背壓汽輪發(fā)電機(jī)組軸承振動(dòng)原因分析及處理

閻志敏

摘 要：介紹了引起汽輪發(fā)電機(jī)組軸承振動(dòng)的各種可能因素，依據(jù)某項(xiàng)目汽輪發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)試運(yùn)過(guò)程中軸承發(fā)生的各種振動(dòng)現(xiàn)象，分析了造成振動(dòng)的原因，并提出了解決方法。

關(guān)鍵詞：背壓汽輪發(fā)電機(jī);軸承振動(dòng);綜合處理

中圖分類號(hào)：TM311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）18-0068-02

汽輪機(jī)作為高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械設(shè)備，軸承振動(dòng)指標(biāo)的好壞是決定機(jī)組是否可以安全運(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù)。但在實(shí)際工程中，經(jīng)常發(fā)生由于汽輪發(fā)電機(jī)組軸系振動(dòng)不能正常運(yùn)行的情況，引起其振動(dòng)的原因是多方面的，主要與機(jī)組本身設(shè)計(jì)和制造、施工安裝及運(yùn)行維護(hù)水平有關(guān)，但實(shí)際發(fā)生的軸承振動(dòng)現(xiàn)象不是單一的，只有在機(jī)組制造和安裝過(guò)程實(shí)施綜合質(zhì)量的把控，才能防止問(wèn)題的出現(xiàn)。

1 故障的發(fā)現(xiàn)及經(jīng)過(guò)

2016年我公司承擔(dān)的某項(xiàng)目2#汽輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)入試運(yùn)行階段，但由于3#軸承和4#軸承振動(dòng)超標(biāo)，機(jī)組啟動(dòng)試用過(guò)程持續(xù)7月之久，試用啟動(dòng)次數(shù)達(dá)十多次。該項(xiàng)目2#汽輪發(fā)電機(jī)組為25MW背壓式機(jī)組，機(jī)組四個(gè)軸承X方向與Y方向均安裝有美國(guó)本特利BENTLY軸振測(cè)量系統(tǒng)。以下為其中八次啟動(dòng)情況介紹：

2016年3月17日機(jī)組第一次啟動(dòng)，各項(xiàng)檢查正常后開始暖機(jī)、沖轉(zhuǎn)、升速，并網(wǎng)后帶負(fù)荷0.8MW，運(yùn)行基本穩(wěn)定。但1#軸承（汽輪機(jī)前軸承）和3#軸承（發(fā)電機(jī)前軸承）軸振值偏高，分別為107um和112um。

2016年5月03機(jī)組第二次啟動(dòng)，沖轉(zhuǎn)定速后，1#軸承（汽輪機(jī)前軸承）和3#軸承（發(fā)電機(jī)前軸承）軸振值偏高，分別為109um和124um。

2016年5月30日停機(jī)復(fù)查對(duì)輪后第三次啟動(dòng)，定速后#1、#3軸瓦振動(dòng)為109μm和122μm，復(fù)查前后振動(dòng)值變化很小，沒(méi)有好轉(zhuǎn)。

經(jīng)過(guò)檢查調(diào)整后于6月24日第四次啟動(dòng)，順利并網(wǎng)運(yùn)行12小時(shí)后，各軸承的振動(dòng)突然異常并快速上升，最終不得不打閘停機(jī)。

6月27日第五次啟動(dòng)，冷態(tài)下暖機(jī)、并網(wǎng)直到帶初負(fù)荷，各軸承振動(dòng)情況均良好。停機(jī)后進(jìn)行熱態(tài)啟動(dòng)，定速后未見異常，當(dāng)升壓準(zhǔn)備并網(wǎng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)隨著發(fā)電機(jī)電壓升高，所有軸承振動(dòng)逐漸增大，特別是3#瓦和4#瓦振動(dòng)上升較快。

