TИ-25-2型發電機組共振故障診斷與處理

楊小春

作者通聯：西安高壓電器研究院有限責任公司 西安市西二環北段18號 710077

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一、概述

西安高壓電器研究院TИ-25-2型發電機組（前蘇聯上世紀50年代產）為大型發電機組，發電機額定容量31250kV·A，額定轉速3000r/min。主要用途是為高壓電器產品做短路試驗提供沖擊電源，運行模式是由電網提供的電源，驅動交流電機旋轉，通過聯軸器帶動發電機轉子旋轉發電，軸系構成如圖1。機組在2011年大修后進行全面測試，發現其測速電機（2kW交流電機）振動過大，垂直方向最大振幅為220μm，大大高于振動標準值（50μm），使機組的安全運行存在嚴重隱患。

圖1 機組結構示意圖

二、振動測試與故障診斷

為了查明振動過大的原因，對測速電機進行振動測試，測點布置見圖2，測試結果見表1。由表1可以看出，機組尾部測速電機垂直方向振動過大，且倍頻分量占通頻振幅的80%以上，說明機組受到了某種倍頻（100Hz）激振力的影響，引起了垂直方向的共振，即激振力的頻率與發電機及基礎固有頻率接近時振動合拍后被放大。究竟是什么原因引起了測速電機共振，進一步作如下分析與診斷。

圖2 測點布置示意

1.引起機組倍頻共振的原因分析

（1）支撐系統剛度不足，其自身固有頻率降低后接近倍頻激振力的頻率，從而引起共振。支撐系統的固有頻率是該系統在外力作用后自身振動的頻率，這種頻率與該系統的連接狀況及每個部件的剛度有關。一般說來，系統連接狀況越好，每個部件剛度越大，其固有頻率越高，反之其固有頻率就越低。

表1 測速電機振動值 μm

（2）激振力過大且含有較多的倍頻分量，有的機組存在其中某個缺陷，而有的機組同時存在以上兩種缺陷，共振問題顯得特別突出。按照由易到難的原則，首先測試了機組支撐部分的振動值（圖2），以確定系統剛度是否有問題，測試結果見表2。

由表2數據可以看出：①基礎振動過大（32μm）,說明測速電機存在的倍頻振力，引起了整個系統的振動。該機組正常情況下基礎振動應在6～15μm。②連接部件之間的振動差別很小，即測點1和測點2及測點3和測點4的振動值之差很小，最大為10μm。按照長期積累的經驗數據，一般振動值差<20μm，用扳手緊固螺栓時發現很緊，即可認為該螺栓緊力不存在問題。③機組支架振動大（110μm）且連接螺栓無緊力不足情況。這說明支架結構剛度很差，由圖2可以看出支架尾部懸臂過長，在電機振動沖擊下，支架會產生彈性變形引起支架振動，當尾部固有頻率接近倍頻（100Hz）時，就容易發生共振，由于該機組系前蘇聯上世紀50年代產品，當時對振動問題認識不夠，導致了結構設計不合理。

表2 測速電機支撐部分振動值 μm

2.引起振動的激振力來源及性質

由振動的基本理論和長期的實踐經驗證明，現場運行的機組激振力倍頻分量主要有下列因素引起。

（1）轉子彎曲或裂紋。

（2）電磁激振，由不均勻電磁力引起（氣隙不均勻時會產生）的振動。

（3）固定式聯軸器對中不良引起的軸頸晃動。

針對以上可能原因，對機組進行檢查和測試。首先外觀檢查了轉子，無裂紋和其他缺陷，所以第一種原因可以排除；振動是在測速電機空載下測得的，空載時電機電磁力為0，第二種原因也可排除；問題在固定式聯軸器對中上，為此用兩個百分表反復測量，發現聯軸器對中不良，徑向偏差達230μm（標準值≤50μm）。所以引起倍頻振動的激振力可以斷定是由于聯軸器對中不良所致。

三、消除振動的措施及效果

（1）首先用兩塊百分表認真調整了聯軸器對中，調整后中心最大偏差為20μm。在其他因素不變的情況下，重新測量測速電機振動，得出測點1、2的垂直方向振幅分別為53μm、88μm，振動有明顯減小，這說明引起共振的倍頻激振力已基本消除，但振動仍然未達到合格范圍，需要做進一步調整。

（2）在檢查支撐剛度時，發現測速電機支架尾部結構設計不合理，懸臂太長，在垂直激振力的作用下使其產生彈性變形，在激振力以倍頻（100Hz）的頻率反復作用下，其支架尾部就會產生共振（支架臺面振動為110μm）。因為支架在垂直、水平兩個方向上的固有頻率不同，所以在同樣的激振力作用下，水平方向未發生共振，振動不大；而垂直方向發生了共振，導致振動過大。查明原因后，設法改變支架在垂直方向上的固有頻率，就能避免發生共振。具體措施是將一方木鑲在尾部與地板之間，形成支撐（圖2），加支撐后測點1、2垂直方向振動值分別為10μm和16μm，通頻振幅也已降至標準規定的優秀值（20μm）以內，說明機組共振現象已消除（后又將方木支撐改為角鋼支撐，振動值又有所降低）。

四、總結

當機組發生倍頻共振時，基本原因有兩個方面：一是機組存在某種激振力，其頻率接近倍頻，應根據振動學基本理論和長期的工作經驗準確判斷激振力的發生機理，并采取相應的措施消除這種激振力。二是機組的支撐系統剛度發生了變化，其固有頻率接近倍頻，系統的剛度包括連接剛度和結構剛度。連接處螺栓緊力降低時，連接剛度就隨之降低，系統的固有頻率就會降低；由系統中的各個部件自身結構決定了結構剛度，當某個部件或幾個部件存在材料、形狀等問題時，系統剛度就會降低。一般來講，材質較軟的部件，結構剛度就低，形狀有細長、薄、懸臂等情況時，結構剛度也會下降。測速電機振動問題就是因為支撐系統有懸臂結構，導致固有頻率降低產生了共振。長期實踐證明，某種激振力突然增大時，往往是機組發生故障的表現，因此，查找激振力增大原因是保障機組安全運行的重要步驟。

1 張游祖，施維.汽輪發電機的振動及轉子找平衡.水利電力出版社，1996

2 王繼海.發電廠設備檢修技術.水利電力出版社，1995