汽輪發(fā)電機(jī)組油膜振蕩故障的分析診斷與處理

李 凱

（大唐南京發(fā)電廠，江蘇南京 210000）

突發(fā)性振動是關(guān)系到汽輪發(fā)電機(jī)組設(shè)備安全與正常生產(chǎn)的重要故障。對這類振動的定性和原因分析往往比較困難，因而有時會出現(xiàn)處理方法不當(dāng)，影響運行或延誤工期的情況。以某熱電廠2號機(jī)組為例，介紹了由于油膜振蕩造成的突發(fā)性振動整個測試、分析、定性、處理方案確定和實施過程，以及最終的處理結(jié)果。

1 軸系結(jié)構(gòu)

某熱電廠2號機(jī)組是上海汽輪機(jī)廠和上海電機(jī)廠生產(chǎn)的50 MW供熱機(jī)組。汽機(jī)轉(zhuǎn)子由1、2號軸承支撐，橢圓軸承，發(fā)電機(jī)兩瓦為3、4號軸承，圓柱軸承，勵磁機(jī)兩瓦為5、6號軸承。軸系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 2號機(jī)組軸系結(jié)構(gòu)

機(jī)組投運以來，經(jīng)歷大小修各一次，小修中更換了勵磁機(jī)轉(zhuǎn)子，振動一直正常，1～4號瓦垂直振動均小于20 μm。2號機(jī)組經(jīng)常處于低負(fù)荷狀態(tài)，帶高負(fù)荷時間不多。

2 突發(fā)性振動現(xiàn)象和特征

機(jī)組在一次帶高負(fù)荷時，1～4號瓦突然出現(xiàn)大振動，運行人員減小負(fù)荷，振動消失。經(jīng)過數(shù)小時運行，增加負(fù)荷時，大振動再度出現(xiàn)。用手持測振表測量，發(fā)現(xiàn)振幅以3號瓦為最大，為200μm，其余3個瓦振較??；頻譜分析表明，高振動的主頻約為20 Hz。然后使用本特利DAIU-208測振儀對機(jī)組在帶負(fù)荷工況和升降速過程的振動狀況進(jìn)行了全面的測量。

圖2為發(fā)生大振動時1、3號瓦的時間趨勢圖，圖3為振動時1～4號瓦的瀑布圖，圖4為振動時1、3號瓦的頻譜圖。

圖2 振動時間趨勢

圖4 振動頻譜

2號機(jī)組的振動特征是：振動是突發(fā)性的；大振動頻率成分以20 Hz低頻為主；振動突發(fā)時以3瓦振為最大，其余次之；4個瓦振動發(fā)生的時間相同，觀察不到先后；負(fù)荷減小或轉(zhuǎn)速減小，振動消失。

為進(jìn)一步確定振動性質(zhì)，又對升降速過程振動進(jìn)行了分析，得到的升降速波特圖如圖5所示。

圖5 升速過程波特圖

3 振動性質(zhì)與振動原因分析

高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)計和運行中的一個主要問題是控制和降低軸系的強迫振動響應(yīng)，同時還存在另一類同樣重要的問題：轉(zhuǎn)子動力失穩(wěn)和自激振動。

汽輪發(fā)電機(jī)組軸系臨界轉(zhuǎn)速、不平衡響應(yīng)和穩(wěn)定性共同構(gòu)成了機(jī)組的動態(tài)特性，它們直接決定了機(jī)組在工作狀態(tài)下和啟停機(jī)過程中轉(zhuǎn)子、軸承的振動狀況，是設(shè)備安全可靠性的一個重要方面。

對機(jī)組軸系的臨界轉(zhuǎn)速和不平衡響應(yīng)，無論在設(shè)計階段還是實際運行中，都早就有了一些成熟的方法和經(jīng)驗來控制它們。

相比之下，穩(wěn)定性問題出現(xiàn)的較晚，最早是在20世紀(jì)20年代。GE公司為高爐設(shè)計制造的新型透平壓縮機(jī)運轉(zhuǎn)中出現(xiàn)了轉(zhuǎn)子動力失穩(wěn)現(xiàn)象[1]。GE的工程師經(jīng)過數(shù)年的研究才確定問題出自轉(zhuǎn)子材料的內(nèi)阻和套裝轉(zhuǎn)子部件之間的摩擦。在進(jìn)行這些研究的同時，開始對徑向油膜軸承所造成的油膜振蕩失穩(wěn)有所認(rèn)識。

轉(zhuǎn)子動力失穩(wěn)和自激振動通常表現(xiàn)為下列特點：（1）振動頻率為次同步或超同步，與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速非同步；（2）自激振動的頻率以轉(zhuǎn)子本身的固有頻率為主；（3）多數(shù)為徑向振動；（4）振幅可能發(fā)生突然急劇增加；（5）振幅的變化與轉(zhuǎn)速或負(fù)荷關(guān)系密切；（6）失穩(wěn)狀態(tài)下的振動能量來源于系統(tǒng)本身的能量。

