送風(fēng)汽輪壓縮機(jī)組振動(dòng)故障診斷

黃 勇 龐玉增 葛惠亭

（杭州汽輪機(jī)股份有限公司，浙江 杭州 310012）

一、機(jī)組概述

1.機(jī)組參數(shù)

在機(jī)組試運(yùn)行階段，汽輪機(jī)前后軸振變大，尤其是前軸振動(dòng)有幾次大于報(bào)警值。壓縮機(jī)前后振動(dòng)值卻是在合理范圍內(nèi)，數(shù)值在20μm左右。該設(shè)備是單缸、單軸凝汽汽輪機(jī)，從順汽流方向看是逆時(shí)針。其額定工作轉(zhuǎn)速是4550r/min，其中一階臨界轉(zhuǎn)速在3600r/min左右，軸振報(bào)警值是63μm。1#瓦是汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的落地軸承，2#瓦軸承座與排汽缸一體。1#瓦和2#瓦都是普通的二油葉。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子和軸流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子采用撓性聯(lián)軸器連接。機(jī)組軸系分布如圖1所示。

圖1 25MW機(jī)組軸系示意圖

2.振動(dòng)測(cè)試

機(jī)組每個(gè)軸承安裝兩只電渦流傳感器，兩者之間呈90°，于軸承座中分面夾角是45°，從順汽流方向看，X方向?yàn)橛?，Y方向?yàn)樽蟆榱烁玫拿枋龈鱾€(gè)狀態(tài)的振動(dòng)情況，我們對(duì)機(jī)組空負(fù)荷下的聯(lián)機(jī)、一定負(fù)荷的聯(lián)機(jī)、汽輪機(jī)單機(jī)、聯(lián)機(jī)歷史值幾種狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)試并比較。其結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出，汽輪壓縮機(jī)組在聯(lián)機(jī)試車時(shí)，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子前后測(cè)點(diǎn)振動(dòng)值最大也是26μm。但是經(jīng)過3個(gè)月試運(yùn)行后，前后軸振動(dòng)都是明顯變大。1#瓦振動(dòng)幅值有上下波動(dòng)現(xiàn)象，最大變化是15μm，相位基本保持穩(wěn)定。2#瓦的振動(dòng)幅值變化量不大，但是相位總是在不停變動(dòng)，最大變化是25°，所測(cè)振動(dòng)數(shù)據(jù)每次啟動(dòng)不具備重復(fù)性。另外當(dāng)2#瓦振動(dòng)變大，1#瓦振動(dòng)往小的趨勢(shì)發(fā)展，反之也是這樣。

二、振動(dòng)特征及分析

1.振動(dòng)頻譜圖

汽輪機(jī)1#瓦和2#瓦右測(cè)點(diǎn)頻譜圖如圖2所示。

根據(jù)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向，轉(zhuǎn)子右測(cè)點(diǎn)是油膜剛度最大、最穩(wěn)定的，適合用來做狀態(tài)分析。從圖2上看，在額定轉(zhuǎn)速下，1#瓦和2#瓦以1X為主,占到了90%以上，1/2、2X分量一般在1～3μm。2#瓦右測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)了3X分量，但是數(shù)值相當(dāng)小，可以判斷該汽輪機(jī)存在不穩(wěn)定的轉(zhuǎn)子不平衡力。

表1 不同測(cè)試下汽輪機(jī)1#、2#瓦的振動(dòng)

圖2 汽輪機(jī)右測(cè)點(diǎn)頻譜圖

2.單機(jī)和聯(lián)機(jī)狀態(tài)下的波德圖

（1）單機(jī)狀態(tài)下，汽輪機(jī)1#瓦和2#瓦右測(cè)點(diǎn)波德圖如圖3所示。

圖3 汽輪機(jī)右測(cè)點(diǎn)波德圖

在圖3中，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速在1000r/min后，前后振動(dòng)值隨轉(zhuǎn)速逐步增大，在2200r/min附近，前后軸振動(dòng)相位出現(xiàn)90°左右變化，前振動(dòng)幅值翻轉(zhuǎn)明顯，后軸振動(dòng)幅值反應(yīng)不明顯。在3600r/min附近，前后軸振相位變化不明顯，前軸振幅值卻是大幅度減少，后軸振保持穩(wěn)定，可以推斷臨界轉(zhuǎn)速值產(chǎn)生變化了。根據(jù)臨界轉(zhuǎn)速在轉(zhuǎn)子質(zhì)量不變條件下，與剛度的方根成正比，可以判斷是軸承動(dòng)剛度變小原因。接近工作轉(zhuǎn)速后，前軸振動(dòng)繼續(xù)變大，后軸振動(dòng)最后一段是變小的趨勢(shì)。前軸振型還是比較清楚，后軸振型發(fā)生明顯變化。

