汽輪發電機組轉子軸系及不平衡故障振動抑制技術研究進展

摘 "要""汽輪發電機組是典型的高速旋轉機械。隨著能源需求的增長和機組容量的增加，不平衡振動成為影響其運行可靠性和穩定性的重要因素。分析了常見的兩種轉子軸系結構特點，通過分析實際工程案例，總結了轉子不平衡振動故障機理及影響因素，探究了不平衡故障振動處理方法和自愈調控技術的研究進展，展望了不平衡自愈調控技術的發展方向。

關鍵詞""汽輪發電機組 "轉子軸系 "不平衡 "振動抑制" " " "DOI：10.20031/j.cnki.0254-6094.202406001

中圖分類號""TM311 """"""""""""""文獻標志碼""A """"""""""""""""文章編號""0254-6094（2024）06-0000-00

電力工業是整個國民經濟的基礎和支柱產業，其中汽輪發電機組是電力系統的關鍵設備[1]。隨著能源需求的不斷增長和機組容量的增加，提高汽輪發電機組的效率和可靠性成為了發展的重要方向。長期的制造和運行經驗表明，由不平衡故障引起的振動往往是機組現場振動的主要因素之一。不平衡故障引發的振動會使轉子產生交變離心力造成轉子彎曲、軸承磨損，過大振動造成緊固件發生松動而脫落，機組發生事故從而嚴重威脅到汽輪發電機組運行的安全性和穩定性[2，3]。

介紹了汽輪發電機組常見的轉子軸系結構及其特點，分析了機組發生轉子不平衡振動的故障特征和影響因素，探索了不平衡振動的處理方法和自愈調控技術的研究進展，以期為汽輪發電機組轉子不平衡振動問題的分析和處理提供參考和借鑒。

1 "軸系結構特點

汽輪發電機組軸系的穩定是機組安全運行的核心問題[4]。通常，機組軸系由多個轉子及其對應的支撐部件組成，不同的機組容量和結構，軸系轉子數量不同，支撐結構也有所不同。常見的支撐結構有2N和N+1兩種形式，其中2N型結構較為傳統，又稱為雙支撐模式，每根轉子分別由前后端的軸承支撐，即若是機組軸系有N個轉子，便有2N個軸承支承[5～9]。以某核電站的4號核電汽輪發電機組為例，是三缸-四排汽-沖動凝氣式的，其中高中壓氣缸合為一個缸。機組軸系的整體結構為單軸，共計4個轉子8個軸承，且軸承都是3瓦塊的可傾瓦結構，即高中壓轉子、兩個低壓轉子（LP1和LP2）、發電機轉子及每個轉子前后各有的2個支撐軸承，如圖1所示。東方汽輪機廠的某660 MW超超臨界汽輪機也是同樣的結構[5]，機組是由單流的高壓缸、中壓缸和兩個雙流低壓缸組成的四缸-四排汽式，且所有轉子均采用前后兩端雙支撐結構，其中高壓轉子和中壓轉子的支撐軸承為可傾瓦軸承，其余采用的是橢圓瓦軸承。

國內大多數汽輪發電機組都是2N支撐結構，但一些國外廠家的設備多采用2N+1支撐結構[10]，也稱為單支撐模式，如華電集團基于西門子和日立公司技術設計的上電-西門子N1000MW汽輪機[11]、上海電氣集團引入的660 MW[12]和1 000 MW[13]等機組（圖2）、直接進口瑞士ABB公司的600 MW[14]等汽輪發電機組（圖3）。N+1支撐結構是指1個轉子有兩個軸承支撐，其余兩根相鄰的轉子之間共用1個軸承支撐。從整體結構上來看，整個軸系被視為一個整體，在軸系的左右兩端各有1個支撐、每個轉子連接處有1個支撐，若將每個轉子單獨分開，轉子及其氣缸不能組成獨立的旋轉體。N+1支撐結構的優勢在于結構緊湊、軸承座結構簡單、轉子跨距小的同時有效縮短了整個軸系長度，更重要的是減小了由于基礎變形對軸系對中問題的影響，安裝維護更加方便。

汽輪發電機組軸系為N+1支撐結構的設計多數為引進歐洲技術，其設計理念比較先進。但由于國內對于該軸系結構動力特性的研究還不夠深入，且施工工藝和調試水平存在差異，導致已經投運的機組均出現了不同程度的振動問題[15]。

