汽輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子軸系及不平衡故障振動(dòng)抑制技術(shù)研究進(jìn)展

摘 "要""汽輪發(fā)電機(jī)組是典型的高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械。隨著能源需求的增長(zhǎng)和機(jī)組容量的增加，不平衡振動(dòng)成為影響其運(yùn)行可靠性和穩(wěn)定性的重要因素。分析了常見(jiàn)的兩種轉(zhuǎn)子軸系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過(guò)分析實(shí)際工程案例，總結(jié)了轉(zhuǎn)子不平衡振動(dòng)故障機(jī)理及影響因素，探究了不平衡故障振動(dòng)處理方法和自愈調(diào)控技術(shù)的研究進(jìn)展，展望了不平衡自愈調(diào)控技術(shù)的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞""汽輪發(fā)電機(jī)組 "轉(zhuǎn)子軸系 "不平衡 "振動(dòng)抑制" " " "DOI：10.20031/j.cnki.0254-6094.202406001

中圖分類號(hào)""TM311 """"""""""""""文獻(xiàn)標(biāo)志碼""A """"""""""""""""文章編號(hào)""0254-6094（2024）06-0000-00

電力工業(yè)是整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)和支柱產(chǎn)業(yè)，其中汽輪發(fā)電機(jī)組是電力系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備[1]。隨著能源需求的不斷增長(zhǎng)和機(jī)組容量的增加，提高汽輪發(fā)電機(jī)組的效率和可靠性成為了發(fā)展的重要方向。長(zhǎng)期的制造和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，由不平衡故障引起的振動(dòng)往往是機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)的主要因素之一。不平衡故障引發(fā)的振動(dòng)會(huì)使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生交變離心力造成轉(zhuǎn)子彎曲、軸承磨損，過(guò)大振動(dòng)造成緊固件發(fā)生松動(dòng)而脫落，機(jī)組發(fā)生事故從而嚴(yán)重威脅到汽輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性[2，3]。

介紹了汽輪發(fā)電機(jī)組常見(jiàn)的轉(zhuǎn)子軸系結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)，分析了機(jī)組發(fā)生轉(zhuǎn)子不平衡振動(dòng)的故障特征和影響因素，探索了不平衡振動(dòng)的處理方法和自愈調(diào)控技術(shù)的研究進(jìn)展，以期為汽輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子不平衡振動(dòng)問(wèn)題的分析和處理提供參考和借鑒。

1 "軸系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

汽輪發(fā)電機(jī)組軸系的穩(wěn)定是機(jī)組安全運(yùn)行的核心問(wèn)題[4]。通常，機(jī)組軸系由多個(gè)轉(zhuǎn)子及其對(duì)應(yīng)的支撐部件組成，不同的機(jī)組容量和結(jié)構(gòu)，軸系轉(zhuǎn)子數(shù)量不同，支撐結(jié)構(gòu)也有所不同。常見(jiàn)的支撐結(jié)構(gòu)有2N和N+1兩種形式，其中2N型結(jié)構(gòu)較為傳統(tǒng)，又稱為雙支撐模式，每根轉(zhuǎn)子分別由前后端的軸承支撐，即若是機(jī)組軸系有N個(gè)轉(zhuǎn)子，便有2N個(gè)軸承支承[5～9]。以某核電站的4號(hào)核電汽輪發(fā)電機(jī)組為例，是三缸-四排汽-沖動(dòng)凝氣式的，其中高中壓氣缸合為一個(gè)缸。機(jī)組軸系的整體結(jié)構(gòu)為單軸，共計(jì)4個(gè)轉(zhuǎn)子8個(gè)軸承，且軸承都是3瓦塊的可傾瓦結(jié)構(gòu)，即高中壓轉(zhuǎn)子、兩個(gè)低壓轉(zhuǎn)子（LP1和LP2）、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子及每個(gè)轉(zhuǎn)子前后各有的2個(gè)支撐軸承，如圖1所示。東方汽輪機(jī)廠的某660 MW超超臨界汽輪機(jī)也是同樣的結(jié)構(gòu)[5]，機(jī)組是由單流的高壓缸、中壓缸和兩個(gè)雙流低壓缸組成的四缸-四排汽式，且所有轉(zhuǎn)子均采用前后兩端雙支撐結(jié)構(gòu)，其中高壓轉(zhuǎn)子和中壓轉(zhuǎn)子的支撐軸承為可傾瓦軸承，其余采用的是橢圓瓦軸承。

