汽輪發電機轉子突發性振動問題分析

張健

摘 要：本文分主要對在實際運作過程中的發電機轉子出現突發性振動情況的主要因素、振動特征及其診斷手段進行分析，并依據實際例子進行論述。筆者依據多年經驗認為，突發性振動出現的原因是在實際運作的時候轉子的油膜渦動及其匝間出現短路的情況、線圈發生膨脹等多方面引起的熱不平衡現象。關鍵詞：發電機轉子；突發性振動；研究通常情況下，引發發電機轉子出現振動問題的因素有諸多種，經常看到的有以下幾種：第一種是轉子質量不平衡；第二種是轉子不對中；第三種是共振等。不僅僅如此，也可能由于線圈出現短路、冷卻系統發生堵塞的情況等因素也會導致轉子熱不平衡亦或是油膜震蕩而引起振動的情況。前者引發的通常是較為穩定性的振動，但是后者經常會出現突發性亦或是不穩定的振動，這樣產生的危害也就會越大些。基于此，本文主要對電機轉子發生突發性振動的成因情況及其診斷方法進行論述，并以一臺6MW機組油膜半速渦動引起的突發性振動情況作為主要論述對象進行論述，提出合理化建議，供以借鑒。1 發電機轉子突發振動原因分析1.1 油膜渦動和油膜振蕩不穩定油膜渦動是普通潤滑軸承發生次同步不穩定振動動問題的主要原因。油膜渦動是油膜力激發的振動，此時正常運行條件的改變（如傾角和偏心率）引起油楔“推動”轉軸在軸承中運動，因而在旋轉方向產生的不穩定力使轉子發生渦動（或正進動）。如果系統內存在足夠大的阻尼，則轉軸回到其正常位置，變得穩定；否則，轉子將繼續渦動，出現較大的不穩定振動。油膜不穩定渦動一般是由于過大的軸承磨損或間隙，不合適的軸承設計，潤滑油參數的改變等因素引起的。根據振動頻譜很容易識別油膜渦動不穩定，其出現時的振動頻率為同步振動頻率的40%～48%，接近轉速頻率的一半，也常稱為油膜半速渦動。由于發電機轉子的一階臨界轉速較汽輪機轉子的一階臨界轉速要低，故一般發電機轉子更容易發生油膜渦動或油膜振蕩。早期的國產200MW和300MW機組由于設計的軸承穩定性裕度偏小，致使一些機組的發電機轉子在超速和帶負荷運行工況曾發生過油膜振蕩故障，后采用更換軸承等措施基本解決了這類機組的油膜振蕩問題。但近年來實際仍存在一些機組的發電機轉子發生突發性的油膜渦動不穩定現象，尤其是一些中小容量機組（100MW以下）。在運行工況下，它易受由于轉軸找正而造成的偏差大小、軸承標高的變化（引起軸承負載變化）及供油溫度變化的影響。1.2 轉子熱不平衡轉子熱不平衡是指轉子受熱后發生的軸彎曲現象。通常熱不平衡產生的振動為基頻成分。當振動與勵磁電流有關，且振動的變化與電流的改變存在時滯，則可確認發電機轉子存在熱不平衡。除轉子鍛件材料的各項異性（不均）外，發電機轉子產生熱不平衡的其他常見原因有：轉子冷卻系統不對稱、轉子受熱不均勻、轉子線圈熱膨脹不均而產生的內摩擦力及動靜碰磨。2 一臺6MW機組油膜半速渦動引起的突發性振動2.1 機組概況和振動特征該機組主要由某城市的汽輪機生產出來的一款產品，并且是在1995年開始投入使用的。在1996年12月一直到1997年1月的時間中進行調試，并且在具有較大負荷的情況下，3號軸承發生突發性振動的情況。在發電機的參數中顯示為5.5MW、3.5MVAD的時候，3號軸承產生的數值從原來的40μm逐漸增加到70μm，并且其他幾個軸承振動也發生了較大的變化，但是沒有較大的幅值。這個時候相關人員依據振動頻譜進行分析，突發性振動主要來源于半頻（25Hz），這個時候3號軸承垂直是25μm，占據了通頻振動的42%，水平振動半頻分量是40μm，占據了通頻振動的81%。2.2 振動分析與處理相關人員依據上面振動情況能夠對發電機大負荷及其高無功條件下3號軸承產生的油膜半速渦動辨別出來，所以當前決定對軸瓦是否安裝恰當進行詳細的檢查。由于之前沒有保存的有關記錄，只有把2、3號軸承座的上蓋地方開啟，采取就地方式進行檢測。測量所得到的結果較好的顯示出：3號軸承上面間隔的距離為260μm，并且兩端側隙大概在250μm的范圍內，軸瓦朝著南側偏移了大概50μm左右。相關人員將發動機停止大概72h以后，對轉子揚度進行認真檢測以后可以得知，3號軸承標高要比2號軸承要小出150μm，但是制造廠家往往要求冷卻安裝的過程中，2號軸承標高應當控制0，并且1號和3號軸承標高要做到向上揚升。所以，3號軸承發生半速渦動主要因素是由于相關人員沒有規范安裝軸瓦，這樣致使3號軸承標高處于不高的狀態，當大負荷運作的時候就會致使標高發生變化，導致3號軸承出現輕載的情況，減少了軸瓦的穩定性能。針對3號軸承安裝的實際測量情況，提出抬高軸承標高、減小頂隙、刮大兩側間隙，并重新對輪找中的方案。最終調整結果為3號軸承下瓦墊高100μm，南側墊50μm，3號軸承中分面拆墊100μm，4號軸承座底部墊高100μm。最后測量3號軸承下瓦兩側間隙250μm，頂隙180μm，上瓦頂部緊力70μm。該調整方案實施后，機組可帶大負荷運行，并順利完成72h試運行。在此期間，機組曾帶超額定有功及4.8MVA無功運行，均未出現突發性振動。機組帶大負荷運行后振動穩定，額定工況附近3號軸承最大振動30μm左右。其余軸承各方向振動均在20μm以內。3 結束語通過以上內容的論述，可以得到以下幾點結論：（1）發電子轉子在實際運作的時候出現突發性振動是因為在熱態的環境下，軸承油膜處于不穩定的狀態亦或是轉子出現熱不平衡的情況導致的，并且和有功負荷以及相關勵磁電流之間有著密切的聯系。（2）轉子冷卻時間不均勻，受熱出現不均勻的情況等問題，都有可能致使發電機轉子出現熱不平衡的情況。（3）相關人員可以在實際現場中關于振動特點能夠對誘發轉子出現突發性振動的情況進行確定，并采取恰當的解決措施。參考文獻[1]劉俊英，張楊，張禹卓.帶小軸的汽輪發電機轉子裝配工藝探討[J].電站系統工程，2012（01）.[2]李建生.汽輪發電機轉子的修復技術[J].四川電力技術，2005（04）.[3]李冰，朱嶸.300MW汽輪發電機轉子現場大修[J].黑龍江科技信息，2003（06）.[4]胡乃琴，歐金齋，冷慧明.汽輪發電機轉子車削新工藝及其應用[J].東方電氣評論，2002（01）.