發電船用汽輪發電機組振動分析與處理

摘要：振動是汽輪機組故障中較為棘手的難題，這套汽輪發電機組應用于某國外發電船上，在試車過程中，齒輪箱中的大齒輪振動一直超標，已經影響到機組交付運行。采用狀態監測技術對某船用汽輪發電機組進行頻譜分析和故障辨別，判斷出齒輪箱中大齒輪振動的主要原因。之后采取加固公共底盤，更換饒性聯軸器等措施后，解決了機組振動異常的問題。

關鍵詞：發電機組；發電船用汽輪；大齒輪；動剛度；饒性聯軸器；公共底盤 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM311 文章編號：1009-2374（2015）04-0139-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0350

1 設備概況

該設備為汽輪發電機組，中間用齒輪箱驅動發電機。汽輪機與齒輪箱采用撓性聯軸器，齒輪箱和發電機采用剛性聯軸器連接。齒輪箱中的大齒輪為扭力軸。汽輪機工作轉速在5818rpm，工作轉速以下有一個臨界轉速。發電機工作轉速在1500rpm，遠低于一階臨界轉速，因此屬于剛性轉子。

汽輪機和齒輪箱也是安裝一個小的公共底盤，然后和發電機直接固定在大的公共底盤。大的公共地盤底部是彈簧支撐，架設在發電船上。所有公共地盤材料都是鋼。其結構圖如圖1所示：

圖1 汽輪機-齒輪箱-發電機結構圖 圖2 汽輪發電機測點

示意圖

該機組在每個軸承上安裝了2個電渦流傳感器，用于測量轉子相對于軸承的軸振動。2個電渦流傳感器在其軸承測量面內的安裝角度相互垂直。總體分布如圖2所示。

2 振動的特征

2.1 振動總體概述

其各振動測點幅值歷史趨勢如圖3所示：

圖3 汽輪發電機組各振動測點幅值歷史趨勢圖

圖中縱坐標是振幅（um），橫坐標是時間（s），747A/B和745A/B對應于大齒輪上的軸振傳感器，對應于示意圖中6和5位置，5號位置是靠近汽輪機端，6號位置是靠近發電機端。

從上圖可以看出：當汽輪機轉速在2000rpm之前，機組各個位置軸的振動值合理并保持穩定，當低速暖機結束并且上升途中，齒輪箱大齒輪的振動突然急速上升。尤其是接近3000rpm的時候，靠近發電機端的軸承迅速接近停機值（100um）。其他振動還是處于20um以下，尤其發電機的前后振動值有變小的趨勢。當機組停機保護后，5和6號位置振動值還是處于一個高位。現場設備只有測量相對振動的位移傳感器，為此先增加測量軸承座絕對振動的加速度傳感器。下圖是機組各個位置水平和垂直方向的數據，測量單位是mm/sec rms：

圖4 機組各個位置軸承座水平、垂直振動值

從圖4中我們看出，在汽輪機2000rpm之前，機組各個軸承座振動相對小，到接近3000rpm的時候，整個機組各個軸承座振動迅速增大，出現共振現象。

2.2 大齒輪軸心位置異常

考慮到6的位置相對振動很大，為此特別關注了大齒輪軸軸心位置的變化。如圖5所示：

圖5 6號位置軸心位置趨勢圖

汽輪機啟動后，大齒輪軸心位置緩慢靠近傳感器747A，但只是移動了一點。隨后迅速的遠離。當轉速升到3000rpm時，還是沒有改變軌跡，直至跳機。支撐大齒輪的軸承類型是普通二油葉，正常是隨著轉速增加，微微向上抬起并保持穩定。這樣的左右移動軌跡明顯被發電機轉子拖動。

2.3 發電機前軸承座啟停機異常

為了更好地識別振動的來源，增加了速度傳感器來監測軸承座的絕對振動。圖6是發電機前軸承座的開車停圖：

圖6 發電機前軸承座開停機圖

圖6上半部分是幅值和時間的關系，下半部分是相位與時間的關系。從開機整個過程中，整個前軸承座出現了好幾個振動幅值波峰，同時相位也是大幅度改變。在發電機停機過程中，振動不是穩定下降，而是突然再次出現增加，來回幾次。與此同時，大齒輪的振動也是隨之振幅上升。最關鍵的是觀察到發電機轉子軸振同步的不斷變小，剛好與軸承座的絕對振動幅值相反。