國(guó)內(nèi)大多數(shù)汽輪發(fā)電機(jī)組都是2N支撐結(jié)構(gòu)，但一些國(guó)外廠家的設(shè)備多采用2N+1支撐結(jié)構(gòu)[10]，也稱為單支撐模式，如華電集團(tuán)基于西門子和日立公司技術(shù)設(shè)計(jì)的上電-西門子N1000MW汽輪機(jī)[11]、上海電氣集團(tuán)引入的660 MW[12]和1 000 MW[13]等機(jī)組（圖2）、直接進(jìn)口瑞士ABB公司的600 MW[14]等汽輪發(fā)電機(jī)組（圖3）。N+1支撐結(jié)構(gòu)是指1個(gè)轉(zhuǎn)子有兩個(gè)軸承支撐，其余兩根相鄰的轉(zhuǎn)子之間共用1個(gè)軸承支撐。從整體結(jié)構(gòu)上來(lái)看，整個(gè)軸系被視為一個(gè)整體，在軸系的左右兩端各有1個(gè)支撐、每個(gè)轉(zhuǎn)子連接處有1個(gè)支撐，若將每個(gè)轉(zhuǎn)子單獨(dú)分開，轉(zhuǎn)子及其氣缸不能組成獨(dú)立的旋轉(zhuǎn)體。N+1支撐結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于結(jié)構(gòu)緊湊、軸承座結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)子跨距小的同時(shí)有效縮短了整個(gè)軸系長(zhǎng)度，更重要的是減小了由于基礎(chǔ)變形對(duì)軸系對(duì)中問(wèn)題的影響，安裝維護(hù)更加方便。

汽輪發(fā)電機(jī)組軸系為N+1支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)多數(shù)為引進(jìn)歐洲技術(shù)，其設(shè)計(jì)理念比較先進(jìn)。但由于國(guó)內(nèi)對(duì)于該軸系結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的研究還不夠深入，且施工工藝和調(diào)試水平存在差異，導(dǎo)致已經(jīng)投運(yùn)的機(jī)組均出現(xiàn)了不同程度的振動(dòng)問(wèn)題[15]。

2 "汽輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子不平衡原因

2.1""轉(zhuǎn)子不平衡振動(dòng)故障機(jī)理

汽輪發(fā)電機(jī)組自身結(jié)構(gòu)復(fù)雜且運(yùn)行環(huán)境較為惡劣，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中觀測(cè)發(fā)現(xiàn)機(jī)組在故障發(fā)生前通常會(huì)出現(xiàn)異常振動(dòng)[16]，其中以轉(zhuǎn)子不平衡引起異常振動(dòng)最為常見(jiàn)[17]。當(dāng)轉(zhuǎn)子內(nèi)的質(zhì)量分布不均勻或是存在彎曲時(shí)，轉(zhuǎn)子的中心慣性主軸與旋轉(zhuǎn)軸線存在偏離，不在同一軸線上，機(jī)組在運(yùn)行狀態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)子受到周期性不平衡力的激勵(lì)作用，在軸承上產(chǎn)生較大的振動(dòng)，進(jìn)而影響機(jī)組的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

轉(zhuǎn)子系統(tǒng)存在不平衡時(shí)表現(xiàn)的主要特征為振動(dòng)信號(hào)以工頻為主，工頻振動(dòng)的振幅和相位隨著轉(zhuǎn)速變化以及定轉(zhuǎn)速后隨著時(shí)間變化是穩(wěn)定的；同時(shí)，振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域波形與正弦函數(shù)類似。但由于機(jī)組軸系不可能是完全線性的，因此實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中采集到的振動(dòng)信號(hào)往往伴隨著少量的低頻（如1/2倍頻、1/3倍頻等）和高頻（如2倍頻、3倍頻等）成分，頻域波形圖類似于“樅樹型”，以質(zhì)量不平衡為例，其時(shí)域波形圖如圖4所示。