2 "汽輪發電機組轉子不平衡原因

2.1""轉子不平衡振動故障機理

汽輪發電機組自身結構復雜且運行環境較為惡劣，在實際運行過程中觀測發現機組在故障發生前通常會出現異常振動[16]，其中以轉子不平衡引起異常振動最為常見[17]。當轉子內的質量分布不均勻或是存在彎曲時，轉子的中心慣性主軸與旋轉軸線存在偏離，不在同一軸線上，機組在運行狀態時轉子受到周期性不平衡力的激勵作用，在軸承上產生較大的振動，進而影響機組的正常運轉。

轉子系統存在不平衡時表現的主要特征為振動信號以工頻為主，工頻振動的振幅和相位隨著轉速變化以及定轉速后隨著時間變化是穩定的；同時，振動信號的時域波形與正弦函數類似。但由于機組軸系不可能是完全線性的，因此實際運行過程中采集到的振動信號往往伴隨著少量的低頻（如1/2倍頻、1/3倍頻等）和高頻（如2倍頻、3倍頻等）成分，頻域波形圖類似于“樅樹型”，以質量不平衡為例，其時域波形圖如圖4所示。

轉子產生不平衡振動的原因有很多，例如材料不均勻、制造存在偏差、安裝精度不夠、或者運行一段時間后經過檢修更換轉動部件等。汽輪發電機組中轉子不平衡按照故障原因分為熱不平衡、動靜摩擦和突發性不平衡。

2.2""熱不平衡

熱不平衡是指在汽輪發電機組的負荷快速變化的工況中，轉子內部各處因運行環境溫度不同受熱膨脹程度也不同，各部位產生的膨脹量存在差異因而產生熱應力導致轉子受熱后變形，使轉子自身質量分布變得不均勻，在運轉過程中產生附加的不平衡質量，從而引發轉子振動。

通常，匝間短路、冷卻不均、轉子各向異性及轉子線圈膨脹不均等是引起轉子熱不平衡的主要原因[18，19]。在乍得恩賈梅納煉廠電廠4號汽輪機組并網升負荷運行時，因甩負荷時產生扭矩突變，發電機轉子部件松動引發轉子受熱不均，導致轉子產生熱不平衡[20]。內蒙古京能某350 MW雙水內冷汽輪發電機組因冷卻水管的水流量不均勻引發熱不平衡[21]、大唐某發電廠2號機組因轉子線圈膨脹不均產生非對稱軸向力導致發電機轉子熱彎曲[22]、秦山三核2號機組出現的發電機轉子軸承突發性振動[23]、某公司的一臺600 MW汽輪發電機組在A級檢修中采用RSO試驗發現的轉子匝間短路故障[24]。

2.3""動靜碰磨

動靜碰磨是指轉子轉動部件和靜止部件之間的間隙變小或調整不當時，機組運行過程中二者發生碰撞摩擦產生異常振動，其振動值的大小由原始不平衡量和發生碰磨的轉子熱彎曲程度共同決定。在機組常見的故障類型中，動靜碰磨故障發生的概率僅次于質量不平衡故障[25]，同時伴隨較大的不確定性，該類故障的現場診斷和處理難度較大。

機組發生動靜碰磨故障時轉子的運動軌跡異常復雜，摩擦和碰撞具有高度的非線性特征，時域波形圖會發生畸變，同時根據碰磨的嚴重程度，振動信號的頻率成分也不同。動靜碰磨故障主要有兩種類型，即部分碰磨和全周碰磨。一般情況下，動靜碰磨的摩擦發生在軸封瓦、油檔、隔板汽封及汽封瓦等位置處，其中，軸承油檔位置隨著機組的運行會堆積碳化物，使得油檔間隙變小，最容易發生碰磨[26]。目前，國內外研究者[27～30]提供了許多汽輪發電機組發生動靜碰磨的故障機理、故障特征，以及對應的案例分析。

2.4""突發性不平衡

突發性不平衡是指軸系轉動部件發生松動、斷裂脫落造成轉子質量的不均勻分布，引發振動的故障。該類故障通常發生在使用時間較長的機組中，容易發生飛脫的部件有汽輪機轉子中的葉片、圍帶、拉筋以及發動機轉子中的風扇葉片、繞組槽楔、護環等。在運行過程中，這些部件在受到離心作用力、高溫高壓的蒸汽腐蝕、內部熱量和電氣參數的影響下發生斷裂飛脫。若是機組在平衡狀態良好正常運行中突然發生轉動部件脫落，會產生一次性的振動突然增大現象，后續恢復正常；倘若脫落的部件卡在某轉動位置時，機組會突發振動同時可能引發轉動部件損壞的連鎖反應，產生動靜碰磨故障。

