發(fā)電船用汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)分析與處理

摘要：振動(dòng)是汽輪機(jī)組故障中較為棘手的難題，這套汽輪發(fā)電機(jī)組應(yīng)用于某國(guó)外發(fā)電船上，在試車過(guò)程中，齒輪箱中的大齒輪振動(dòng)一直超標(biāo)，已經(jīng)影響到機(jī)組交付運(yùn)行。采用狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)某船用汽輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行頻譜分析和故障辨別，判斷出齒輪箱中大齒輪振動(dòng)的主要原因。之后采取加固公共底盤，更換饒性聯(lián)軸器等措施后，解決了機(jī)組振動(dòng)異常的問題。

關(guān)鍵詞：發(fā)電機(jī)組；發(fā)電船用汽輪；大齒輪；動(dòng)剛度；饒性聯(lián)軸器；公共底盤 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TM311 文章編號(hào)：1009-2374（2015）04-0139-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0350

1 設(shè)備概況

該設(shè)備為汽輪發(fā)電機(jī)組，中間用齒輪箱驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)。汽輪機(jī)與齒輪箱采用撓性聯(lián)軸器，齒輪箱和發(fā)電機(jī)采用剛性聯(lián)軸器連接。齒輪箱中的大齒輪為扭力軸。汽輪機(jī)工作轉(zhuǎn)速在5818rpm，工作轉(zhuǎn)速以下有一個(gè)臨界轉(zhuǎn)速。發(fā)電機(jī)工作轉(zhuǎn)速在1500rpm，遠(yuǎn)低于一階臨界轉(zhuǎn)速，因此屬于剛性轉(zhuǎn)子。

汽輪機(jī)和齒輪箱也是安裝一個(gè)小的公共底盤，然后和發(fā)電機(jī)直接固定在大的公共底盤。大的公共地盤底部是彈簧支撐，架設(shè)在發(fā)電船上。所有公共地盤材料都是鋼。其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：

圖1 汽輪機(jī)-齒輪箱-發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖 圖2 汽輪發(fā)電機(jī)測(cè)點(diǎn)

示意圖

該機(jī)組在每個(gè)軸承上安裝了2個(gè)電渦流傳感器，用于測(cè)量轉(zhuǎn)子相對(duì)于軸承的軸振動(dòng)。2個(gè)電渦流傳感器在其軸承測(cè)量面內(nèi)的安裝角度相互垂直。總體分布如圖2所示。

2 振動(dòng)的特征

2.1 振動(dòng)總體概述

其各振動(dòng)測(cè)點(diǎn)幅值歷史趨勢(shì)如圖3所示：

圖3 汽輪發(fā)電機(jī)組各振動(dòng)測(cè)點(diǎn)幅值歷史趨勢(shì)圖

圖中縱坐標(biāo)是振幅（um），橫坐標(biāo)是時(shí)間（s），747A/B和745A/B對(duì)應(yīng)于大齒輪上的軸振傳感器，對(duì)應(yīng)于示意圖中6和5位置，5號(hào)位置是靠近汽輪機(jī)端，6號(hào)位置是靠近發(fā)電機(jī)端。

從上圖可以看出：當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速在2000rpm之前，機(jī)組各個(gè)位置軸的振動(dòng)值合理并保持穩(wěn)定，當(dāng)?shù)退倥瘷C(jī)結(jié)束并且上升途中，齒輪箱大齒輪的振動(dòng)突然急速上升。尤其是接近3000rpm的時(shí)候，靠近發(fā)電機(jī)端的軸承迅速接近停機(jī)值（100um）。其他振動(dòng)還是處于20um以下，尤其發(fā)電機(jī)的前后振動(dòng)值有變小的趨勢(shì)。當(dāng)機(jī)組停機(jī)保護(hù)后，5和6號(hào)位置振動(dòng)值還是處于一個(gè)高位?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備只有測(cè)量相對(duì)振動(dòng)的位移傳感器，為此先增加測(cè)量軸承座絕對(duì)振動(dòng)的加速度傳感器。下圖是機(jī)組各個(gè)位置水平和垂直方向的數(shù)據(jù)，測(cè)量單位是mm/sec rms：