轉(zhuǎn)子產(chǎn)生不平衡振動(dòng)的原因有很多，例如材料不均勻、制造存在偏差、安裝精度不夠、或者運(yùn)行一段時(shí)間后經(jīng)過(guò)檢修更換轉(zhuǎn)動(dòng)部件等。汽輪發(fā)電機(jī)組中轉(zhuǎn)子不平衡按照故障原因分為熱不平衡、動(dòng)靜摩擦和突發(fā)性不平衡。

2.2""熱不平衡

熱不平衡是指在汽輪發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷快速變化的工況中，轉(zhuǎn)子內(nèi)部各處因運(yùn)行環(huán)境溫度不同受熱膨脹程度也不同，各部位產(chǎn)生的膨脹量存在差異因而產(chǎn)生熱應(yīng)力導(dǎo)致轉(zhuǎn)子受熱后變形，使轉(zhuǎn)子自身質(zhì)量分布變得不均勻，在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生附加的不平衡質(zhì)量，從而引發(fā)轉(zhuǎn)子振動(dòng)。

通常，匝間短路、冷卻不均、轉(zhuǎn)子各向異性及轉(zhuǎn)子線圈膨脹不均等是引起轉(zhuǎn)子熱不平衡的主要原因[18，19]。在乍得恩賈梅納煉廠電廠4號(hào)汽輪機(jī)組并網(wǎng)升負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，因甩負(fù)荷時(shí)產(chǎn)生扭矩突變，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子部件松動(dòng)引發(fā)轉(zhuǎn)子受熱不均，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子產(chǎn)生熱不平衡[20]。內(nèi)蒙古京能某350 MW雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)組因冷卻水管的水流量不均勻引發(fā)熱不平衡[21]、大唐某發(fā)電廠2號(hào)機(jī)組因轉(zhuǎn)子線圈膨脹不均產(chǎn)生非對(duì)稱軸向力導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子熱彎曲[22]、秦山三核2號(hào)機(jī)組出現(xiàn)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸承突發(fā)性振動(dòng)[23]、某公司的一臺(tái)600 MW汽輪發(fā)電機(jī)組在A級(jí)檢修中采用RSO試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的轉(zhuǎn)子匝間短路故障[24]。

2.3""動(dòng)靜碰磨

動(dòng)靜碰磨是指轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)部件和靜止部件之間的間隙變小或調(diào)整不當(dāng)時(shí)，機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中二者發(fā)生碰撞摩擦產(chǎn)生異常振動(dòng)，其振動(dòng)值的大小由原始不平衡量和發(fā)生碰磨的轉(zhuǎn)子熱彎曲程度共同決定。在機(jī)組常見(jiàn)的故障類型中，動(dòng)靜碰磨故障發(fā)生的概率僅次于質(zhì)量不平衡故障[25]，同時(shí)伴隨較大的不確定性，該類故障的現(xiàn)場(chǎng)診斷和處理難度較大。

機(jī)組發(fā)生動(dòng)靜碰磨故障時(shí)轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)軌跡異常復(fù)雜，摩擦和碰撞具有高度的非線性特征，時(shí)域波形圖會(huì)發(fā)生畸變，同時(shí)根據(jù)碰磨的嚴(yán)重程度，振動(dòng)信號(hào)的頻率成分也不同。動(dòng)靜碰磨故障主要有兩種類型，即部分碰磨和全周碰磨。一般情況下，動(dòng)靜碰磨的摩擦發(fā)生在軸封瓦、油檔、隔板汽封及汽封瓦等位置處，其中，軸承油檔位置隨著機(jī)組的運(yùn)行會(huì)堆積碳化物，使得油檔間隙變小，最容易發(fā)生碰磨[26]。目前，國(guó)內(nèi)外研究者[27～30]提供了許多汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)生動(dòng)靜碰磨的故障機(jī)理、故障特征，以及對(duì)應(yīng)的案例分析。

