度过高，可采用下图所示的升降速方法对转子拎直，整个过程中注意观测转子的振动不能超过7.1mm/s ，如果超过则应立即停下转子，通过低速动平衡来减少振动后再继续。

当转子在400r/min 的转速下测得的不平衡量稳定时，就可以认为转子已拎直。

400图 4 转子的拎直过程4.2 低速动平衡初始低速动平衡的目的是避免转子在尝试超速试验时产生过大振动，通常选择420r/min 的转速做低速动平衡，燃机转子在该转速下为刚性状态，可按照CAB690系统测试出来的残余不平衡量的值和相位来确定添加平衡块的数量和相位。

必要时要考虑一阶临界转速时的振型曲线，将主要的残余不平衡量放在转子中间的平衡面进行平衡。

对于该燃机转子，低速动平衡的平衡精度并没有硬性要求，但是应尽量做到ISO1940规定的G2.5级，经验表明，良好的低速动平衡对高速动平衡是有利的。

4.3 超速试验超速试验能使转子内应力完全释放，彻底完成塑性变形，利于后续做高速动平衡。

对于本燃机转子，需要进行2分钟3600r/min 的超速试验。

在尝试超速的过程中，应当严密观测转子的振动速度，振动速度不得超过7.1mm/s ，否则必须停下重新进行低速动平衡后再尝试超速。

经过超速试验后，转子在低速状态下的残余不平衡量通常都会发生改变，此时应当重做低速动平衡，并尽量平衡到ISO1940规定的G2.5级的要求。

4.4 高速动平衡高速动平衡主要是平衡一阶临界转速以及工作转速（靠近二阶临界转速）时的不平衡谐量。

根据上述的N+2法及N法，选择转子三个平衡校正面添加平衡块：两个校正面分别靠近压气机端和透平端，记为Ⅰ平面和Ⅱ平面，中间校正面位于压气机末级叶轮上，记为Ⅲ平面。

为了更直观地计算平衡配重，每次加平衡块后，在坐标纸上分别标出转子在1400r/min和3000r/min时测得的振动矢量，如图5、图6所示。

平衡配重的计算可参考上面3.3所述的方法，在实际操作中，可借签以往同类型转子的平衡经验进行估算。

以下以某电厂一根SGT5-4000F型燃气轮机转子在上海汽轮机厂做高速动平衡时的数据为例，说明具体的计算方法。

转子在第i次加好平衡块后，升速至1400r/min时，测得压气机端的振动为V i=402μm/s∠195°，透平端的振动为T i=585μm/s∠194°，分别将V i和T i在坐标纸上描出，如图5。