圖4 機(jī)組各個(gè)位置軸承座水平、垂直振動(dòng)值

從圖4中我們看出，在汽輪機(jī)2000rpm之前，機(jī)組各個(gè)軸承座振動(dòng)相對(duì)小，到接近3000rpm的時(shí)候，整個(gè)機(jī)組各個(gè)軸承座振動(dòng)迅速增大，出現(xiàn)共振現(xiàn)象。

2.2 大齒輪軸心位置異常

考慮到6的位置相對(duì)振動(dòng)很大，為此特別關(guān)注了大齒輪軸軸心位置的變化。如圖5所示：

圖5 6號(hào)位置軸心位置趨勢(shì)圖

汽輪機(jī)啟動(dòng)后，大齒輪軸心位置緩慢靠近傳感器747A，但只是移動(dòng)了一點(diǎn)。隨后迅速的遠(yuǎn)離。當(dāng)轉(zhuǎn)速升到3000rpm時(shí)，還是沒有改變軌跡，直至跳機(jī)。支撐大齒輪的軸承類型是普通二油葉，正常是隨著轉(zhuǎn)速增加，微微向上抬起并保持穩(wěn)定。這樣的左右移動(dòng)軌跡明顯被發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子拖動(dòng)。

2.3 發(fā)電機(jī)前軸承座啟停機(jī)異常

為了更好地識(shí)別振動(dòng)的來(lái)源，增加了速度傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)軸承座的絕對(duì)振動(dòng)。圖6是發(fā)電機(jī)前軸承座的開車停圖：

圖6 發(fā)電機(jī)前軸承座開停機(jī)圖

圖6上半部分是幅值和時(shí)間的關(guān)系，下半部分是相位與時(shí)間的關(guān)系。從開機(jī)整個(gè)過(guò)程中，整個(gè)前軸承座出現(xiàn)了好幾個(gè)振動(dòng)幅值波峰，同時(shí)相位也是大幅度改變。在發(fā)電機(jī)停機(jī)過(guò)程中，振動(dòng)不是穩(wěn)定下降，而是突然再次出現(xiàn)增加，來(lái)回幾次。與此同時(shí)，大齒輪的振動(dòng)也是隨之振幅上升。最關(guān)鍵的是觀察到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸振同步的不斷變小，剛好與軸承座的絕對(duì)振動(dòng)幅值相反。

3 振動(dòng)原因分析

大齒輪振動(dòng)頻譜主要是一倍頻成分，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子相對(duì)振動(dòng)隨著轉(zhuǎn)速上升減少，軸承座絕對(duì)振動(dòng)剛好相反，而且可重復(fù)性強(qiáng)。因此從以下三個(gè)方面考慮：

3.1 齒輪箱問題

斷開了齒輪箱和發(fā)電機(jī)的剛性聯(lián)軸器，打開齒輪箱，檢查大齒輪軸和軸瓦之間的間隙、緊力、接觸等數(shù)值，結(jié)果滿足合格證要求。對(duì)汽輪機(jī)和齒輪箱單獨(dú)開機(jī)，運(yùn)行到額定轉(zhuǎn)速發(fā)現(xiàn)各個(gè)位置相對(duì)振動(dòng)和絕對(duì)振動(dòng)都是相當(dāng)小，這樣可以排除振動(dòng)是由齒輪箱產(chǎn)生。

3.2 大齒輪與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子不對(duì)中

對(duì)齒輪箱和發(fā)電機(jī)中心進(jìn)行復(fù)測(cè)，發(fā)現(xiàn)左右中心偏差在0.07mm左右。對(duì)于剛性聯(lián)軸器，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，左右偏差要求在0.03mm之內(nèi)。轉(zhuǎn)子對(duì)中偏差的不平衡產(chǎn)生普通強(qiáng)迫振動(dòng)激振力，導(dǎo)致大齒輪振幅變大。但是之前的機(jī)組啟動(dòng)前，中心數(shù)據(jù)的復(fù)測(cè)是合格，這讓我們懷疑振動(dòng)來(lái)自發(fā)電機(jī)部分。