7月17日現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡試驗(yàn)后，第六次啟動(dòng)并定速3000轉(zhuǎn)時(shí)，#3瓦軸振（X：21.8μm;Y：19.1μm），#4瓦軸振（X：70.5μm;Y：56.0μm），加勵(lì)磁后#3、4瓦軸振均開始變大，4瓦報(bào)警，帶負(fù)荷3MW時(shí)，#3瓦軸振為（X：88.4μm;Y：45.8μm），#4瓦軸振（X：140.3μm;Y：87.7μm），振動(dòng)還有上升趨勢(shì)。后打閘停機(jī)，半小時(shí)后進(jìn)行第七次啟動(dòng)，定速后#3瓦軸振（X：21.8μm;Y：19.1），#4瓦軸振（X：70.5μm;Y：56μm）。再次加勵(lì)，#3瓦軸振為（X：103.2μm;Y：55.0μm）和#4瓦軸振為（X：139.5μm;Y：90.0μm），情況沒(méi)有任何改觀，振動(dòng)仍有上升趨勢(shì)。

8月25日#2機(jī)發(fā)電機(jī)返制造廠，9月25日#2發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子返廠回來(lái)，第八次啟動(dòng)。定速初期，整個(gè)軸承系統(tǒng)各瓦振動(dòng)良好（比初次啟動(dòng)要好，同時(shí)在升速過(guò)程中發(fā)電機(jī)熱臨界2400r振動(dòng)突變也沒(méi)有出現(xiàn)），加勵(lì)過(guò)程中也未見振動(dòng)有明顯變化。但6小時(shí)后#3和#4瓦軸振動(dòng)又開始緩慢增大。

2 汽輪發(fā)電機(jī)組常規(guī)振動(dòng)類型及產(chǎn)生的原因

引起汽輪發(fā)電機(jī)組異常振動(dòng)的主要原因是多方面的，本文僅羅列了可能與本項(xiàng)目機(jī)組振動(dòng)現(xiàn)象相關(guān)的原因。主要包括：軸瓦自激振動(dòng)力、發(fā)電機(jī)電磁力、轉(zhuǎn)子不平衡及制造缺陷等。

2.1 軸瓦自激振動(dòng)

軸瓦自激振動(dòng)是現(xiàn)場(chǎng)較常見的一種振動(dòng)現(xiàn)象，主要發(fā)生在機(jī)組啟動(dòng)升速過(guò)程中，當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到某一值時(shí)，突然發(fā)生軸瓦振動(dòng)增大。

軸瓦自激振動(dòng)主要表象為發(fā)生強(qiáng)烈振動(dòng)時(shí)，振幅突然增加，振動(dòng)頻率為組合頻率，次諧波較豐富，且與轉(zhuǎn)子的一階臨界轉(zhuǎn)速相等的頻率的振幅接近或超過(guò)基頻振幅。工作轉(zhuǎn)速高于第一臨界轉(zhuǎn)速的2倍時(shí)才發(fā)生強(qiáng)烈振動(dòng)，振蕩頻率等于轉(zhuǎn)子的第一臨界轉(zhuǎn)速，并且不隨工作轉(zhuǎn)速的變化而變化，只有工作轉(zhuǎn)速低于2倍第一臨界轉(zhuǎn)速后，劇烈振動(dòng)才消失。

2.2 發(fā)電機(jī)電磁力誘發(fā)的振動(dòng)

發(fā)電機(jī)電氣電磁力原因引起的振動(dòng)主要分為兩類，一類是由于電磁熱原因引發(fā)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子熱變形，此類原因會(huì)使機(jī)組產(chǎn)生1倍頻振動(dòng);另一類是不對(duì)稱電磁力激起的振動(dòng)，表現(xiàn)為隨著勵(lì)磁電流的增加而增大，此類原因會(huì)使機(jī)組產(chǎn)生2倍頻振動(dòng)。常見的不對(duì)稱電磁力振動(dòng)主要有匝間短路、冷卻回路不暢、三相負(fù)荷不對(duì)稱、線圈膨脹受阻、電磁諧振及定子鐵心振動(dòng)。

匝間短路主要會(huì)引起不對(duì)稱電磁力，從而激發(fā)出1倍頻、2倍頻及4倍頻振動(dòng);冷卻回路不暢會(huì)使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生1倍頻振動(dòng);三相負(fù)荷不對(duì)稱會(huì)引發(fā)二倍工頻振動(dòng);線圈膨脹受阻引發(fā)的振動(dòng)會(huì)迅速增大，振動(dòng)隨著電流增加而增大，但如果電流繼續(xù)增加且膨脹達(dá)到一定程度時(shí)，振動(dòng)反而會(huì)下降。電磁諧振的現(xiàn)象是轉(zhuǎn)子振動(dòng)幅度隨著有功功率和勵(lì)磁電流的增減而增減，且對(duì)負(fù)荷的變化非常敏感。定子鐵心振動(dòng)特點(diǎn)是如果去除勵(lì)磁，定子振動(dòng)隨即消失。

