給水泵汽輪機(jī)軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動(dòng)故障分析

邊技超，隗永燃，黃 帥 ，高 倩

（1.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)北京電力設(shè)備總廠有限公司特種工業(yè)汽輪機(jī)廠，北京 102401；2.開灤協(xié)鑫發(fā)電有限公司，河北唐山 063100）

0 引言

目前，大部分發(fā)電廠的鍋爐給水泵采用汽輪機(jī)拖動(dòng)。與電機(jī)拖動(dòng)相比，汽輪機(jī)拖動(dòng)的主要優(yōu)點(diǎn)是可以減少?gòu)S用電、提高機(jī)組熱效率、提高給水泵運(yùn)行可靠性以及減少投資等[1-2]。給水泵汽輪機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行直接關(guān)系到整個(gè)發(fā)電廠的安全、穩(wěn)定與高效運(yùn)行。

高速旋轉(zhuǎn)設(shè)備的非線性振動(dòng)包括半速渦動(dòng)、低頻振蕩、碰摩等，嚴(yán)重威脅機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。如果高速旋轉(zhuǎn)設(shè)備發(fā)生碰摩故障，輕則導(dǎo)致軸承、油檔等部件的磨損，縮短部件使用壽命、降低汽輪機(jī)效率；重則導(dǎo)致葉片斷裂、主軸彎曲，甚至整個(gè)汽輪機(jī)的完全損壞，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失及生產(chǎn)安全事故[3-5]。通過工程實(shí)例，分析給水泵汽輪機(jī)軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動(dòng)故障發(fā)生的條件、表現(xiàn)特征以及處理方法。

1 設(shè)備概況

1.1 設(shè)備概況

山東某熱電廠主汽輪機(jī)為亞臨界、一次中間再熱、雙缸雙排汽、單軸抽汽凝汽式汽輪機(jī)，配套鍋爐給水泵的動(dòng)力源為TGQ06/7-1型給水泵汽輪機(jī)。

圖1所示為給水泵汽輪機(jī)與給水泵組成的軸系結(jié)構(gòu)。聯(lián)軸器為撓性聯(lián)軸器，汽輪機(jī)側(cè)的1#與2#軸承為固定瓦推力軸承，進(jìn)油方式為侵入式，其中1#軸承為推力軸承與徑向軸承組成的聯(lián)合軸承。徑向軸承襯瓦表面與推力軸承工作面與非工作面都涂有烏金。給水泵汽輪機(jī)的額定工作轉(zhuǎn)速約5400 r/min，臨界轉(zhuǎn)速2550 r/min左右。

圖1 軸系結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 振動(dòng)現(xiàn)象概述

該機(jī)組于2012年7月投入運(yùn)行，期間B給水泵汽輪機(jī)一直運(yùn)行良好，在1#與2#軸承兩端測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)值≤20 μm，振動(dòng)情況良好。但自2016年10月后，通頻振幅開始逐漸升高，到2017年10月，通頻振幅最高達(dá)到（40～50）μm，見表1。在此期間還存在不定時(shí)的振動(dòng)幅值波動(dòng)現(xiàn)象，振動(dòng)波動(dòng)峰值隨時(shí)間推移不斷增大，最高達(dá)到90 μm左右。

表1 通頻振動(dòng)幅值變化趨勢(shì)

2 軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動(dòng)分析

2.1 振動(dòng)故障分析

由于現(xiàn)場(chǎng)能用來分析的特征圖譜，只有通頻振動(dòng)的時(shí)域圖，沒有軸心軌跡、伯德圖以及頻譜結(jié)構(gòu)圖等，給振動(dòng)分析造成了一定的困難。通過表1數(shù)據(jù)及在此期間的通頻振動(dòng)時(shí)域圖，得出給水泵汽輪機(jī)振動(dòng)的主要特征：①通頻振幅逐漸增大；②不定期的出現(xiàn)振動(dòng)波動(dòng)現(xiàn)象，其中1#測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)波動(dòng)峰值較大，并且發(fā)生的時(shí)間間隔越來越短。

2.2 理論分析

相關(guān)文獻(xiàn)[6]給出的可壓縮流體動(dòng)力潤(rùn)滑形式的雷諾方程見式（1）。

由于一般液體的可壓縮性很小，所以在很多工程實(shí)際中，可以將液體近似簡(jiǎn)化為不可壓縮流體，可以保證此情況下的計(jì)算精度。不可壓縮流體的圓柱形滑動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)如圖2所示。

從上述理論分析及滑動(dòng)軸承的動(dòng)壓油膜形成過程可知，形成動(dòng)壓油膜的條件：①必須形成楔形間隙；②在2個(gè)工作面之間要存在一定黏度的潤(rùn)滑油或其他潤(rùn)滑流體；③2個(gè)工作面之間存在相對(duì)滑動(dòng)，且運(yùn)動(dòng)方向總可以使得潤(rùn)滑液體從大截面流進(jìn)，小截面流出。

在機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行中，操作不當(dāng)、油質(zhì)不合格、油壓波動(dòng)等多種因素導(dǎo)致軸承烏金逐漸磨損、軟化甚至碾壓、碎裂。當(dāng)烏金軟化產(chǎn)生塑性變形或磨損后，高溫烏金就會(huì)積附在軸徑上，形成啃削烏金破壞油楔，降低滑動(dòng)軸承油膜支撐剛度，造成轉(zhuǎn)子振動(dòng)幅值增大、運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性降低[7]。

另外，隨著烏金的磨損，軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)偏心距等結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生變化，轉(zhuǎn)子更容易失穩(wěn)，發(fā)生動(dòng)靜碰摩等故障，進(jìn)一步加速軸承烏金的磨損。

