汽轮机转子动平衡检测技术规范

1 检测项目分类及技术要点

汽轮机转子动平衡检测主要分为工厂制造过程中的初始平衡、现场检修后的平衡以及运行中振动超标后的在线平衡三大类。根据平衡工艺和转子结构特征，检测项目可细分为刚性转子动平衡和柔性转子动平衡两类。

1.1 刚性转子动平衡
适用于工作转速远低于一阶临界转速的转子（通常工作转速低于0.5倍一阶临界转速）。平衡在低速动平衡机上进行，平衡转速通常在几百转每分钟。

• 技术要点：

  • 力偶平衡与静平衡： 对于盘状转子，主要检测静不平衡；对于长径比较大的转子，需同时检测动态不平衡（力偶）。

  • 平衡面选择： 一般情况下，选择两个校正平面。对于均布质量的长轴，校正平面应选在靠近轴承支撑的位置。

  • 允许残余不平衡量计算： 根据ISO 1940-1标准，按照转子质量、工作转速及平衡品质等级G计算允许剩余不平衡量。汽轮机转子通常要求G1.0级或G2.5级。

  • 测量方法： 采用解算电路将左右支撑点的振动信号分离，分别得出左右校正平面的不平衡量大小和相位。

1.2 柔性转子动平衡
适用于工作转速超过一阶临界转速的汽轮机转子（绝大多数高压、中压和低压转子均属此类）。平衡需在高速动平衡机或真空中进行，平衡转速需覆盖直至工作转速的范围。

• 技术要点：

  • 模态平衡法： 针对转子的一阶、二阶甚至三阶弯曲振型进行平衡。需在不同转速下，根据振型函数施加相应的平衡配重，确保在各阶临界转速下振动均达标。

  • 影响系数法： 通过在特定平面上施加试重，记录从低速到高速各轴承在各转速下的振动响应，计算影响系数矩阵，通过求解方程组得出最佳配重方案。该方法依赖计算机辅助计算。

  • 多平面多转速平衡： 柔性转子至少需要在高、中、低三个转速下进行振动监测，且平衡面通常多于两个（常见为3-6个平面）。

  • 滞后角修正： 在通过临界转速时，不平衡质量与振动高点之间的相位差会发生变化（滞后角），计算配重角度时必须考虑滞后角的修正。

1.3 现场动平衡
在不揭缸、不将转子吊出的情况下，在轴承座上安装传感器进行的在线或停机动平衡。

• 技术要点：

  • 影响系数现场标定： 利用已知试重，获取现场支撑刚度下的振动响应特性。

  • 全息动平衡： 利用转子的轴心轨迹信息，不仅考虑振幅和相位，还考虑振动的椭圆度和进动方向，通过全息谱分析识别不平衡空间方位，能有效区分不平衡与热弯曲、不对中等问题。

  • 配重位置限制： 只能在联轴器、平衡槽、风扇叶片等现有可操作位置进行加重或去重。

2 各行业检测范围的具体要求

不同行业对汽轮机的运行可靠性和振动严酷度要求不同，因此动平衡检测的标准存在差异。

2.1 电力行业（火力发电、核能发电）

• 检测范围： 涵盖高中压转子、低压转子、发电机转子及励磁机转子。

• 具体要求：

  • 制造阶段： 高速动平衡必须在真空仓内进行。对于300MW以上机组，要求轴承座振动速度有效值通常不大于2.8 mm/s（或振幅不大于0.05mm）。要求在工作转速下及通过临界转速时，各轴承振动在允许范围以内。

  • 验收标准： 主要依据国家标准GB/T 6075.2（或ISO 10816-2）。对于额定功率大于50MW的陆地安装大型汽轮机，在额定转速下，轴承盖振动速度有效值的评价区域通常要求达到A区（良好）或B区（合格），即通常小于3.8 mm/s。对于特大型机组，轴振动的峰峰值通常要求低于80μm（根据具体通流直径调整）。