2.3 轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡引起的振動(dòng)

轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡是指在制造和使用中，由于材料的不均勻和設(shè)計(jì)、制造及安裝的偏差，轉(zhuǎn)子的慣性主軸與旋轉(zhuǎn)軸線不在同一中心上。在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)中，偏心質(zhì)量產(chǎn)生的離心力傳遞到轉(zhuǎn)子的支撐軸承上將產(chǎn)生振動(dòng)[1]。

轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡振動(dòng)在運(yùn)行過(guò)程主要表現(xiàn)以基頻（1X）為主，同時(shí)伴有較小的高次諧波，整個(gè)頻譜呈所謂的“樅樹形”。當(dāng)轉(zhuǎn)速不變時(shí)，其振幅和相位是穩(wěn)定的，且不隨負(fù)荷變化而變化。轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡振動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)，在多次啟動(dòng)過(guò)程中振動(dòng)有再現(xiàn)性。

2.4 軸瓦剛度不夠引起的振動(dòng)

汽輪發(fā)電機(jī)軸瓦承擔(dān)轉(zhuǎn)子重量和不平衡重量產(chǎn)生的離心力，保證轉(zhuǎn)子中心與汽缸中心的一致，保持動(dòng)靜部分正常的間隙。

軸承剛度分為連接剛度和結(jié)構(gòu)剛度，一般成熟機(jī)組結(jié)構(gòu)鋼度不會(huì)有太大的問(wèn)題，而連接剛度是引起軸瓦振動(dòng)的主要原因，包括基礎(chǔ)、臺(tái)板及基礎(chǔ)連接螺栓的鋼度不夠都會(huì)引起的振動(dòng)[2]。

3 故障分析及處理

在多次啟動(dòng)試運(yùn)過(guò)程中，都出現(xiàn)不同的振動(dòng)現(xiàn)象，可以說(shuō)明引起振動(dòng)的原因是多面的，現(xiàn)場(chǎng)從各種現(xiàn)象中分離出可能的引發(fā)的原因，按下面方法逐一處理，最終解決了相關(guān)的問(wèn)題。

3.1 消除轉(zhuǎn)子匝間短路處理措施

匝間短路會(huì)引起磁通的不對(duì)稱，從而使轉(zhuǎn)子受力不平衡引起轉(zhuǎn)子振動(dòng)。試運(yùn)期間幾次啟動(dòng)升速開始過(guò)程中振動(dòng)變化均不太大，都在合格范圍內(nèi)，但啟動(dòng)定速后只要開始升壓加勵(lì)，振動(dòng)值就會(huì)明顯升高。根據(jù)以上現(xiàn)象，現(xiàn)場(chǎng)主要采用動(dòng)態(tài)交流阻抗法檢查了匝間是否有短路[3]，同時(shí)更換了新的旋轉(zhuǎn)二極管，為了排除熱態(tài)時(shí)匝間短路，在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子返廠期間，將轉(zhuǎn)子加熱到了工作溫度，再次測(cè)試，并未發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子匝間短路現(xiàn)象。調(diào)整后機(jī)組重新啟動(dòng)，軸振動(dòng)仍偏高，問(wèn)題沒(méi)有得到解決。

3.2 消除轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡處理措施

在機(jī)組幾次冷態(tài)啟動(dòng)過(guò)程中，開始并網(wǎng)階段軸的振動(dòng)值還在合格范圍內(nèi)，但隨著機(jī)組運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，機(jī)組的軸振動(dòng)值會(huì)逐步升高，直到最終被迫停機(jī)。鑒于以上現(xiàn)象，現(xiàn)場(chǎng)主要從消除轉(zhuǎn)子熱變形或質(zhì)量不平衡來(lái)解決問(wèn)題。在第六次啟動(dòng)前，在檢查了平衡塊是否有松動(dòng)后，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡試驗(yàn)，并調(diào)整了部分平衡塊。為了徹底杜絕不平衡的影響，對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行了返廠，分別做了冷態(tài)和熱態(tài)動(dòng)力平衡，并把相關(guān)數(shù)值調(diào)整到優(yōu)秀范圍內(nèi)。調(diào)整后機(jī)組啟動(dòng)，軸振動(dòng)情況確定有所好轉(zhuǎn)，但沒(méi)有根本解決問(wèn)題。

