汽輪發(fā)電機(jī)組滑動(dòng)軸承油膜振蕩故障的分析與治理

陳陽(yáng)，楊建剛

(東南大學(xué) 火電機(jī)組振動(dòng)國(guó)家工程研究中心，南京 210096)

1 前言

某臺(tái)350 MW汽輪發(fā)電機(jī)組由高、中壓合缸，低壓缸，發(fā)電機(jī)和勵(lì)磁機(jī)組成。勵(lì)磁機(jī)為懸臂結(jié)構(gòu)，全軸系有6套軸承，其中汽輪機(jī)1#，2#軸承為可傾瓦軸承，3#，4#軸承為橢圓瓦軸承，發(fā)電機(jī)5#，6#軸承為球面瓦軸承。機(jī)組結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖及傳感器布置如圖1所示。

圖1 機(jī)組結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖和傳感器布置圖

該機(jī)組在某次檢修后開(kāi)機(jī)，定速3 000 r/min時(shí)發(fā)電機(jī)兩側(cè)軸承軸振較大。根據(jù)對(duì)波形圖和頻譜圖的分析，認(rèn)為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子存在質(zhì)量不平衡。在勵(lì)磁機(jī)、低發(fā)對(duì)輪及發(fā)電機(jī)護(hù)環(huán)加重后，軸系動(dòng)平衡達(dá)到較高精度。軸系平衡結(jié)束，機(jī)組2次升速到2 950 r/min后，發(fā)電機(jī)兩端軸承振動(dòng)突變，機(jī)組因5#軸承x測(cè)點(diǎn)振動(dòng)超過(guò)跳機(jī)保護(hù)值而被迫停機(jī)。上述異常振動(dòng)影響了機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2 振動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象

(1)振動(dòng)突變主要出現(xiàn)在發(fā)電機(jī)前后端軸承上，其他4套軸承振動(dòng)穩(wěn)定。圖2給出了一次典型的振動(dòng)突變過(guò)程。5#軸承x，y，6#軸承x，y4個(gè)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)幾乎同時(shí)突變，尤以5#軸承x測(cè)點(diǎn)最為明顯。振動(dòng)突變后，幾秒鐘內(nèi)就會(huì)上升到振動(dòng)保護(hù)動(dòng)作值。

圖2 一次振動(dòng)突變過(guò)程曲線

(2)圖3給出了最后一次升速5#軸承x測(cè)點(diǎn)振動(dòng)幅值隨轉(zhuǎn)速變化情況。1 800 r/min之前振動(dòng)基本穩(wěn)定，波動(dòng)幅度較?。簧? 800～ 2 900 r/min時(shí)，振動(dòng)存在不穩(wěn)定波動(dòng)，但波動(dòng)幅度尚在控制范圍內(nèi)；2 900 r/min后繼續(xù)升速，波動(dòng)幅度明顯增大；轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高10～20 r/min，波動(dòng)幅度擴(kuò)散，振動(dòng)劇增引起機(jī)組振動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，降速到2 700 ～2 750 r/min后振動(dòng)值才能降下來(lái)。多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該過(guò)程具有很好的重復(fù)性，振動(dòng)發(fā)散與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系非常明顯。

圖3 5#軸承x測(cè)點(diǎn)振動(dòng)發(fā)散伯德圖

(3)圖4給出了3個(gè)典型轉(zhuǎn)速下的頻譜圖，分別代表1 800 r/min之前、1 800～2 900 r/min和振動(dòng)突增后的頻譜圖。1 800 r/min之前，振動(dòng)頻譜比較“干凈”，工頻以下低頻分量幾乎沒(méi)有；1 800～2 900 r/min出現(xiàn)了低頻分量，但其幅值尚可控；2 900 r/min后，頻譜圖中出現(xiàn)了雜亂的低頻分量，而且幅值較大，遠(yuǎn)超過(guò)工頻分量幅值。

