發電機組軸向振動導致故障原因分析

趙建勇 宋子義

（勝利油田電力管理總公司 山東東營）

PG6531B燃氣輪機發電機組主要由燃氣輪機、負荷齒輪箱和發電機組成。負荷齒輪箱的任務是將燃氣輪機轉速（5100 r/min）降為發電機轉速（3000 r/min）并將燃氣輪機扭矩傳遞給發電機。發電機的兩個軸承為端蓋式軸承。機組在原廠曾發生發電機后軸瓦后端面與轉子軸肩碰磨故障，搬遷至新廠運行2000 h發生負荷齒輪箱傳動失效故障。

一、軸瓦與軸肩碰磨故障分析

1.故障現象

機組運行過程中發生發電機后軸承振動大跳閘。檢查發現軸瓦的后端面與轉子軸肩發生嚴重碰磨，軸瓦阻油環過熱燒裂，軸瓦后側的烏金軸向30 mm范圍內熔化，軸肩軸向40 mm范圍內呈亮黑色，軸承端蓋螺栓全部松動，軸承端蓋與箱體結合面頂部出現3 mm間隙。

2.故障原因分析

機組運行時，發電機后軸承軸向振動在11～13 mm/s水平，水平、垂直振動小一些。檢查發現發電機定子的軸向安裝尺寸與圖紙尺寸相比向后移動了10 mm，即軸瓦后端面與轉子軸肩的軸向間隙縮短了10 mm。

軸承端蓋因軸向振動過大導致其與箱體的連接螺栓承受較大的動應力，長時間運行后，螺栓發生松動，軸承座傾斜、后移，軸瓦后端面與轉子軸肩的軸向間隙進一步減小。螺栓松動后，軸承座的支撐剛度降低，軸向振動進一步增大，軸承座傾斜、后移幅度進一步增加，最終導致軸瓦后端面與轉子軸肩的軸向間隙消失而碰磨。

二、負荷齒輪箱傳動失效原因分析

1.負荷齒輪箱結構及傳扭過程

負荷齒輪箱為人字齒輪構成的一級減速機構，結構如圖1所示。小齒輪加工成內部中空結構，高速軸從小齒輪中間通過。高速軸的發電機端加工有外花鍵，與花鍵齒套接在一起互相嚙合。花鍵齒套與小齒輪的法蘭通過螺栓連接在一起，高速軸與燃氣輪機轉子剛性連接。大齒輪結構與小齒輪相似，低速軸與發電機轉子剛性連接。花鍵軸和花鍵齒套通過花鍵齒兩端的臺階過盈配合連接來保證二者定心。花鍵齒套與大齒輪花鍵齒套尾端各有一個尾盤（圖2），通過6條螺栓和花鍵軸連接，加上過盈配合力一起防止花鍵軸和花鍵軸套軸向活動。當燃氣輪機扭矩傳遞給高速軸后，高速軸通過花鍵軸傳遞給花鍵齒套，再傳遞給小齒輪。小齒輪將扭矩傳遞給大齒輪，再通過大齒輪花鍵齒套傳遞給低速軸，最后把燃氣輪機的扭矩傳遞給發電機。

圖1 負荷齒輪箱嚙合齒輪示意圖

2.故障現象

機組帶27 MW負荷運行，突然發生有功降到0 MW，無功14 Mvar，燃機轉速升高到5440 r/min，發電機3000 r/min運行，手、自動均無法升負荷。斷開發電機出口開關52G準備重新并網，燃機轉速恢復到5100 r/min，但發電機轉速下降，隨后負荷齒輪箱發出異常響聲，緊急停機。停機后盤車，燃氣輪機軸轉動，發電機軸不轉動。

解體檢查負荷齒輪箱，發現低速軸花鍵齒與花鍵套傳動失效，導致燃機扭矩不能傳遞到發電機。尾盤螺栓有2條斷裂，其余4條松動（圖2），過盈配合及花鍵齒傳動失效。

圖2 低速軸尾盤螺栓斷裂和松動

3.傳動失效原因分析

發電機轉子軸向振動，導致低速軸與花鍵套的過盈配合產生微動磨損和松動而失效，尾盤連接螺栓也承受較大應力。當軸瓦與轉子軸肩碰磨時，轉子會產生很大的向后的軸向力，該軸向力將低速軸花鍵套的尾盤螺栓拉長、拉斷，低速軸與花鍵套失去軸向限位功能而軸向相對活動。機組搬遷前大修時，沒有對負荷齒輪箱進行檢查，對螺栓斷裂、花鍵齒軸向相對活動現象也沒有發現。

機組試運時，發電機后軸承振動值垂直6 mm/s、水平9 mm/s、軸向12 mm/s水平。機組原設計只安裝了水平方向振動探頭，沒有垂直和軸向監測，監測系統顯示的振動值為9 mm/s水平。現場人員認為振動值偏大，將振動探頭由原來的水平方向改為垂直方向安裝，監測系統顯示振動值為6 mm/s水平。在軸承振動未改觀的情況下，認為機組的振動值處于合理水平，遂交工投運。

機組運行期間，出現負荷齒輪箱箱體及軸承有溫度升高及振動增大現象，應為花鍵齒磨損所致，但運行人員認為沒有超過限值，繼續運行。

軸向振動一直較大，花鍵齒及過盈配合面始終存在軸向摩擦及磨損，同時還伴有徑向摩擦及磨損。花鍵齒存在較大的軸向相對運動，產生的磨損很劇烈。隨磨損量的增加，磨損速度不斷加快，最終導致花鍵齒傳動失效。

三、軸向振動大原因

1.軸瓦安裝存在偏差

軸瓦安裝時存在傾斜，沒有與軸頸保持揚度一致，軸頸的中心線和軸瓦的中心線產生了一個夾角，轉子旋轉狀態下，油膜會產生一個軸向力，這個軸向力誘發端蓋的軸向振動，同時對端蓋產生一個偏轉力矩。軸瓦存在傾斜，轉子落位后，軸頸的承力中心線落在了軸承端蓋幾何中心線的外側，轉子的重力及振動力對端蓋施加一個偏轉力矩。偏轉力矩誘發螺栓松動及軸向振動增大。

2.后軸承座支撐剛度降低

后軸承座與箱體的連接螺栓因承受較大的軸向動應力而松動，軸承座剛度降低，兩個軸承座的支撐剛度不對稱，支撐剛度降低的后軸承座軸向振動增加。

3.聯軸器對中值超標

相當于轉子存在永久彎曲，運轉中產生偏心力，從而造成轉子不平衡振動。由于偏心力的半徑較小，反應在軸承振動上是軸向振動較大，垂直、橫向振動較小。

4.軸瓦間隙超標

軸瓦的垂直間隙超標0.15 mm，容易誘發振動。

四、小結

機組存在較大的軸向振動是導致軸瓦與轉子軸肩碰磨、花鍵齒傳動失效的根本原因，運行及檢修人員未對軸向振動給予高度重視是故障的主要原因。運行人員應提高責任心，對軸向振動及其它參數變化及異常情況給予高度重視，發現問題及時處理。檢修人員應嚴格按照檢修規程對設備進行檢查、檢修。

該機組監測最小振動值的做法是嚴重錯誤的，應該監測振動值最大者，最好能同時監測3個方向的振動值。目前很多機組（尤其是小機組）未安裝軸向振動監測探頭，但軸向振動的危害不可小覷，可以加裝軸向振動探頭或定期進行現場實測來加強軸向振動的監測。