3.3 消除軸瓦剛度不夠的因素

汽輪機(jī)軸瓦及支持結(jié)構(gòu)剛度不夠，也會(huì)引起振動(dòng)。本項(xiàng)目汽輪發(fā)電機(jī)組是某汽輪機(jī)廠成熟產(chǎn)品，同類機(jī)組均采用相同的制造圖紙，且有多臺(tái)機(jī)組運(yùn)行的業(yè)績(jī)，可以排除由產(chǎn)品剛度不足的因素引起的機(jī)組振動(dòng)。

3.4 消除安裝引起的因素

根據(jù)上面監(jiān)測(cè)的各種圖形可以看出，時(shí)域波形為正弦波，徑向振動(dòng)較大。軸心軌跡為橢圓形。頻普波形圖中基頻有穩(wěn)定的波峰，諧波能量主要集中于基頻，其它X倍頻振幅較小。在振動(dòng)頻率小于固有頻率時(shí)，基頻振幅隨轉(zhuǎn)速增加而增大;當(dāng)振動(dòng)頻率大于固有頻率時(shí)，轉(zhuǎn)速增加但振幅逐漸趨于一個(gè)相對(duì)較小的穩(wěn)定值。

綜合以上波形特征，振動(dòng)主要產(chǎn)生于基頻，可以判斷軸與軸承間隙較大，有輕微的不對(duì)中;轉(zhuǎn)速上升到某一值時(shí)，振動(dòng)突然增大，可能有軸瓦自激振動(dòng)現(xiàn)象;熱態(tài)時(shí)，振動(dòng)又存在不確定性，說(shuō)明軸瓦調(diào)整不夠，承載后有變形的可能。

根據(jù)每次啟動(dòng)出現(xiàn)的不同振動(dòng)現(xiàn)象，而且振動(dòng)現(xiàn)象隨著啟動(dòng)時(shí)間及啟動(dòng)條件的不同而改變，最終確定的對(duì)安裝質(zhì)量進(jìn)行全面復(fù)核檢查，主要從以下幾個(gè)方面來(lái)處理和調(diào)整：

（1）檢查發(fā)電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子安裝尺寸及間隙;（2）檢查各軸承層結(jié)合面的接觸面積是否符合要求，確保徑向軸承兩球面接觸面積≥70%，軸承中分面間隙≤0.05;（3）復(fù)核調(diào)整軸承的緊力間隙，固定螺釘松動(dòng)，基礎(chǔ)不牢固等;（4）復(fù)核聯(lián)軸器的中心。

通過(guò)對(duì)以上各項(xiàng)調(diào)整，恢復(fù)后機(jī)組沖轉(zhuǎn)啟動(dòng)并網(wǎng)，各項(xiàng)指標(biāo)良好，達(dá)到安全運(yùn)行的要求，問(wèn)題得到解決。

4 結(jié)語(yǔ)

單一因素引起的機(jī)組振動(dòng)都比較容易處理，但多因素引起，甚至是微小因素疊加引起的機(jī)組振動(dòng)處理起來(lái)比較困難，需要花費(fèi)大量的人力和財(cái)力。因此注重全過(guò)程質(zhì)量管理可防患于未然，在設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造、安裝及試運(yùn)過(guò)程中嚴(yán)格質(zhì)量控制，確保設(shè)計(jì)、制造及安裝參數(shù)正負(fù)誤差滿足相應(yīng)的要求，才能為機(jī)組一次啟動(dòng)成功奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1] 程珩.旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸心軌跡故障診斷[J].太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，34（5）：552-554.

[2] 王進(jìn).由于軸瓦支撐剛度低造成的汽輪機(jī)過(guò)臨界振動(dòng)大[J].科技信息，2012，17：85-86.

[3] 張寧.汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組動(dòng)態(tài)匝間短路的檢測(cè)[J].東方電機(jī)，2010，3：69-73.