淺析發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)故障的診斷及處理

顧凱凱

摘要：大型發(fā)電機(jī)振動(dòng)故障有很多類型，熱彎曲是比較常見的振動(dòng)故障，其主要原因包括材質(zhì)問(wèn)題、冷卻系統(tǒng)故障、轉(zhuǎn)子線圈膨脹受阻、匝間短路等。本文以某1000MW汽輪發(fā)電機(jī)為例，對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)故障的診斷及處理進(jìn)行分析探討。

關(guān)鍵詞：發(fā)電機(jī)；轉(zhuǎn)子；振動(dòng)故障；診斷；處理

1機(jī)組簡(jiǎn)介

某廠2×1000MW超超臨界汽輪發(fā)電機(jī)組由上海發(fā)電機(jī)廠與德國(guó)西門子公司聯(lián)合設(shè)計(jì)生產(chǎn)。發(fā)電機(jī)型號(hào)為THDF125/67，采用水—?dú)洹獨(dú)淅鋮s方式。勵(lì)磁系統(tǒng)采用靜態(tài)勵(lì)磁和無(wú)刷勵(lì)磁2種方式。機(jī)組軸系由5個(gè)徑向橢圓軸承支撐，高壓轉(zhuǎn)子為雙支撐結(jié)構(gòu)，中壓和低壓轉(zhuǎn)子為單支撐結(jié)構(gòu)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和勵(lì)端小軸為三支承結(jié)構(gòu)，各轉(zhuǎn)子間均用剛性聯(lián)軸器連接，其軸系布置如見圖1所示。

2發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)故障的診斷及處理

2.1振動(dòng)現(xiàn)象

機(jī)組自投入生產(chǎn)以來(lái)，發(fā)電機(jī)在整個(gè)沖轉(zhuǎn)過(guò)程中，振動(dòng)良好，無(wú)異常振動(dòng)特征。發(fā)電機(jī)在機(jī)組初定速以及初帶負(fù)荷的時(shí)候，5號(hào)瓦、6號(hào)瓦振動(dòng)均小于80μm且振動(dòng)穩(wěn)定；但隨著機(jī)組負(fù)荷逐漸升高，5號(hào)瓦、6號(hào)瓦振動(dòng)也隨之升高，當(dāng)機(jī)組升至滿負(fù)荷時(shí)，5號(hào)瓦、6號(hào)瓦振動(dòng)最大為150μm；當(dāng)機(jī)組負(fù)荷下降時(shí)，5號(hào)、6號(hào)瓦振動(dòng)也隨之下降。

2.2可能導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子熱不平衡振動(dòng)的幾種常見原因

（1）冷卻系統(tǒng)故障。對(duì)于氫內(nèi)冷發(fā)電機(jī)，通風(fēng)孔是轉(zhuǎn)子熱交換的主要風(fēng)路通道，通風(fēng)孔變形、雜物堵塞等會(huì)引起通風(fēng)孔通流面積減小，這將破壞冷卻的對(duì)稱性，使轉(zhuǎn)子橫截面的溫度不對(duì)稱，進(jìn)而引起熱彎曲。該故障的特點(diǎn)是：隨著氫溫的升高，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的冷卻效果會(huì)變差，但轉(zhuǎn)子不對(duì)稱冷卻程度就相對(duì)減小，最終導(dǎo)致熱不平衡振動(dòng)減小。

（2）轉(zhuǎn)子繞組匝間短路。由于發(fā)電機(jī)短路，定子膛內(nèi)被污染，沒(méi)有被徹底清理的污染物可能會(huì)進(jìn)入轉(zhuǎn)子通風(fēng)槽或其他部位，從而引起匝間短路。

（3）轉(zhuǎn)子材質(zhì)不均。轉(zhuǎn)子材質(zhì)不均是指轉(zhuǎn)子鍛件的氣隙、夾雜、鼓泡等使轉(zhuǎn)子徑向纖維組織不均勻，導(dǎo)致材料的物理特性存在各向異性。這類問(wèn)題通常由鍛件生產(chǎn)和熱處理過(guò)程中的缺陷引起。在機(jī)組運(yùn)行中，當(dāng)材質(zhì)各向異性的轉(zhuǎn)子受熱以后，轉(zhuǎn)軸將會(huì)產(chǎn)生不均勻的軸向或徑向膨脹，引起轉(zhuǎn)子出現(xiàn)熱彎曲，從而導(dǎo)致不平衡振動(dòng)。轉(zhuǎn)子材質(zhì)不均導(dǎo)致的故障主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：①轉(zhuǎn)子電流越大（與機(jī)組有功、無(wú)功負(fù)荷正相關(guān)），轉(zhuǎn)子的熱彎曲量越大，產(chǎn)生的不平衡振動(dòng)也就越大；②材質(zhì)不均導(dǎo)致的熱彎曲一般具有可逆性，因此其誘發(fā)的不平衡振動(dòng)隨轉(zhuǎn)子電流的變化有較好的重復(fù)性；③由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量大，其對(duì)熱量的反應(yīng)具有一定的滯后性，因此振動(dòng)變化也會(huì)滯后于轉(zhuǎn)子電流的變化；④由于轉(zhuǎn)子材料物理特性的各向異性是一定的，其受熱時(shí)彎曲的方向不變，所以其振動(dòng)的相位基本維持不變。