3 振動原因分析

大齒輪振動頻譜主要是一倍頻成分，發電機轉子相對振動隨著轉速上升減少，軸承座絕對振動剛好相反，而且可重復性強。因此從以下三個方面考慮：

3.1 齒輪箱問題

斷開了齒輪箱和發電機的剛性聯軸器，打開齒輪箱，檢查大齒輪軸和軸瓦之間的間隙、緊力、接觸等數值，結果滿足合格證要求。對汽輪機和齒輪箱單獨開機，運行到額定轉速發現各個位置相對振動和絕對振動都是相當小，這樣可以排除振動是由齒輪箱產生。

3.2 大齒輪與發電機轉子不對中

對齒輪箱和發電機中心進行復測，發現左右中心偏差在0.07mm左右。對于剛性聯軸器，根據國家標準，左右偏差要求在0.03mm之內。轉子對中偏差的不平衡產生普通強迫振動激振力，導致大齒輪振幅變大。但是之前的機組啟動前，中心數據的復測是合格，這讓我們懷疑振動來自發電機部分。

3.3 發電機與公共地盤的剛度不夠

眾所周知，機組的振動增大除了激振力的增加外，還和機組的動剛度減少有關系。

A=P/K

式中：A為振幅；P為激振力；K為動剛度。

3.3.1 發電機連接剛度不夠。發電機支撐系統是由定子和公共地盤構成。定子和公共地盤的連接緊密度對發電機的動剛度影響很大。先用速度傳感器測量公共地盤和發電機底板的差別振動，左右振動發現非常高。然后把一塊百分表座架在公共地盤上，把表頭架在與公共地盤相連接的發電機底板上。測量出發電機出現了0.05mm的移動，這是導致大齒輪軸心位置異常的根本原因。仔細檢查發電機與基礎連接部分發現了以下問題，這些都導致了定子與公共地盤緊力不夠：現場外方工程師對螺絲的規格進行了更換；發電機上的2個對角定位銷沒有安裝，外方提供的公共底盤沒有對應的銷孔；定子與底盤之間墊塊沒有采用材料是鋼的墊塊，并且墊塊上下表面很光滑。

3.3.2 公共地盤結構剛度不夠。當上述問題解決后，再進行了開機測試。振動特征轉變如下：機組能夠到達額定轉速，但是運行較少一段時間后（比如10分鐘），齒輪箱振動還是變大，并且汽輪機振動也是迅速上升，機組存在共振現象。

其振動原因整個發電機重量是在45t左右，之前的這種汽輪發電機機組是安裝在水泥基礎上。而現在這個公共地盤采用了鋼結構，鋼結構的阻尼遠小于水泥基礎，并且同樣的激振力下，鋼結構的振幅比較大，其振動的自由度比較多。

4 采取的措施及效果

為改善機組共振和盡可能減少大齒輪振動，根據現場狀況，我們采用的措施從下面兩點入手：

4.1 增強公共底盤結構剛度

主要是焊接支撐筋改變原來的結構，另外增加地盤鋼板厚度等，目標是盡大可能地提高地盤的靜剛度，但是這個方法在現場有一定局限性。

4.2 齒輪箱與發電機更換為饒性聯軸器

發電機端是產生振動主要原因，通過饒性聯軸器來吸收部分振動能量。

機組各軸承的振動值符合國家表中的良好水平。

2014年8月份對改造后的汽輪機發電機組再次進行了試車，到額定轉速后停留了大概1小時，其大齒輪靠近汽輪機的振動值是16.3um、13.6um，靠近發電機端的振動是63.0um、39.2um，試車獲得圓滿成功。

參考文獻

[1] 趙經文，王宏鈺.結構有限元分析[M].北京：科學出版社，2001.

[2] 施維新.“旋轉機械設備振動檢測、分析及故障診斷技術”經驗交流會.2013.

[3] Donald E.Bently，Charles T.Hatch.Fundomentals of Rotating Machinery Diagnostics.2002.

作者簡介：黃勇（1981-），男，浙江嵊州人，杭州汽輪機股份有限公司工程師，碩士，研究方向：汽輪機組安裝調試及振動處理。

（責任編輯：蔣建華）