（2）聯(lián)機(jī)狀態(tài)下，汽輪機(jī)1#瓦和2#瓦右測(cè)點(diǎn)波德圖如圖4所示。

圖4 汽輪機(jī)右測(cè)點(diǎn)波德圖

在圖4中，聯(lián)機(jī)狀態(tài)下的前后振型和單機(jī)類似，前軸振值變大。但是后軸振在工作轉(zhuǎn)速附近竟然有迅速變小趨勢(shì)。檢查了前后軸承座的地腳螺栓都是緊固的，連接剛度沒有問題。用手持式測(cè)振儀測(cè)量了運(yùn)行中的前軸承座X、Y、Z三個(gè)方向的振動(dòng)，數(shù)值是在0.08mm左右，可以排除了前軸承座剛度問題。后軸承座由于與排汽缸一體，排汽缸通過排汽接管與凝汽器相聯(lián)接，排汽接管還有一段膨脹節(jié)。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相當(dāng)于鋼結(jié)構(gòu)支撐，后軸承座的垂直動(dòng)剛度本就比前軸承座剛度小很多。在測(cè)量后軸承座座振發(fā)現(xiàn)其振動(dòng)值和軸振趨勢(shì)相反，比較了軸振和軸承座振的數(shù)值后，可以判斷后軸承座存在共振現(xiàn)象。

3.同相及反相圖

單機(jī)、聯(lián)機(jī)狀態(tài)下汽輪機(jī)1#瓦右與2#瓦右同相、反相圖如圖5所示。

圖5 汽輪機(jī)1#瓦右與2#瓦右同相、反相圖

為了更好的了解轉(zhuǎn)子的特性，對(duì)整個(gè)升速過程中汽輪機(jī)前后同方向測(cè)點(diǎn)按照諧分量法進(jìn)行了振型分解，比較了汽輪機(jī)單機(jī)和聯(lián)機(jī)狀態(tài)下的同相和反相變化。從圖5看，單機(jī)狀態(tài)下，同相分量在臨界轉(zhuǎn)速之前，一直是持續(xù)增大，轉(zhuǎn)子不平衡量比較明顯。需要檢查轉(zhuǎn)子是否存在永久彎曲和熱彎曲。該轉(zhuǎn)子工作轉(zhuǎn)速是在二階臨界以下，同相分量沒有迅速收斂，反相分量變大,轉(zhuǎn)子外伸端不平衡所引起的可能性很大，需要檢查轉(zhuǎn)子對(duì)中、聯(lián)軸器緊力、伸長(zhǎng)端平直度。

三、故障確認(rèn)與處理

已知公式：A=P/K

式中：A——振動(dòng)振幅；

P——激振；

K——機(jī)組動(dòng)剛度。

可推導(dǎo)出：汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子振幅與所作用在機(jī)組上激振力成正比，與機(jī)組的動(dòng)剛度成反比。為了降低振動(dòng)值，可以從增大剛度，減少激振力兩個(gè)方向出發(fā)。

1.改善機(jī)組動(dòng)剛度

檢查后軸承座、排汽接管、大直徑的回油管道的連接情況，螺栓都已經(jīng)擰緊。參照其他類似機(jī)組，結(jié)構(gòu)改造非常困難。從增強(qiáng)油膜剛度入手，降低徑向軸承進(jìn)油溫度：從48℃到38℃，進(jìn)油壓力保證在80kPa，這樣減少了油膜的厚度。測(cè)試表明：汽輪機(jī)前軸振從57μm下降到44μm，有效的降低振動(dòng)。

2.確認(rèn)激振力過大位置

（1）汽輪機(jī)與軸流風(fēng)機(jī)對(duì)中

在冷態(tài)下檢查汽輪機(jī)與軸流風(fēng)機(jī)之間的外圓中心、開口值。當(dāng)符合標(biāo)準(zhǔn)后重新開機(jī)，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)還是沒有太多變化，加上是撓性聯(lián)軸器，軸流風(fēng)機(jī)中3#、4#瓦振動(dòng)都在20μm之內(nèi)，軸流風(fēng)機(jī)振動(dòng)能量不足以引起汽輪機(jī)振動(dòng)過大，可以排除現(xiàn)場(chǎng)中心調(diào)整問題。

（2）汽輪機(jī)疏水不暢導(dǎo)致轉(zhuǎn)子熱彎曲

這臺(tái)汽輪機(jī)汽缸底部有高、中、底壓疏水，疏水管道直接連接到凝汽器上的疏水膨脹箱，連接的順序從外到內(nèi)應(yīng)該是高中低，中壓和低壓順序搞錯(cuò)，疏水都是正常。但是這不會(huì)引起振動(dòng)值大幅上升的根本原因，可以排除。

由于是凝汽式汽輪機(jī)，在建立真空過程中需要軸封供汽，前后汽封冒汽管中的廢汽通過汽封冷卻器回收利用。軸封供汽的壓力、溫度參數(shù)正常，但是前汽封冒汽不通暢，會(huì)導(dǎo)致冷卻后的飽和汽水掉到運(yùn)行的轉(zhuǎn)子上，造成轉(zhuǎn)子受熱不均彎曲。處理這個(gè)冒汽管道問題后，機(jī)組前振動(dòng)值有一定下降，但是幅值變化不是特別明顯。