2.4""突發(fā)性不平衡

突發(fā)性不平衡是指軸系轉(zhuǎn)動(dòng)部件發(fā)生松動(dòng)、斷裂脫落造成轉(zhuǎn)子質(zhì)量的不均勻分布，引發(fā)振動(dòng)的故障。該類故障通常發(fā)生在使用時(shí)間較長(zhǎng)的機(jī)組中，容易發(fā)生飛脫的部件有汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子中的葉片、圍帶、拉筋以及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子中的風(fēng)扇葉片、繞組槽楔、護(hù)環(huán)等。在運(yùn)行過(guò)程中，這些部件在受到離心作用力、高溫高壓的蒸汽腐蝕、內(nèi)部熱量和電氣參數(shù)的影響下發(fā)生斷裂飛脫。若是機(jī)組在平衡狀態(tài)良好正常運(yùn)行中突然發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)部件脫落，會(huì)產(chǎn)生一次性的振動(dòng)突然增大現(xiàn)象，后續(xù)恢復(fù)正常；倘若脫落的部件卡在某轉(zhuǎn)動(dòng)位置時(shí)，機(jī)組會(huì)突發(fā)振動(dòng)同時(shí)可能引發(fā)轉(zhuǎn)動(dòng)部件損壞的連鎖反應(yīng)，產(chǎn)生動(dòng)靜碰磨故障。

因此部件發(fā)生斷裂后，應(yīng)準(zhǔn)確定位故障部位；同時(shí)在日常檢修時(shí)也應(yīng)該對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)部件進(jìn)行探傷檢查，避免造成重大設(shè)備損壞、機(jī)組非停乃至更大的事故發(fā)生[31～34]。

3""不平衡振動(dòng)處理方法

3.1""現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡

針對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)組存在的異常振動(dòng)問(wèn)題，首先對(duì)機(jī)組進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、分析振動(dòng)數(shù)據(jù)。若判斷出故障原因?yàn)椴黄胶?，即轉(zhuǎn)子原有的平衡狀態(tài)被破壞，傳統(tǒng)的做法是把轉(zhuǎn)子拆下來(lái)返回原廠或者是在動(dòng)平衡機(jī)上進(jìn)行找平衡直至再次恢復(fù)平衡狀態(tài)后可啟動(dòng)運(yùn)行。這種方式需要多次啟停機(jī)且檢修周期較長(zhǎng)，不僅浪費(fèi)時(shí)間和人力，還會(huì)降低機(jī)組的經(jīng)濟(jì)效益。因此，大多采用現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡作為降低不平衡引起機(jī)組振動(dòng)的主要處理措施[35～37]。該方法優(yōu)勢(shì)在于縮短檢修周期，并且在機(jī)組的任何轉(zhuǎn)速工況、任何負(fù)荷下都能進(jìn)行。

現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡是通過(guò)對(duì)軸系進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)和振動(dòng)數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，結(jié)合平衡塊的增減達(dá)到降低機(jī)組振動(dòng)的目的。該方法從原理上分為影響系數(shù)法和模態(tài)分析法[38]。針對(duì)不同的機(jī)組結(jié)構(gòu)，基于ANSYS、Maxwell等分析軟件建立有限元模型，計(jì)算對(duì)應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)速和不平衡力，分析各路故障變量對(duì)軸系的振動(dòng)響應(yīng)特性的影響[39～41]。

在實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡的過(guò)程中，根據(jù)不同機(jī)組結(jié)構(gòu)以及技術(shù)人員對(duì)平衡策略和關(guān)鍵技巧的考慮，具體的動(dòng)平衡方案也多種多樣。主要的操作步驟為：采集基本振動(dòng)數(shù)據(jù)并分析，即平衡前轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在原始狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)試并記錄振動(dòng)情況；設(shè)計(jì)動(dòng)平衡方案，基于已獲取的基礎(chǔ)振動(dòng)數(shù)據(jù)，確定加重重量、加重平面及加重步驟等；在加重平面上分別試加重，測(cè)量振動(dòng)值并計(jì)算影響系數(shù)；正式加重，測(cè)量振動(dòng)值并評(píng)估動(dòng)平衡效果，若是平衡效果不佳，重復(fù)以上步驟直至振動(dòng)降低至理想水平。