因此部件發生斷裂后，應準確定位故障部位；同時在日常檢修時也應該對轉動部件進行探傷檢查，避免造成重大設備損壞、機組非停乃至更大的事故發生[31～34]。

3""不平衡振動處理方法

3.1""現場動平衡

針對汽輪發電機組存在的異常振動問題，首先對機組進行運行狀態監測、分析振動數據。若判斷出故障原因為不平衡，即轉子原有的平衡狀態被破壞，傳統的做法是把轉子拆下來返回原廠或者是在動平衡機上進行找平衡直至再次恢復平衡狀態后可啟動運行。這種方式需要多次啟停機且檢修周期較長，不僅浪費時間和人力，還會降低機組的經濟效益。因此，大多采用現場動平衡作為降低不平衡引起機組振動的主要處理措施[35～37]。該方法優勢在于縮短檢修周期，并且在機組的任何轉速工況、任何負荷下都能進行。

現場動平衡是通過對軸系進行振動測試，經過數據采集系統獲取機組的運行參數和振動數據并進行分析，結合平衡塊的增減達到降低機組振動的目的。該方法從原理上分為影響系數法和模態分析法[38]。針對不同的機組結構，基于ANSYS、Maxwell等分析軟件建立有限元模型，計算對應的臨界轉速和不平衡力，分析各路故障變量對軸系的振動響應特性的影響[39～41]。

在實施現場動平衡的過程中，根據不同機組結構以及技術人員對平衡策略和關鍵技巧的考慮，具體的動平衡方案也多種多樣。主要的操作步驟為：采集基本振動數據并分析，即平衡前轉子系統在原始狀態下進行測試并記錄振動情況；設計動平衡方案，基于已獲取的基礎振動數據，確定加重重量、加重平面及加重步驟等；在加重平面上分別試加重，測量振動值并計算影響系數；正式加重，測量振動值并評估動平衡效果，若是平衡效果不佳，重復以上步驟直至振動降低至理想水平。

3.2""自愈調控技術

現場動平衡是一種比較成熟的方法，但該方法啟停機次數較多，動平衡過程的經濟成本增加且對裝配精度的要求較高。因此，北京化工大學團隊提出了自愈調控技術[43，44]，即針對發電機組這類旋轉設備，在設備運行過程中進行自監測、自診斷以及主動控制進而達到抑制故障發生的目的，實現機器的自愈化。

不平衡自愈調控系統通常由3部分組成，即數采器、測控器和執行器，如圖5所示。數采器一般用來采集獲取機組軸系的振動信號并傳輸至測控器；測控器包括數據故障診斷和自動平衡控制兩部分，當振動測量值超過提前設定的報警值同時判斷是轉子不平衡引起的，則根據一定的控制策略控制執行器動作；執行器收到指令后內部的平衡塊移動合成補償量，以實現對軸系轉子系統的自動補償。

根據平衡執行器內部產生驅動力的不同分為電機驅動式、氣壓液式和電磁式。其中，電磁式執行器和電機驅動式執行器已應用于在高檔機床主軸和航空發動機領域，而氣壓液式平衡執行器具備旋轉部分無可動部件、動作環境封閉且平衡過程中可停機保持等特點，更加適用于汽輪發電機組這類大型旋轉設備領域。基于故障自愈與靶向抑制原理，潘鑫等研制出適用于大直徑轉軸的自愈調控系統，根據最大直徑為500"mm的轉子實際結構搭建模擬實驗臺如圖6所示，自愈調控系統實物如圖7所示，通過雙面動平衡將轉子振幅從17.8"μm降低至4.6"μm[44～46]。

4""結束語

汽輪發電機組軸系轉子振動的大小直接關系到機組能否安全、經濟地運行。針對機組軸系研究結構特點和故障特征，結合日常檢修過程中累積的經驗和故障診斷系統進行分析，發現潛在故障并及時做動平衡處理，從而避免故障進一步惡化發生重大事故。在機組的不平衡振動處理方面，自愈調控系統將更好的運用到工程實際中去，向著綜合性強、靈敏性高、簡單易安裝的方向發展的同時，提高對于不同機組結構的適應性。

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（收稿日期：2024-01-23，修回日期：2024-10-09）

作者簡介：張開柳（1974-），高級工程師，從事核電和核化調試工作。

通訊作者：張馨（1998-），助理工程師，從事旋轉機械設備自動平衡的研究工作，buctzx2020@126.com。

引用本文：張開柳，姜洋，張馨，等.汽輪發電機組轉子軸系及不平衡故障振動抑制技術研究進展[J].化工機械，2024，51（6）：000-000.