3.3 發(fā)電機(jī)與公共地盤的剛度不夠

眾所周知，機(jī)組的振動(dòng)增大除了激振力的增加外，還和機(jī)組的動(dòng)剛度減少有關(guān)系。

A=P/K

式中：A為振幅；P為激振力；K為動(dòng)剛度。

3.3.1 發(fā)電機(jī)連接剛度不夠。發(fā)電機(jī)支撐系統(tǒng)是由定子和公共地盤構(gòu)成。定子和公共地盤的連接緊密度對(duì)發(fā)電機(jī)的動(dòng)剛度影響很大。先用速度傳感器測(cè)量公共地盤和發(fā)電機(jī)底板的差別振動(dòng)，左右振動(dòng)發(fā)現(xiàn)非常高。然后把一塊百分表座架在公共地盤上，把表頭架在與公共地盤相連接的發(fā)電機(jī)底板上。測(cè)量出發(fā)電機(jī)出現(xiàn)了0.05mm的移動(dòng)，這是導(dǎo)致大齒輪軸心位置異常的根本原因。仔細(xì)檢查發(fā)電機(jī)與基礎(chǔ)連接部分發(fā)現(xiàn)了以下問題，這些都導(dǎo)致了定子與公共地盤緊力不夠：現(xiàn)場(chǎng)外方工程師對(duì)螺絲的規(guī)格進(jìn)行了更換；發(fā)電機(jī)上的2個(gè)對(duì)角定位銷沒有安裝，外方提供的公共底盤沒有對(duì)應(yīng)的銷孔；定子與底盤之間墊塊沒有采用材料是鋼的墊塊，并且墊塊上下表面很光滑。

3.3.2 公共地盤結(jié)構(gòu)剛度不夠。當(dāng)上述問題解決后，再進(jìn)行了開機(jī)測(cè)試。振動(dòng)特征轉(zhuǎn)變?nèi)缦拢簷C(jī)組能夠到達(dá)額定轉(zhuǎn)速，但是運(yùn)行較少一段時(shí)間后（比如10分鐘），齒輪箱振動(dòng)還是變大，并且汽輪機(jī)振動(dòng)也是迅速上升，機(jī)組存在共振現(xiàn)象。

其振動(dòng)原因整個(gè)發(fā)電機(jī)重量是在45t左右，之前的這種汽輪發(fā)電機(jī)機(jī)組是安裝在水泥基礎(chǔ)上。而現(xiàn)在這個(gè)公共地盤采用了鋼結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)的阻尼遠(yuǎn)小于水泥基礎(chǔ)，并且同樣的激振力下，鋼結(jié)構(gòu)的振幅比較大，其振動(dòng)的自由度比較多。

4 采取的措施及效果

為改善機(jī)組共振和盡可能減少大齒輪振動(dòng)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)狀況，我們采用的措施從下面兩點(diǎn)入手：

4.1 增強(qiáng)公共底盤結(jié)構(gòu)剛度

主要是焊接支撐筋改變?cè)瓉?lái)的結(jié)構(gòu)，另外增加地盤鋼板厚度等，目標(biāo)是盡大可能地提高地盤的靜剛度，但是這個(gè)方法在現(xiàn)場(chǎng)有一定局限性。

4.2 齒輪箱與發(fā)電機(jī)更換為饒性聯(lián)軸器

發(fā)電機(jī)端是產(chǎn)生振動(dòng)主要原因，通過(guò)饒性聯(lián)軸器來(lái)吸收部分振動(dòng)能量。

機(jī)組各軸承的振動(dòng)值符合國(guó)家表中的良好水平。

2014年8月份對(duì)改造后的汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組再次進(jìn)行了試車，到額定轉(zhuǎn)速后停留了大概1小時(shí)，其大齒輪靠近汽輪機(jī)的振動(dòng)值是16.3um、13.6um，靠近發(fā)電機(jī)端的振動(dòng)是63.0um、39.2um，試車獲得圓滿成功。

參考文獻(xiàn)

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[3] Donald E.Bently，Charles T.Hatch.Fundomentals of Rotating Machinery Diagnostics.2002.

作者簡(jiǎn)介：黃勇（1981-），男，浙江嵊州人，杭州汽輪機(jī)股份有限公司工程師，碩士，研究方向：汽輪機(jī)組安裝調(diào)試及振動(dòng)處理。

（責(zé)任編輯：蔣建華）