3.2""自愈調(diào)控技術(shù)

現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡是一種比較成熟的方法，但該方法啟停機(jī)次數(shù)較多，動(dòng)平衡過(guò)程的經(jīng)濟(jì)成本增加且對(duì)裝配精度的要求較高。因此，北京化工大學(xué)團(tuán)隊(duì)提出了自愈調(diào)控技術(shù)[43，44]，即針對(duì)發(fā)電機(jī)組這類旋轉(zhuǎn)設(shè)備，在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)行自監(jiān)測(cè)、自診斷以及主動(dòng)控制進(jìn)而達(dá)到抑制故障發(fā)生的目的，實(shí)現(xiàn)機(jī)器的自愈化。

不平衡自愈調(diào)控系統(tǒng)通常由3部分組成，即數(shù)采器、測(cè)控器和執(zhí)行器，如圖5所示。數(shù)采器一般用來(lái)采集獲取機(jī)組軸系的振動(dòng)信號(hào)并傳輸至測(cè)控器；測(cè)控器包括數(shù)據(jù)故障診斷和自動(dòng)平衡控制兩部分，當(dāng)振動(dòng)測(cè)量值超過(guò)提前設(shè)定的報(bào)警值同時(shí)判斷是轉(zhuǎn)子不平衡引起的，則根據(jù)一定的控制策略控制執(zhí)行器動(dòng)作；執(zhí)行器收到指令后內(nèi)部的平衡塊移動(dòng)合成補(bǔ)償量，以實(shí)現(xiàn)對(duì)軸系轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的自動(dòng)補(bǔ)償。

根據(jù)平衡執(zhí)行器內(nèi)部產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力的不同分為電機(jī)驅(qū)動(dòng)式、氣壓液式和電磁式。其中，電磁式執(zhí)行器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)式執(zhí)行器已應(yīng)用于在高檔機(jī)床主軸和航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，而氣壓液式平衡執(zhí)行器具備旋轉(zhuǎn)部分無(wú)可動(dòng)部件、動(dòng)作環(huán)境封閉且平衡過(guò)程中可停機(jī)保持等特點(diǎn)，更加適用于汽輪發(fā)電機(jī)組這類大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備領(lǐng)域?；诠收献杂c靶向抑制原理，潘鑫等研制出適用于大直徑轉(zhuǎn)軸的自愈調(diào)控系統(tǒng)，根據(jù)最大直徑為500"mm的轉(zhuǎn)子實(shí)際結(jié)構(gòu)搭建模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖6所示，自愈調(diào)控系統(tǒng)實(shí)物如圖7所示，通過(guò)雙面動(dòng)平衡將轉(zhuǎn)子振幅從17.8"μm降低至4.6"μm[44～46]。

4""結(jié)束語(yǔ)

汽輪發(fā)電機(jī)組軸系轉(zhuǎn)子振動(dòng)的大小直接關(guān)系到機(jī)組能否安全、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。針對(duì)機(jī)組軸系研究結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和故障特征，結(jié)合日常檢修過(guò)程中累積的經(jīng)驗(yàn)和故障診斷系統(tǒng)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)潛在故障并及時(shí)做動(dòng)平衡處理，從而避免故障進(jìn)一步惡化發(fā)生重大事故。在機(jī)組的不平衡振動(dòng)處理方面，自愈調(diào)控系統(tǒng)將更好的運(yùn)用到工程實(shí)際中去，向著綜合性強(qiáng)、靈敏性高、簡(jiǎn)單易安裝的方向發(fā)展的同時(shí)，提高對(duì)于不同機(jī)組結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性。

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（收稿日期：2024-01-23，修回日期：2024-10-09）

作者簡(jiǎn)介：張開柳（1974-），高級(jí)工程師，從事核電和核化調(diào)試工作。

通訊作者：張馨（1998-），助理工程師，從事旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備自動(dòng)平衡的研究工作，buctzx2020@126.com。

引用本文：張開柳，姜洋，張馨，等.汽輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子軸系及不平衡故障振動(dòng)抑制技術(shù)研究進(jìn)展[J].化工機(jī)械，2024，51（6）：000-000.