淺析發電機轉子振動故障的診斷及處理

顧凱凱

摘要：大型發電機振動故障有很多類型，熱彎曲是比較常見的振動故障，其主要原因包括材質問題、冷卻系統故障、轉子線圈膨脹受阻、匝間短路等。本文以某1000MW汽輪發電機為例，對發電機轉子振動故障的診斷及處理進行分析探討。

關鍵詞：發電機；轉子；振動故障；診斷；處理

1機組簡介

某廠2×1000MW超超臨界汽輪發電機組由上海發電機廠與德國西門子公司聯合設計生產。發電機型號為THDF125/67，采用水—氫—氫冷卻方式。勵磁系統采用靜態勵磁和無刷勵磁2種方式。機組軸系由5個徑向橢圓軸承支撐，高壓轉子為雙支撐結構，中壓和低壓轉子為單支撐結構，發電機轉子和勵端小軸為三支承結構，各轉子間均用剛性聯軸器連接，其軸系布置如見圖1所示。

2發電機轉子振動故障的診斷及處理

2.1振動現象

機組自投入生產以來，發電機在整個沖轉過程中，振動良好，無異常振動特征。發電機在機組初定速以及初帶負荷的時候，5號瓦、6號瓦振動均小于80μm且振動穩定；但隨著機組負荷逐漸升高，5號瓦、6號瓦振動也隨之升高，當機組升至滿負荷時，5號瓦、6號瓦振動最大為150μm；當機組負荷下降時，5號、6號瓦振動也隨之下降。

2.2可能導致發電機轉子熱不平衡振動的幾種常見原因

（1）冷卻系統故障。對于氫內冷發電機，通風孔是轉子熱交換的主要風路通道，通風孔變形、雜物堵塞等會引起通風孔通流面積減小，這將破壞冷卻的對稱性，使轉子橫截面的溫度不對稱，進而引起熱彎曲。該故障的特點是：隨著氫溫的升高，發電機轉子的冷卻效果會變差，但轉子不對稱冷卻程度就相對減小，最終導致熱不平衡振動減小。

（2）轉子繞組匝間短路。由于發電機短路，定子膛內被污染，沒有被徹底清理的污染物可能會進入轉子通風槽或其他部位，從而引起匝間短路。

（3）轉子材質不均。轉子材質不均是指轉子鍛件的氣隙、夾雜、鼓泡等使轉子徑向纖維組織不均勻，導致材料的物理特性存在各向異性。這類問題通常由鍛件生產和熱處理過程中的缺陷引起。在機組運行中，當材質各向異性的轉子受熱以后，轉軸將會產生不均勻的軸向或徑向膨脹，引起轉子出現熱彎曲，從而導致不平衡振動。轉子材質不均導致的故障主要有以下幾個特點：①轉子電流越大（與機組有功、無功負荷正相關），轉子的熱彎曲量越大，產生的不平衡振動也就越大；②材質不均導致的熱彎曲一般具有可逆性，因此其誘發的不平衡振動隨轉子電流的變化有較好的重復性；③由于發電機轉子質量大，其對熱量的反應具有一定的滯后性，因此振動變化也會滯后于轉子電流的變化；④由于轉子材料物理特性的各向異性是一定的，其受熱時彎曲的方向不變，所以其振動的相位基本維持不變。

（4）轉子線圈膨脹受阻。發電機的磁場由轉子繞組的勵磁電流建立，勵磁電流通過繞組并加熱線圈，線圈受熱后向兩端膨脹。如果這種膨脹不受約束，并不會在轉子上產生內應力，而在旋轉過程中線槽中的銅線承受巨大離心力，使線圈緊貼在槽楔和護環的內壁，導致結合面存在很大的摩擦力，阻礙線圈膨脹；如果有些線槽中的線圈完全膨脹出來，膨脹受阻的線圈將產生一個反作用力，通過槽楔和護環作用在轉子上，使轉子彎曲。

2.3振動相關試驗

為了進一步查明根本原因，對機組先后進行了變氫溫試驗、變密封油試驗、變有功試驗、變無功試驗。在變氫溫試驗、變密封油溫試驗、變無功試驗過程中，5號、6號、7號瓦振動幅值和角度均無明顯變化，振動基本保持穩定。在進行變有功功率試驗時，隨負荷增加5號、6號、7號瓦軸承出現明顯爬升，試驗測試數據見表1。

變氫溫試驗、變密封油溫試驗、變無功試驗的結果表明：試驗對5號瓦、6號瓦、7號瓦振動無明顯影響，基本可以排除冷卻系統故障、線圈膨脹受阻、匝間短路等故障。根據軸系布置圖，5號瓦為低壓缸后軸承，6號瓦、7號瓦為發電機前后軸承，隨著機組負荷升至高負荷時，5號瓦、6號瓦振動上升幅度較大，6號瓦、7號瓦相位增大。根據這些振動特點，判斷發電機轉子材質不均、受熱不均勻，導致轉子熱彎曲和低發對輪中心產生偏差的可能性較大。

2.4振動處理措施

根據以上診斷結果，決定在機組停機之后，對其進行汽發對輪中心重新校正對中，并在汽發對輪上進行現場動平衡。經計算，在汽發對輪上加重1.04kg逆轉向120°的平衡塊，降低發電機轉子在高負荷時熱彎曲的振動，兼顧發電機空載時的振動，同時根據廠家要求對汽發對輪中心等安裝參數重新進行調整和對中。經過現場動平衡和汽發對輪中心調整后，機組再次啟動，空載時，機組發電機前后軸振均小于60μm，振動處于優良水平；機組逐漸帶至高負荷，5號、6號、7號瓦振動平穩，未出現振動異常波動，振動問題得到解決。

3結論

（1）引起發電機轉子振動的原因很多，需根據振動特點和有關試驗情況進行綜合分析并逐一排除。在分析轉子熱致不平衡振動的時候，往往將重點放在轉子存在匝間短路上，而忽視了轉子存在材質缺陷而導致振動異常的可能。（2）轉子返廠修理后，一定要在制造廠轉子試驗臺上做好熱態動平衡試驗（模擬滿負荷工況下轉子運行溫度）。（3）該發電機轉子因材質不均而引起較大的原始熱彎曲，雖然原始出廠時熱態動平衡試驗合格，但實際運行情況中存在較大偏差。因此，針對存在較大熱彎曲的發電機轉子，有關出廠前的熱態動平衡試驗方法還需進一步研究、改進，以使其盡量符合實際工況。（4）發電機三相短路的電、熱、機械應力對轉子的平衡有不利影響，因此應嚴格執行防止發電機短路的反事故措施，防止發電機短路故障的發生。

參考文獻：

[1]某電廠發電機振動故障診斷及處理[J].劉樹鵬，葛祥.大電機技術.2016（03）.

[2]某電廠2號機組發電機轉子熱彎曲故障診斷[J].孔祥渠，王帥，楊承剛.科技風.2014（04）.

（作者單位：中機國能電力工程有限公司）