圖5給出了某次振動(dòng)突變后的振動(dòng)波形。圖上黑點(diǎn)與汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)周期相對(duì)應(yīng)。該波形圖所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速為2 921.5 r/min。由該圖反推出故障信號(hào)頻率約為9.7 Hz，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速約為582 r/min，該轉(zhuǎn)速與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)速很接近。該現(xiàn)象與圖4不完全相符。

圖4是取8個(gè)采樣周期數(shù)據(jù)所生成的頻譜圖，頻譜分辨率僅為1/8轉(zhuǎn)速頻率，9.7 Hz分量幅值被泄露到相鄰譜線中，導(dǎo)致低頻分量比較雜亂。圖6給出了取16個(gè)采樣周期數(shù)據(jù)所作的細(xì)化頻譜圖。可以看出，低頻分量主要集中在9.7 Hz附近，幅值達(dá)到166μm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)工頻分量振幅。

圖4 3個(gè)典型轉(zhuǎn)速下5#軸承x測(cè)點(diǎn)的頻譜圖

圖5 5#軸承x測(cè)點(diǎn)某次振動(dòng)突變后的時(shí)域波形

圖6 3 000 r/min下取16周期數(shù)據(jù)的細(xì)化頻譜

該現(xiàn)象與波形分析結(jié)果相同。當(dāng)轉(zhuǎn)速頻率不是故障頻率的整數(shù)倍時(shí)，F(xiàn)FT分析時(shí)所取數(shù)據(jù)量要盡可能大一些，以減少頻率泄漏效應(yīng)。

3 振動(dòng)突變?cè)蚍治?/h2>

綜合以上振動(dòng)特征，認(rèn)為突發(fā)振動(dòng)是真實(shí)信號(hào)，不穩(wěn)定振動(dòng)與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子本身沒(méi)有關(guān)系，而是由支承轉(zhuǎn)子的軸承故障所致。通過(guò)對(duì)振動(dòng)突發(fā)性、振動(dòng)與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)速所對(duì)應(yīng)的頻率等特征的分析，初步判斷機(jī)組發(fā)生了油膜振蕩故障。

油膜振蕩是軸頸帶動(dòng)潤(rùn)滑油高速流動(dòng)時(shí)，高速油流反過(guò)來(lái)激勵(lì)軸頸，使其發(fā)生強(qiáng)烈振動(dòng)的一種自激振動(dòng)現(xiàn)象[1]。大多發(fā)生在機(jī)組啟動(dòng)升速和超速試驗(yàn)過(guò)程中，也有部分情況發(fā)生于機(jī)組帶負(fù)荷運(yùn)行過(guò)程中。

圖7 滑動(dòng)軸承力學(xué)分析簡(jiǎn)圖

油膜振蕩故障是一種強(qiáng)烈的自激振動(dòng)，具有以下特征[2]。

(1)油膜振蕩發(fā)生之前，振動(dòng)以工頻分量為主。一旦發(fā)生，低頻分量幅值將成為主要頻率成分，振動(dòng)頻率約等于轉(zhuǎn)子系統(tǒng)固有頻率，不隨轉(zhuǎn)速的變化而變化，不能用提高轉(zhuǎn)速的方法來(lái)消除。

(2)振動(dòng)具有幅值大和突發(fā)性的雙重特性。臨近油膜振蕩時(shí)，會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定的低頻振動(dòng)分量，此時(shí)通頻幅值會(huì)表現(xiàn)出一定程度的波動(dòng)。一旦發(fā)生油膜振蕩，振動(dòng)幅值在短時(shí)間(幾秒鐘)內(nèi)劇增，而且振動(dòng)幅值遠(yuǎn)大于普通強(qiáng)迫振動(dòng)。

(3)只有當(dāng)轉(zhuǎn)速大于2倍轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)才有可能發(fā)生油膜振蕩。輕載軸承在該轉(zhuǎn)速之前，可能首先出現(xiàn)油膜渦動(dòng)。重載軸承在升速過(guò)程中可能直接發(fā)生油膜振蕩。

