9FA燃氣輪機高中壓轉子碰摩振動的分析與處理

徐百成，李衛軍，吳文健，蔡文方，應光耀

（1.浙江省火電建設公司，杭州310016；2.國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州310014）

9FA燃氣輪機高中壓轉子碰摩振動的分析與處理

徐百成1，李衛軍2，吳文健2，蔡文方2，應光耀2

（1.浙江省火電建設公司，杭州310016；2.國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州310014）

介紹了9FA燃氣輪機高中壓轉子碰摩振動的原因、振動特征及處理措施。通過對1臺燃氣輪機高中壓轉子碰摩振動的原因分析，提出了避免動靜碰摩的具體措施，可供同類機組參考。

9FA燃機；高中壓轉子；碰摩振動；處理

0 引言

美國GE公司與哈電集團聯合生產的9FA燃氣輪機組具有啟動靈活、熱效率高等優點，浙江省已投產8臺該型機組，但有4臺機組的高中壓轉子在調試過程中發生了動靜碰摩，嚴重時導致高中壓汽封磨損[1，2]。本文對9FA燃氣輪機高中壓轉子碰摩振動的原因、特征及處理措施進行分析，并通過典型案例，介紹了避免動靜碰摩的經驗和措施，可供同類機組參考。

1 機組簡介及軸系圖

9FA燃氣輪機組由PG9315FA型燃氣輪機、D10型三壓帶再熱系統的汽輪機以及發電機組成，軸系布置如圖1所示。汽輪機為超高壓機組，其轉子由高中壓轉子（下文簡稱HP-IP轉子）和雙分流低壓轉子構成，均為整鍛實心雙支撐轉子，3號、4號瓦為橢圓瓦，HP-IP轉子的實測臨界轉速為1 330～1 380 r/min。

9FA燃機容量為390 MW，與其配套的汽輪機為高中壓缸合缸，且為單層缸，高壓缸、中壓缸進汽溫度均為565℃，壓力分別為9.6 MPa和2.1 MPa。

該型汽輪機高中壓轉子在調試運行中多次出現由動靜碰摩引起的振動故障。

圖1 9FA燃氣聯合循環機組軸系布置

2 HP-IP轉子碰摩振動分析

2.1 HP-IP轉子碰摩振動原因分析[3]

（1）HP-IP轉子動靜間隙偏小。為提高效率，高中壓缸的汽封、隔板汽封、軸封間隙設計得很小，在安裝或檢修時，現場難以根據制造廠提供的間隙值合理把握。在機組啟動或運行過程中，若出現軸封汽溫度不匹配、上下缸溫差偏大（大于35℃）、汽缸膨脹不暢、汽缸跑偏等情況，會改變動靜間隙，因此新機組啟動或機組檢修后的啟動過程中常會發生碰摩振動。

（2）HP-IP轉子中部的軸封段較長，軸封間隙偏小，轉子在過一階臨界轉速時中部振動較大，因此機組在啟動或停機階段也容易發生碰摩。

2.2 HP-IP轉子碰摩振動的特征

HP-IP轉子發生動靜碰摩時，轉子受碰摩的影響，會在轉軸上產生不均勻溫度場，從而引起熱變形即熱不平衡，轉子振動信號始終以基頻（1X）分量為主，同時還有其它高頻分量。

碰摩初期，碰摩產生的熱變形會使振動逐漸增大，若碰摩情況不嚴重，經過一段時間后，動靜碰摩點脫離，溫差減小，振動逐漸恢復正常。若動靜碰摩嚴重，則碰摩點無法脫離，碰摩持續，溫差增大，轉子振動快速爬升，最終導致振動發散，機組停機。

2.3 HP-IP轉子動靜碰摩處理措施

HP-IP轉子動靜碰摩的處理措施比較復雜，當前主要的方法為：

（1）磨合運行，擴大動靜間隙。HP-IP轉子碰摩故障出現后，要設定合適的振動打閘值，同時應適當調整運行參數，如軸封汽溫度、真空值等，在振動不發散的前提下進行“磨合”運行。機組經過多次啟停與較長時間的運行，動靜間隙擴大，碰摩故障可能會消除。若在磨合過程中振動出現快速爬升或大幅波動，應立即停機，待振動穩定后再啟動。