圖2 轉(zhuǎn)子與軸承油膜運(yùn)動(dòng)的關(guān)系

2.3 拆機(jī)檢修

雖然振動(dòng)幅值逐漸增加且存在振動(dòng)波動(dòng)現(xiàn)象，但最大振動(dòng)幅值未超過報(bào)警及跳機(jī)值，所以在密切監(jiān)控振動(dòng)變化情況的條件下，未進(jìn)行打閘停機(jī)。待檢修時(shí)，對(duì)此給水泵汽輪機(jī)進(jìn)行揭缸檢修，發(fā)現(xiàn)1#軸承襯瓦整體磨損情況嚴(yán)重（圖3）。

圖3 1#軸承襯瓦磨損情況

從圖3中可以看出，1#軸承襯瓦整體磨損情況嚴(yán)重，已經(jīng)存在眾多溝槽及凹凸不平，部分瓦胎及五金已經(jīng)脫落。此外，推力瓦與轉(zhuǎn)子推力盤、調(diào)節(jié)級(jí)葉片圍帶側(cè)面與汽缸之間都存在一定磨痕，說明這2個(gè)位置曾經(jīng)發(fā)生過軸向碰摩。但是軸向碰摩本身并不會(huì)導(dǎo)致2.1所述振動(dòng)特征（通頻振幅逐漸增大；不定期的出現(xiàn)振動(dòng)波動(dòng)現(xiàn)象，其中1#測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)波動(dòng)峰值較大）的出現(xiàn)。另外，分析2016年10月到2017年10月的軸向位移數(shù)據(jù)，未發(fā)現(xiàn)此期間軸向位移發(fā)生過明顯變化。

由于相關(guān)熱力參數(shù)始終處于正常范圍內(nèi)，所以最可能的原因是在之前的某一時(shí)間內(nèi)某次啟動(dòng)過程中汽缸熱膨脹不充分，或者油壓不穩(wěn)導(dǎo)致軸向碰摩的發(fā)生。這次軸向碰摩與本文分析的軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振幅逐漸增大、存在不定期振動(dòng)波動(dòng)等現(xiàn)象不存在直接因果關(guān)系，但是軸向碰摩會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子軸向位移的突變、產(chǎn)生豐富的低次高次諧波，轉(zhuǎn)子通頻振動(dòng)的增大，最終導(dǎo)致轉(zhuǎn)子與軸承發(fā)生徑向碰摩，所以此次軸向碰摩可能是導(dǎo)致軸承支撐性能開始惡化，油膜剛度降低的“起始因素”。

本次軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動(dòng)故障的分析難點(diǎn)在于存在軸承碰摩的實(shí)際“物證”，如果不仔細(xì)查找軸向位移發(fā)生較大改變的數(shù)據(jù)，不仔細(xì)分析軸向碰摩引起的特征等，就會(huì)將以上振動(dòng)發(fā)生的原因歸結(jié)于軸向碰摩而產(chǎn)生誤判。

3 處理措施及效果

（1）更換1#軸承襯瓦，對(duì)推力瓦及2#軸承襯瓦表面進(jìn)行一定修刮；

（2）打磨消除調(diào)節(jié)級(jí)葉片圍帶側(cè)面由于碰摩產(chǎn)生的毛刺；

（3）清洗給水泵汽輪機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)，保證潤(rùn)滑油質(zhì)合格。

采取上述措施后，調(diào)整通流間隙，重新安裝設(shè)備，機(jī)組再次啟動(dòng)運(yùn)行，1#與2#處4個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)波動(dòng)現(xiàn)象消失，振動(dòng)幅值≤20 μm。

4 結(jié)語

通過工程實(shí)例，分析研究給水泵汽輪機(jī)發(fā)生的振動(dòng)振幅持續(xù)增加、振動(dòng)波動(dòng)等現(xiàn)象，分析發(fā)生的條件、表現(xiàn)特征以及處理方法，得出主要結(jié)論：①此種振動(dòng)現(xiàn)象發(fā)生的主要原因1#軸承襯瓦的嚴(yán)重磨損，支撐性能惡化，支撐剛度降低造成的；②通過更換1#軸承襯瓦，修刮推力軸承襯瓦及2#軸承襯瓦表面，軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振幅下降到20 μm以下，消除了不定期的振動(dòng)波動(dòng)現(xiàn)象。

［1］趙鵬飛.火力發(fā)電廠汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)給水泵節(jié)能分析［J］.機(jī)械管理開發(fā)，2017，32（10）：30-31，49.

［2］趙建，牛全興，黎淵博，等.小機(jī)排汽對(duì)主機(jī)凝汽器的影響研究［J］.山東電力技術(shù)，2017，44（8）：60-65.

［3］李錄平，鄒新元，陳薦，等.汽輪發(fā)電機(jī)組碰磨故障的典型特征研究［J］.振動(dòng)、測(cè)試與診斷，2001，21（4）：281-285，296.

［4］劉玉智，張志明，謝衛(wèi)兵，等.汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子碰磨振動(dòng)特征實(shí)測(cè)分析［J］.現(xiàn)代電力，2005，22（2）：42-45.

［5］陳江，沙德生.電廠輔機(jī)振動(dòng)故障診斷與處理［J］.電站輔機(jī)，2003，（1）：24-27.

［6］陳策.軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)非線性動(dòng)力學(xué)行為及其耦合調(diào)頻技術(shù)研究［D］.中國(guó)科學(xué)院研究生院（工程熱物理研究所），2008.

［7］施維新.汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)事故［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2001.