（3）前后軸頸彎曲檢查

打開前后軸承座并且去掉上瓦。百分表頭安裝在軸頸處，盤動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周，取其中8個(gè)點(diǎn)，記錄各點(diǎn)并取矢量差，橢圓度最大是0.015mm，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

（4）汽缸與轉(zhuǎn)子中心變動(dòng)

該汽輪機(jī)只有前貓爪通過定距螺釘與前軸承座相連接。間隙有0.20mm左右,其用來保證汽缸正常膨脹。安裝過程中或者進(jìn)汽管道力影響，這個(gè)中心很容易跑掉，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子與汽封齒摩擦受熱彎曲。通過在貓爪上架百分表，冷態(tài)和熱態(tài)分別監(jiān)測(cè)，結(jié)合前后軸心軌跡圖是個(gè)光滑的橢圓，這個(gè)問題可以排除。

（5）汽輪機(jī)側(cè)半聯(lián)軸器

半聯(lián)軸器是帶平鍵的圓柱面與轉(zhuǎn)子輸出緊配合?，F(xiàn)場(chǎng)檢查結(jié)果如圖6所示。

圖6 平鍵與鍵槽示意圖

圖6中轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向是順時(shí)針，兩個(gè)平鍵已經(jīng)出現(xiàn)異動(dòng)，頂?shù)桨肼?lián)軸器上，與鍵槽出現(xiàn)懸空。用塞尺測(cè)量平鍵與鍵槽兩邊間隙，0.03mm不入的測(cè)量點(diǎn)已經(jīng)出現(xiàn)擠壓變形。從兩邊間隙和旋轉(zhuǎn)方向可以判斷汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子與聯(lián)軸器出現(xiàn)“憋勁”現(xiàn)象，軸流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子應(yīng)該產(chǎn)生很大的反作用力。

通過百分表對(duì)半聯(lián)軸器進(jìn)行外圓和瓢偏測(cè)量，數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 半聯(lián)軸器現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量值

實(shí)測(cè)瓢偏最大值是0.055mm，外圓偏差最大值是0.015mm。而這臺(tái)汽輪機(jī)這兩個(gè)數(shù)據(jù)出廠值分別是0.01mm和0.06mm,半聯(lián)軸器位置變動(dòng)或者外伸端彎曲。

結(jié)合之前情況分析，認(rèn)定軸流風(fēng)機(jī)的失速或者喘振是會(huì)造成上述狀態(tài)主要原因。隨后試驗(yàn)過程中，軸流風(fēng)機(jī)靜葉調(diào)整裝置突然的卡澀使前軸振動(dòng)升到60μm以上,后軸振動(dòng)卻下降到41μm，這也側(cè)面證明了上述推斷。半聯(lián)軸器的位置變動(dòng)產(chǎn)生一定的不平衡力，另外聯(lián)軸器緊力不足，使高速運(yùn)行的轉(zhuǎn)子與聯(lián)軸器受熱不均，很容易使轉(zhuǎn)子伸長(zhǎng)段彎曲，進(jìn)而加大振動(dòng)。

四、結(jié)語

考慮到汽輪機(jī)振動(dòng)值波動(dòng)變小，幅值能夠下降合理趨勢(shì)并保持相對(duì)穩(wěn)定，并且現(xiàn)場(chǎng)條件、生產(chǎn)成本不允許停機(jī)重新修理半聯(lián)軸器。因此制定了3條措施來保證機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行。

第一，現(xiàn)場(chǎng)條件的限制，直接改造軸承座結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)支撐系統(tǒng)剛度不現(xiàn)實(shí)。通過降低軸承進(jìn)油溫度、降低進(jìn)油壓力兩個(gè)方向來降低了油膜的厚度，側(cè)面增強(qiáng)了剛度，從而改善振動(dòng)值。其結(jié)果如表2所示。

表2 措施前后結(jié)果對(duì)比

第二，升降負(fù)荷時(shí)幅度應(yīng)該小而勻速，每次操作要等振動(dòng)穩(wěn)定后才能繼續(xù)。

第三，特別需要關(guān)注軸流風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)失速和喘振發(fā)生。汽輪機(jī)前軸振動(dòng)一旦超過停機(jī)值應(yīng)該立即停車檢查聯(lián)軸器。

從最近的電話回訪得知，該機(jī)組經(jīng)過10個(gè)月的運(yùn)行，振動(dòng)情況一直很穩(wěn)定，汽輪機(jī)前后振動(dòng)幅值一直在50μm之內(nèi)。

[1]DonaldE.Bently,CharlesT.Hatch,Fundomentalsof Rotating Machinery Diagnostics,2002.

[2]田昊洋，楊建剛.帶有外伸懸臂端的汽輪發(fā) 電機(jī)組動(dòng)平衡方法研究[J].汽輪機(jī)技術(shù)，2011.

[3]朱向哲，袁惠群，張連祥.汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)熱振動(dòng)特性的研究[J].熱力工程，2008.

[4]劉石.陳君國(guó)，王飛等.超超臨界1000MW機(jī)組油膜渦動(dòng)故障分析和處理[J].汽輪機(jī)技 術(shù)，2010，52（5）：373-375.