（2）降低HP-IP轉子不平衡殘余量。若HPIP轉子同時存在較大的原始不平衡量，應先進行精細動平衡試驗。降低HP-IP轉子的不平衡殘余量，使機組處于較好的原始振動水平，減少或消除碰摩故障發生的可能。

（3）通過調整HP-IP缸體下沉量[4]或軸承標高，改變動靜間隙或軸頸中心位置。

（4）若轉子多次發生碰摩振動，且改善不明顯，則建議利用揭缸檢修機會對轉子的動靜間隙進行檢查調整，適當放大動靜間隙。

3 HP-IP轉子碰摩振動分析與處理實例

3.1 HP-IP轉子碰摩振動現象

2012年11月27日18∶38，某發電廠8號機組定速3 000 r/min下，3X振動為110 μm，其余各瓦振動均在65 μm以下；運行幾分鐘后，3號、4號瓦振動快速爬升，3X軸振在10 min內爬升到216 μm，致使機組停機。停機降速過程中，3號、4號瓦軸振明顯高于升速過程中的振動，具體數據見表1。3號瓦X向軸振趨勢圖、波特圖如圖2、圖3所示。

圖2 3號瓦X向軸振趨勢

圖3 3號瓦X向軸振波特

11月28日，將軸封汽溫度調整至190℃、真空調整至-91 kPa，8號機組再次啟動到3 000 r/min，運行時間延長了十多分鐘，振動現象和11月27日一致。

3.2 HP-IP轉子碰摩振動分析

8號機組運行過程中，HP-IP轉子振動特征如下：

（1）8號機組定速3 000 r/min約10 min后，3號、4號瓦振動開始快速爬升，最終分別爬升至216 μm和131 μm，且以1X分量為主。3號、4號瓦振動基頻爬升的變化量分別為132 μm和101 μm，相對較大；相鄰1號、5號瓦的振動變化量分別為70 μm和30 μm，相對較小。表明3號瓦、4號瓦振動爬升的原因可能是HP-IP轉子發生了動靜碰摩、靠背輪螺栓松動或對中不良。

停機并投盤車直軸后，對燃氣輪機轉子和HP-IP轉子的靠背輪以及3號、4號瓦軸承螺栓進行檢查，未發現有松動。再次啟動升速至400 r/min時，3號、4號瓦振動均小于30 μm，振動恢復至原來值，可排除HP-IP轉子對中發生變化的可能。

（2）機組停機降速過程中，在1 500 r/min以下時，3號瓦振動隨轉速的下降而快速爬升，在轉速降至400 r/min時，振動爬升到246 μm。在1 360 r/min的HP-IP轉子一階臨界轉速下，3號瓦振動最大，原始振動與摩擦振動疊加，致使其HP-IP轉子在低速時發生了嚴重動靜碰摩。判斷HP-IP轉子動靜碰摩的原因可能是：其一，HPIP轉子動靜間隙過小，其出廠值要求小于0．25 mm，容易產生碰摩。其二，HP-IP轉子原始振動偏大，不利于HP-IP轉子碰摩故障的消除。

3.3 HP-IP轉子碰摩振動處理措施

根據以上分析，認為碰摩主要由動靜間隙偏小、原始不平衡量偏大引起，為此采取以下措施。

3.3.1 不揭缸的動靜間隙調整

通過調整高中壓缸相對轉子中心位置來調整高中壓缸的動靜間隙。根據安裝數據，結合碰摩振動的數據變化量，調整高中壓缸的下沉量，即調整汽封間隙并保證汽隙的均勻性[4]。經測量與計算，將高中壓缸調端、電端相對于轉子中心在出廠值的基礎上分別下調0．2 mm和0．3 mm。調整后，8號機組于11月29日啟動，在3 000 r/min下的運行時間最長為85 min，振動情況有所好轉，但未徹底消除。

