某330 MW汽輪機低壓轉子葉片斷裂振動故障診斷研究

王廣庭，張 爽，羅 凱，范春生，黃中柏

（國網湖北省電力有限公司電力科學研究院，湖北 武漢430077）

0 引言

目前燃煤火力發電機組仍為國內電源主力機組，由于長期高溫、高壓、高轉速運行，機組葉片斷裂故障仍然時有發生［1-8］，對機組安全穩定運行產生很大影響。利用發電機組振動信號變化特征診斷機組故障，是目前故障診斷主要手段之一［9-30］。

1 機組軸系及結構特點

某發電公司4號汽輪發電機組是由東方電氣聯合公司生產的N300－16.7/537/537－4 型、亞臨界、雙缸雙排氣、一次再熱凝汽式汽輪機和QFSW－30－2型氫冷發電機組。

機組共有7個軸承，其中：1號、2號軸承支撐汽輪機高中轉子，3號、4號軸承支撐汽輪機低壓轉子，5號、6號軸承支撐發電機轉子，7號軸承支撐碳刷。整個軸系支撐結構簡圖如圖1所示。

圖1 軸系結構簡圖Fig.1 Shaft structure diagram of unit

2 機組振動現象及歷史數據分析

2015 年4 月5 日06：30，4 號機組振動出現突增現象，2號、3號、4號號軸承座振動均明顯增大。調取機組振動突變前后的DCS 歷史數據，可以看出：在1 s 內，2X-5X 軸振幅值分別從52 μm、71 μm、57 μm 突增至102 μm、163 μm、170 μm，幅值增大量為60 μm，92 μm，113 μm；15S內，2 V-4 V瓦振幅值分別從7 μm、15 μm、32 μm突增至10 μm、47 μm、72 μm，幅值增大量分別為3 μm，32 μm，40 μm，詳細數據如表1所示。

表1 故障突發前后機組振動DCS歷史數據（單位：μm）Table 1 Historical data of DCS of unit Vibration before and after fault outbreak(unit:μm)

3 機組振動測試數據分析

2015年4月5日16：44，負荷160 MW，用振動測試儀對機組振動進行全面測試，從測試數據可以看出：3X-4X 軸振分別為154 μm∠231o、140 μm∠6o，3Y-4Y軸振分別79.9 μm∠340o、110 μm∠100o，3V-4V 軸振分別59.2 μm∠326o、99.6 μm∠134o，5X 軸振同4X 軸振接近，6X軸振明顯偏小，具體數據如表2所示。

從機組頻譜圖可以看出，2X-5X 軸振1 倍頻分量（通頻值）分別為：139（145）μm、153（163）μm、140（154）μm、91.4（99.3）μm，1倍頻分量均占了主導地位且相位穩定；2 V-4 V 瓦振1 倍頻分量（通頻值）分別為：10.3（13.8）μm、59.2（64.4）μm、99.6（112）μm，1倍頻分量也占了主導地位且相位穩定。具體情況如圖2～圖5所示。

表2 故障發生后機組振動測試數據（單位：μm）Table 2 Vibration test data of unit after failure(unit:μm)

圖3 4X/5X頻譜圖Fig.3 The 4X/5X spectrum

圖4 2 V/3 V頻譜圖Fig.4 The 2 V/3 V spectrum

圖5 4 V頻譜圖Fig.5 The 4 V spectrum

4 機組停機過程振動數據分析

2015年4月5日17：52，打閘，破壞真空停機，從機組停機振動波德圖變化情況可以看出：機組振動隨著轉速下降逐漸降低，且在在1 200 r/min 啟動頂軸油泵時，機組瓦振出現峰值現象，而機組過臨界時振動增加量不明顯，詳細情況如圖6～圖9所示。

5 機組振動特征及故障診斷

根據上述數據和機理分析可以看出機組振動特點：

1）機組振動突變前后軸振、瓦振幅值變化顯著；

圖6 2X/3X軸振波德圖Fig.6 2X/3X axial vibration bode diagram

2）機組振動突變后，幅值相位均維持穩定；

3）3 號、4 號軸承支撐的低壓轉子振動變化最為突出；

4）機組墮走振動幅值隨轉速下降明顯降低。

汽輪發電機組的振動可分為強迫振動和自激振動兩大類，根據振動力學原理，強迫振動的振幅可以表示為：

式（1）中：A 為振幅，mm；E 為常數；P 為不平衡量，N；K為軸承座剛度，N/mm。

圖7 4X/5X軸振波德圖Fig.7 4X/5X axial vibration bode diagram

圖8 2 V/3 V瓦振波德圖Fig.8 2 V/3 V Bearing vibration bode diagram

圖9 4 V軸振波德圖Fig.9 4 V Bearing vibration bode diagram

從式（1）可知振動的振幅與不平衡量成正比，與軸承座剛度成反比；因此當軸承座的剛度一定而不平衡量發生變化時，汽輪發電機組的振動就會隨之變化，當轉子上有大幅不平衡量變化時，機組振動將會發生顯著變化。

綜上所述，故障發生前機組不存在振動突變或增大的趨勢，故障發生后，機組振動呈現出階躍突增現象，因此，可認為該故障是由于低壓轉子上有部件脫落而引起質量不平衡所致。

6 機組故障檢查

機組停機，待低壓缸的溫度冷卻后，通過人孔門對低壓轉子進行檢查，發現低壓轉子反向第一級9號葉片斷裂，葉片斷裂長度約為25 cm，具體情況如圖10所示。

圖10 轉子斷裂部位Fig.10 Rotor fracture site

7 機組葉片修復后振動情況

對機組葉片進行更換，修復正常后，再次點火啟動帶負荷，對機組振動測試詳細情況如下：機組3 000 r/min空載和帶負荷工況下，振動均合格，具體數據見表3所示。

表3 葉片修復后機組空載和帶負荷振動數據（單位：μm）Table 3 Vibration data of the unit without load and with load after blade repair(Unit:μm)

8 結語

本文通過機組振動突變前后、振動穩定后、停機墮走等3個階段的機組軸振、瓦振數據變化的詳細情況，來分析機組振動特征和規律，成功診斷出該機組由于低壓轉子葉片斷裂引發的振動故障，該案例可作為同類故障診斷問題的參考。

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