(4)轉(zhuǎn)速滯后現(xiàn)象。升速和降速過(guò)程出現(xiàn)油膜失穩(wěn)的轉(zhuǎn)速不一致，降速時(shí)油膜振蕩消失的轉(zhuǎn)速低于升速時(shí)產(chǎn)生油膜振蕩的轉(zhuǎn)速。

(5)正常工作時(shí)，軸心按一定的軌跡運(yùn)動(dòng)，且軌跡在小范圍內(nèi)變化；當(dāng)油膜振蕩發(fā)生時(shí)，振動(dòng)逐漸加劇，軌跡的變化范圍急劇增大，且呈紊亂狀態(tài)[3]。

通過(guò)對(duì)該機(jī)組振動(dòng)突變后多次啟停數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)該機(jī)組的不穩(wěn)定振動(dòng)特征符合上述油膜振蕩故障特征，可以確定該機(jī)組發(fā)生了油膜振蕩故障。

4 油膜振蕩故障的治理

油膜振蕩故障的治理可以從以下幾方面入手[2-7]：減小軸承頂隙、增大軸承側(cè)隙；減小軸承長(zhǎng)徑比；抬高失穩(wěn)軸承標(biāo)高；增大軸承上瓦烏金寬度；提高軸承自位能力；提高潤(rùn)滑油溫或更換黏度較低的潤(rùn)滑油等。

當(dāng)確定機(jī)組出現(xiàn)振動(dòng)突變的故障為油膜振蕩后，對(duì)機(jī)組安裝數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查。通過(guò)查閱安裝圖紙發(fā)現(xiàn)該機(jī)組5#，6#軸承頂隙值已達(dá)到下限，但是單邊側(cè)隙值偏小，僅為0.47 mm。

針對(duì)機(jī)組油膜振蕩故障，確定并實(shí)施了以下處理方案：

(1)將5#，6#軸承單邊側(cè)隙放大到0.80 mm，5#，6#軸承橢圓度由目前的0.5提高到0.68;

(2)5#瓦軸承標(biāo)高在目前基礎(chǔ)上抬高0.10 mm;

(3)取消5#，6#軸承預(yù)緊力，使球面能自由定位。

機(jī)組處理后再次開(kāi)機(jī)。在整個(gè)升速過(guò)程中機(jī)組的振動(dòng)情況良好，未出現(xiàn)明顯的低頻分量。表1給出機(jī)組在3 000 r/min時(shí)5#，6#軸承的通頻振動(dòng)數(shù)據(jù)。各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)值達(dá)到優(yōu)秀水平。圖8為機(jī)組定速3 000 r/min時(shí)5#軸承x測(cè)點(diǎn)的頻譜圖，從圖8可以看出，振動(dòng)以工頻分量為主，低頻分量幾乎沒(méi)有，可見(jiàn)油膜振蕩故障已經(jīng)消除。

表1 處理后5#，6#軸承3 000 r/min下通頻數(shù)據(jù)

圖8 處理后3 000 r/min下5#軸承x測(cè)點(diǎn)頻譜圖

5 結(jié)束語(yǔ)

汽輪發(fā)電機(jī)組檢修后軸承振動(dòng)突變是由9.7 Hz低頻分量所引起的，該低頻分量所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速與發(fā)電機(jī)一階臨界轉(zhuǎn)速比較接近。在對(duì)伯德圖、頻譜圖及波形圖分析的基礎(chǔ)上，確定機(jī)組振動(dòng)突變是由于發(fā)電機(jī)軸承發(fā)生了油膜振蕩所致。通過(guò)修改失穩(wěn)軸承的側(cè)隙及標(biāo)高消除了油膜振蕩故障。改進(jìn)后機(jī)組再運(yùn)行時(shí)各軸承振動(dòng)情況均滿足主機(jī)要求。