對于旋轉(zhuǎn)機(jī)械，自激振動的種類有渦動或振蕩、參數(shù)失穩(wěn)、干摩擦顫振以及強迫振動失穩(wěn)等。在汽輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)中，造成轉(zhuǎn)子發(fā)生動力失穩(wěn)的作用力很多，常有這樣一些（不包括參數(shù)時變造成的失穩(wěn)）：動壓軸承－油膜振蕩、密封－類似于油膜振蕩、轉(zhuǎn)動部件內(nèi)摩擦、葉輪頂隙造成的氣動力（Alford力）、空心轉(zhuǎn)軸內(nèi)滯留液體、干摩擦、扭轉(zhuǎn)渦動（扭矩作用在一個不對中的轉(zhuǎn)軸上所致）和螺旋渦動顫振。

汽輪發(fā)電機(jī)組軸系穩(wěn)定性直接關(guān)系到機(jī)組的安全運行和設(shè)備的可靠性。穩(wěn)定性能低劣的機(jī)組，輕者可減少發(fā)電時數(shù)，增加檢修費用，重者將導(dǎo)致重大毀機(jī)事故。

可以使汽輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子產(chǎn)生發(fā)散運動的部位有軸承、軸端及通流部分的汽封、熱套配合面、材料內(nèi)阻等，轉(zhuǎn)子所發(fā)生的失穩(wěn)分別被稱為油膜振蕩、汽流激振、摩擦自激等。國內(nèi)外機(jī)組實際運行情況表明，汽輪發(fā)電機(jī)軸系主要的失穩(wěn)型式是油膜振蕩和汽流激振。

實際機(jī)組穩(wěn)定性狀況與制造、安裝及運行有關(guān)。加工時過大的誤差可能會使原本設(shè)計正確的軸承穩(wěn)定性能降低；安裝時對揚度、軸承標(biāo)高、軸承載荷等重要指標(biāo)的控制同樣可以直接影響到機(jī)組穩(wěn)定性；運行參數(shù)對穩(wěn)定性也會造成暫時性的影響。

在影響機(jī)組穩(wěn)定性的諸因素中，軸承是決定因素?；瑒虞S承中的油膜除了產(chǎn)生壓力支承整個轉(zhuǎn)子外，還產(chǎn)生阻尼力抑制轉(zhuǎn)子振動。在一定條件下，阻尼低的軸承支承的轉(zhuǎn)子會發(fā)生油膜振蕩或類似性質(zhì)的半速渦動。

現(xiàn)場機(jī)組處理經(jīng)驗表明，造成汽輪機(jī)組失穩(wěn)的原因通常是多方面的，而非單一因素所致。導(dǎo)致軸系失穩(wěn)的擾動力可能來自軸承、轉(zhuǎn)子的內(nèi)摩擦、流體力等。僅就軸承的擾動力來看，這個力取決于轉(zhuǎn)子－軸承的系統(tǒng)阻尼，取決于軸承油膜交叉剛度的量值，還取決于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與臨界轉(zhuǎn)速之比。

根據(jù)對2號機(jī)組振動測試數(shù)據(jù)，可以初步確定振動為轉(zhuǎn)子失穩(wěn)。根據(jù)（1）負(fù)荷變動引起振動或減小，（2）低頻這2個特征看，像是汽流激振，但從3號振幅最大看，振動似乎以發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子為主，而不是以汽機(jī)轉(zhuǎn)子為主；另外，20 Hz的自振頻率和汽機(jī)轉(zhuǎn)子固有頻率22.3 Hz（1 340 r/min）不符。因而無法肯定振動性質(zhì)為汽流激振。

如果是油膜振蕩，應(yīng)該和轉(zhuǎn)速相關(guān)，而不應(yīng)該是由負(fù)荷變動引起的；振動頻率可以低于半速頻率或發(fā)電機(jī)的固有頻率。

升降速測試結(jié)果顯示，該機(jī)組汽機(jī)和發(fā)電機(jī)的臨界轉(zhuǎn)速均為1 330～1 350 r/min，無法以此來判斷振動是以汽機(jī)轉(zhuǎn)子還是以發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子為主出現(xiàn)。

正在難于最終確定振動性質(zhì)的時候，停機(jī)前做的打閘降速－升速試驗表明，轉(zhuǎn)速升到3 000 r/min時再次發(fā)生了低頻振動，這次和帶負(fù)荷無關(guān)，根據(jù)這種現(xiàn)象，很快基本確定了振動是油膜振蕩。