  • 检修标准： 大修后启机，若轴承振动超过11.8 mm/s或轴振超过250μm，需停机进行现场动平衡。

2.2 化工与石油行业（驱动压缩机、风机）

• 检测范围： 工业驱动汽轮机（通常功率小于50MW，转速较高，可达10000 rpm以上）。

• 具体要求：

  • 转速特性： 驱动用汽轮机多为变转速运行。平衡验证必须在整个调速范围内进行，确保不存在危险共振点。

  • 防爆与工艺要求： 对于存在易燃易爆介质的场所，振动监测不仅考虑机械损伤，还需防止因振动产生火花。平衡品质通常要求G1.0级，严格程度高于普通发电辅机。

  • 联锁值设定： 轴承振动通常设有报警值和跳机值，例如轴振报警值通常设置为100μm，跳机值设置为150μm（具体视轴径和制造商规范而定）。

2.3 船舶与海洋工程

• 检测范围： 船用汽轮机及齿轮箱。

• 具体要求：

  • 安装基座影响： 船体为柔性结构，动平衡需考虑船体变形和冲击载荷的影响。平衡状态需在模拟倾斜、摇摆工况下进行验证。

  • 噪音控制： 除振动幅值外，对由不平衡引起的结构噪声有严格要求，需满足军标或船级社的噪声限值要求。

  • 标准依据： 通常遵循各船级社（如ABS、DNV、CCS）的规范，要求轴承座振动速度在全转速范围内不超过4.5 mm/s。

3 检测仪器的原理和应用

3.1 机械式及电子式动平衡机

• 原理：

  • 硬支承平衡机： 支撑刚度较大。转子旋转产生的不平衡离心力迫使支撑产生微小的位移。通过测量该位移量（与不平衡力成正比），并根据转子质量和几何尺寸，直接计算出不平衡量。符合“力”测量原理，无需频繁标定。

  • 软支承平衡机： 支撑弹簧刚度较小。转子旋转时，支撑系统在低于共振频率的状态下振动。通过测量支撑的振动幅值（与不平衡量成正比）和相位，计算不平衡量。需对不同重量的转子进行标定。

• 应用：

  • 广泛应用于制造厂和维修车间的低速动平衡。

  • 可精确测量不平衡量的具体位置（角度）和质量，具备去重或配重钻孔指示功能。

  • 适用于汽轮机叶片、叶轮、单个转子体的初平衡。

3.2 数显振动分析仪与现场动平衡仪

• 原理：

  • 传感器： 通常配接磁电式速度传感器或电涡流位移传感器。

    • 速度传感器： 安装在轴承座上，测量轴承座的绝对振动速度。

    • 电涡流传感器： 安装在轴承附近的支架上，测量转子相对于轴承的相对振动位移。

  • 信号处理： 内置高性能ADC（模数转换器）和DSP（数字信号处理器），对采集到的振动时域信号进行快速傅里叶变换（FFT），提取基频分量（即1X倍频，与转速同频）的幅值和相位。

  • 矢量计算： 采用矢量合成原理，通过“试重法”或“影响系数法”，利用内置软件自动计算所需配重的大小和角度。

• 应用：

  • 现场检修后启机前的快速平衡校正。

  • 不停机在线监测系统报警后的故障确诊与动平衡校正。

  • 适用于无法将转子吊出的场合，直接在联轴器、平衡槽等位置进行校正。

3.3 电涡流位移传感器与在线监测系统

• 原理：

  • 高频磁场检测： 探头端部产生高频振荡磁场，当金属转子表面靠近时，感应出涡流。探头与转子表面的间隙变化，导致线圈等效阻抗改变，进而调制振荡器的输出电压。该电压与间隙大小成线性关系。

  • 键相传感器： 配合转轴上的凹槽或凸键，每转一圈产生一个脉冲信号，用于提供相位基准和转速测量。

• 应用：

  • 大型汽轮发电机组TSI（汽轮机监测仪表系统，Turbine Supervisory Instrumentation）系统的核心组成部分。

  • 实时监测轴振（X、Y方向）、轴向位移、偏心度。

  • 数据输入至振动分析系统，用于长期趋势分析、故障诊断（如不平衡、不对中、碰摩）以及自动动平衡系统的反馈控制。

3.4 全息谱分析仪

• 原理：

  • 融合两个相互垂直方向（X、Y）的电涡流传感器信号。

  • 通过集成处理，将不同频率下的振动分量合成，绘制出随转速变化的轴心轨迹（李萨如图形）。进一步分解为正进动和反进动圆，形成全息谱。

  • 不平衡故障在全息谱上表现为：1X倍频分量呈椭圆形，且长轴方向稳定，正进动占主导。

• 应用：

  • 疑难振动故障的诊断，精确区分不平衡与弯曲、热变形。

  • 高精度现场动平衡方案设计，特别是对于支撑刚性各向异性较强的机组，全息平衡能有效降低试重次数，提高平衡精度。