3.3.2 動平衡降低HP-IP轉子軸振

調整動靜間隙后，8號機組運行時間最長85 min、最短只有35 min就會發生動靜碰摩。同時，機組定速3 000 r/min運行時，3號、4號瓦振動相對穩定時分別為106 μm和90 μm，且以基頻為主，表明HP-IP轉子上存在一定的不平衡量。為此可通過動平衡手段降低3號、4號瓦原始不平衡量，對消除動靜碰摩有利。經對振動數據進行分析計算，在燃氣輪機與HP-IP轉子對輪上靠近3號瓦側加重0．115 kg。加重后，3號、4號瓦振動均小于80 μm，原始振動明顯降低，振動有較大改善。加重前后的振動數據見表2。處理后，在8號機組沖管期間，3號、4號瓦振動較穩定，HP-IP轉子未出現嚴重動靜碰摩振動現象。

表1 8號機組不同轉速時X向軸振數據

表2 8號機組HP-IP轉子動平衡前后振動數據μm

3.3.3 HP-IP轉子動靜間隙調整

168 h試運行結束后，利用機組調停機會，對高中壓缸揭缸檢查，發現上缸隔板汽封及葉頂汽封與轉子發生了動靜碰摩，且磨損程度較大，各級磨損也不均勻。

根據檢查情況，在不吊出HP-IP轉子的情況下，對發生碰摩的汽封齒進行修復，并調整汽封間隙，使汽封齒的間隙略大于0．3 mm。處理后，8號機組3號、4號瓦在不同工況下的最大振動分別為95 μm和71 μm，且未再發生HP-IP轉子動靜碰摩現象。

4 結語

通過對9FA燃氣輪機HP-IP轉子的碰摩振動分析，以及對某發電廠1臺機組的HP-IP轉子典型碰摩振動分析及處理實例，得出HP-IP轉子葉頂汽封、隔板汽封、軸封等間隙偏小是產生碰摩的主要原因，HP-IP轉子不平衡殘余量偏大會使碰摩振動故障更容易發生。若要提高9FA燃氣輪機運行的穩定性，避免碰摩發生，應采取如下措施：

（1）降低HP-IP轉子的不平衡殘余量，可減輕或抑制其動靜碰摩，提高機組運行的穩定性。

（2）高中壓缸隔板汽封、葉頂汽封、軸封的間隙值均應大于0．3 mm，且應均勻。

[1]吳文健，吳斌，戴惠慶．大型9FA燃氣發電機組的振動試驗研究及處理[J]．浙江電力，2013（7）∶38－41．

[2]應光耀，章小忠，吳文健．9F聯合循環機組嚴重碰摩診斷分析及處理[J]．汽輪機技術，2010（1）∶74－76．

[3]楊建剛．旋轉機械振動分析與工程應用[M]．北京：中國電力出版社，2007．

[4]彭永會．聯合循環汽機中心和通流間隙調整[J]．大型鑄鍛件，2007（4）∶29－32．

（本文編輯：龔皓）

Analysis and Treatment on Rubbing Vibration of HP-IP Rotors for 9FA Gas Turbines

XU Baicheng1，LI Weijun2，WU Wenjian2，CAI Wenfang2，YING Gangyao2
（1.Zhejiang Thermal Power Company，Hangzhou 310016，China；2.State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China）

The reasons，characteristics and treatment measures of HP-IP rotors rubbing vibration for 9FA gas turbines are introduced.By case analysis on rubbing vibration of HP-IP rotors for a 9FA gas turbine，the paper proposes countermeasures against collision between movable and static parts，providing reference for units of the same type.

9FA gas turbin；HP-IP rotor；rubbing vibration；treatment

TK268+.1

：B

：1007-1881（2014）12-0038-03

2014-10-07

徐百成（1959-），男，浙江東陽人，高級工程師，主要從事汽輪機組安裝、調試工作。