故障性質(zhì)和原因的完全確認(rèn)還需要根據(jù)解體檢查的測量值。

造成油膜振蕩的原因是軸承。鑒于2號機(jī)組是在已經(jīng)正常運行2年后的現(xiàn)在才發(fā)生油膜振蕩，分析其原因，一個可能是軸瓦磨損，使得軸承間隙變化，垂直方向間隙增大，形成了立橢圓，穩(wěn)定性惡化，發(fā)生油膜振蕩；另一個可能是軸承脫空，負(fù)載減小，軸頸在軸承中的偏心率減小，穩(wěn)定性降低，引起油膜振蕩。如果是后者，則用負(fù)荷變化做為起因可以解釋。負(fù)荷變化引起汽機(jī)轉(zhuǎn)子上抬，1、2號瓦負(fù)載減輕，同時牽連3號瓦負(fù)載減輕，在軸承穩(wěn)定性本就降低的情況下，負(fù)荷變化對軸系的擾動導(dǎo)致3號瓦發(fā)生油膜振蕩。

檢查各瓦瓦溫、回油溫度發(fā)現(xiàn)，3號瓦的這兩個溫度相對都低，瓦溫61℃、回油溫度51～53℃，相鄰兩瓦瓦溫大于66℃、回油溫度大于56℃。

根據(jù)振動數(shù)據(jù)，可以排除葉片飛脫，進(jìn)入復(fù)水器檢查末級和次末級葉片，沒有發(fā)現(xiàn)問題；檢查平衡塊，也沒有問題?？梢耘懦髋瞿?，碰磨雖然也有突發(fā)性，但不會以20 Hz的低頻為主。

如果上述推斷的結(jié)論成立，解體后應(yīng)該在軸承上發(fā)現(xiàn)問題。

機(jī)組溫度降下來解體，對4個軸承的頂隙、側(cè)隙的檢查，基本和廠家設(shè)計值、4月份小修回裝測量值符合，沒有發(fā)現(xiàn)明顯問題；揚度檢查2號瓦較上次測量值增大，其余各瓦揚度沒有問題；對輪張口沒有變化；但發(fā)現(xiàn)3個重要情況：

(1)對輪中心圓周偏差由0.04 mm變化到0.78 mm，即汽機(jī)對輪中心高出發(fā)電機(jī)對輪中心0.39 mm。

(2)2號瓦、4號瓦下瓦烏金表面磨損嚴(yán)重，3號瓦面磨痕輕；

(3)3號瓦塊翻轉(zhuǎn)約7 mm，4號瓦塊翻轉(zhuǎn)約1 mm，2號瓦塊沒有翻轉(zhuǎn)。

這些情況表明，3號瓦脫空；大振動以發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子為主。

關(guān)于2號機(jī)組振動性質(zhì)和原因，可以確定為以3號瓦為主的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的油膜振蕩；3號瓦負(fù)載過輕，造成3號瓦穩(wěn)定性降低，產(chǎn)生油膜失穩(wěn)。

至于3號瓦脫空，相對標(biāo)高變化的原因，尚待進(jìn)一步分析。

4 處理方案確定、實施及處理結(jié)果

根據(jù)對振動原因的分析意見，確定并實施了如下的處理方案：

（1）對輪中心調(diào)整：2號瓦中心降低0.05 mm，3號瓦中心抬高0.33 mm，4號瓦中心抬高0.35 mm；

（2）修刮2、3、4號瓦下瓦瓦面，修刮過程中不得增大頂隙；

（3）增加3號瓦緊力到0.05 mm。

2003年7月30日，機(jī)組處理后沖轉(zhuǎn)，監(jiān)測帶50 MW以上負(fù)荷8小時，振動正常，沒有低頻振動，23、24 Hz的低頻分量最大幅值為2 μm。

圖6為負(fù)荷51～53 MW時的振動趨勢圖，圖7為51～53 MW時的振動瀑布圖。

滿負(fù)荷時3號瓦瓦溫64℃、回油溫度62℃，明顯高于消缺前，說明3號瓦軸承載荷明顯提高，穩(wěn)定性增加。

圖6 負(fù)荷51～53 MW時的1、3號瓦振動趨勢

圖 7 51～53 MW時3號瓦振動瀑布圖

5 結(jié)束語

本次2號機(jī)組振動分析和故障診斷處理是在測點有限，時間緊迫條件下進(jìn)行的。由于缺少軸振測點，無法知道軸徑靜態(tài)位置，增加了診斷難度。

診斷中利用起振工況、振動頻譜、瓦溫等參數(shù)，得到了初步結(jié)論；然后利用解體后檢查結(jié)果，最終確定了故障性質(zhì)和直接原因；在此基礎(chǔ)上制訂了處理方案，實施后使故障得以消除。

[1]陸頌元.汽輪發(fā)電機(jī)組振動[M].北京：中國電力出版社，2000.