（4）轉(zhuǎn)子線圈膨脹受阻。發(fā)電機(jī)的磁場(chǎng)由轉(zhuǎn)子繞組的勵(lì)磁電流建立，勵(lì)磁電流通過(guò)繞組并加熱線圈，線圈受熱后向兩端膨脹。如果這種膨脹不受約束，并不會(huì)在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，而在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中線槽中的銅線承受巨大離心力，使線圈緊貼在槽楔和護(hù)環(huán)的內(nèi)壁，導(dǎo)致結(jié)合面存在很大的摩擦力，阻礙線圈膨脹；如果有些線槽中的線圈完全膨脹出來(lái)，膨脹受阻的線圈將產(chǎn)生一個(gè)反作用力，通過(guò)槽楔和護(hù)環(huán)作用在轉(zhuǎn)子上，使轉(zhuǎn)子彎曲。

2.3振動(dòng)相關(guān)試驗(yàn)

為了進(jìn)一步查明根本原因，對(duì)機(jī)組先后進(jìn)行了變氫溫試驗(yàn)、變密封油試驗(yàn)、變有功試驗(yàn)、變無(wú)功試驗(yàn)。在變氫溫試驗(yàn)、變密封油溫試驗(yàn)、變無(wú)功試驗(yàn)過(guò)程中，5號(hào)、6號(hào)、7號(hào)瓦振動(dòng)幅值和角度均無(wú)明顯變化，振動(dòng)基本保持穩(wěn)定。在進(jìn)行變有功功率試驗(yàn)時(shí)，隨負(fù)荷增加5號(hào)、6號(hào)、7號(hào)瓦軸承出現(xiàn)明顯爬升，試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)見表1。

變氫溫試驗(yàn)、變密封油溫試驗(yàn)、變無(wú)功試驗(yàn)的結(jié)果表明：試驗(yàn)對(duì)5號(hào)瓦、6號(hào)瓦、7號(hào)瓦振動(dòng)無(wú)明顯影響，基本可以排除冷卻系統(tǒng)故障、線圈膨脹受阻、匝間短路等故障。根據(jù)軸系布置圖，5號(hào)瓦為低壓缸后軸承，6號(hào)瓦、7號(hào)瓦為發(fā)電機(jī)前后軸承，隨著機(jī)組負(fù)荷升至高負(fù)荷時(shí)，5號(hào)瓦、6號(hào)瓦振動(dòng)上升幅度較大，6號(hào)瓦、7號(hào)瓦相位增大。根據(jù)這些振動(dòng)特點(diǎn)，判斷發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子材質(zhì)不均、受熱不均勻，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子熱彎曲和低發(fā)對(duì)輪中心產(chǎn)生偏差的可能性較大。

2.4振動(dòng)處理措施

根據(jù)以上診斷結(jié)果，決定在機(jī)組停機(jī)之后，對(duì)其進(jìn)行汽發(fā)對(duì)輪中心重新校正對(duì)中，并在汽發(fā)對(duì)輪上進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡。經(jīng)計(jì)算，在汽發(fā)對(duì)輪上加重1.04kg逆轉(zhuǎn)向120°的平衡塊，降低發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在高負(fù)荷時(shí)熱彎曲的振動(dòng)，兼顧發(fā)電機(jī)空載時(shí)的振動(dòng)，同時(shí)根據(jù)廠家要求對(duì)汽發(fā)對(duì)輪中心等安裝參數(shù)重新進(jìn)行調(diào)整和對(duì)中。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡和汽發(fā)對(duì)輪中心調(diào)整后，機(jī)組再次啟動(dòng)，空載時(shí)，機(jī)組發(fā)電機(jī)前后軸振均小于60μm，振動(dòng)處于優(yōu)良水平；機(jī)組逐漸帶至高負(fù)荷，5號(hào)、6號(hào)、7號(hào)瓦振動(dòng)平穩(wěn)，未出現(xiàn)振動(dòng)異常波動(dòng)，振動(dòng)問(wèn)題得到解決。

3結(jié)論

（1）引起發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)的原因很多，需根據(jù)振動(dòng)特點(diǎn)和有關(guān)試驗(yàn)情況進(jìn)行綜合分析并逐一排除。在分析轉(zhuǎn)子熱致不平衡振動(dòng)的時(shí)候，往往將重點(diǎn)放在轉(zhuǎn)子存在匝間短路上，而忽視了轉(zhuǎn)子存在材質(zhì)缺陷而導(dǎo)致振動(dòng)異常的可能。（2）轉(zhuǎn)子返廠修理后，一定要在制造廠轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)上做好熱態(tài)動(dòng)平衡試驗(yàn)（模擬滿負(fù)荷工況下轉(zhuǎn)子運(yùn)行溫度）。（3）該發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子因材質(zhì)不均而引起較大的原始熱彎曲，雖然原始出廠時(shí)熱態(tài)動(dòng)平衡試驗(yàn)合格，但實(shí)際運(yùn)行情況中存在較大偏差。因此，針對(duì)存在較大熱彎曲的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，有關(guān)出廠前的熱態(tài)動(dòng)平衡試驗(yàn)方法還需進(jìn)一步研究、改進(jìn)，以使其盡量符合實(shí)際工況。（4）發(fā)電機(jī)三相短路的電、熱、機(jī)械應(yīng)力對(duì)轉(zhuǎn)子的平衡有不利影響，因此應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行防止發(fā)電機(jī)短路的反事故措施，防止發(fā)電機(jī)短路故障的發(fā)生。

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（作者單位：中機(jī)國(guó)能電力工程有限公司）