汽輪機軸承故障引起的不穩(wěn)定振動特征分析

曹浩，施青，程貴兵，張柏林

(1． 國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南 長沙410007;2． 國電克拉瑪依發(fā)電有限公司，新疆 克拉瑪依834003)

轉(zhuǎn)子—軸承—基礎(chǔ)系統(tǒng)是旋轉(zhuǎn)機械的核心，滑動軸承作為該系統(tǒng)中的一個重要環(huán)節(jié)，其運轉(zhuǎn)狀態(tài)將直接影響旋轉(zhuǎn)機械的工作性能。

旋轉(zhuǎn)機械工作時，軸瓦與軸頸表面間會形成油膜，支撐轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)。當(dāng)軸瓦出現(xiàn)故障時，會導(dǎo)致油膜失穩(wěn)、軸承溫度升高、振動增大。若不及早處理，振動會進一步惡化，嚴重時會使機組受到永久性損傷，甚至出現(xiàn)安全事故。

文章針對2 臺汽輪發(fā)電機組出現(xiàn)的不穩(wěn)定振動故障，結(jié)合負荷、瓦溫等歷史數(shù)據(jù)進行了分析。指出不穩(wěn)定振動是由于軸瓦故障引起的，總結(jié)了出現(xiàn)這類故障的特征。

1 第1 臺機組

1.1 振動情況介紹

某廠4 號為200 MW 汽輪發(fā)電機組，軸系布置如圖1 所示。

圖1 機組軸系圖

2012年5月3日，該機組帶150 MW 負荷運行時1 號瓦x，y 方向軸振出現(xiàn)劇烈波動，最高分別達到250 μm 和110 μm。機組被迫停機，此過程中瓦振變化不大。

圖2 給出了機組從4月20日到停機之前連續(xù)14 天1 號軸承瓦振以及x，y 方向的軸振情況。軸振的發(fā)展可以大致地分為潛伏期、發(fā)展期與爆發(fā)期等3 個階段。在潛伏期，x、y 方向軸振均值為130 μm 和45 μm，波動幅度為50 μm 和20 μm;進入發(fā)展期后，振動均值有所上升，達到150 μm 和60 μm，波動幅度也達到100 μm 和40 μm;達到振動爆發(fā)期后，振動的平均值變化不大，但波動幅度達到了180 μm 和100 μm，最大振動達到250 μm 和110 μm。瓦振的總體幅值較小，進行細分的話也存在著一定的不穩(wěn)定，同樣類似的分為3 個階段。

圖2 1 號軸承振動隨時間變化曲線

圖3 給出了振動變化期間機組負荷的變化情況，振動發(fā)展期間，負荷穩(wěn)定在130 MW 到190 MW 之間。后期由于振動過大而降低了負荷，在負荷降低的過程中振動仍在擴展。

圖3 負荷隨時間變化曲線

圖4 給出了軸振波動期間1 號軸承回油溫度的變化情況。同軸振相似，1 號軸承回油溫度起初波動較小，隨著時間的推移出現(xiàn)較大幅度的振蕩。

圖4 1 號軸承回油溫度變化曲線

1.2 振動與過程參數(shù)之間的相關(guān)分析

相關(guān)系數(shù)和移動方差定義如下:

式中Xi、Yi分別代表2 個樣本中的數(shù)據(jù)，、為2 個樣本的期望值，N 為樣本長度。t 為數(shù)據(jù)分析所選取的時長，從計算時刻開始往前選取，為數(shù)據(jù)的移動平均值。

相關(guān)系數(shù)r 越接近±1 說明2 組數(shù)據(jù)的相關(guān)性越好，越接近0 說明2 組數(shù)據(jù)完全無關(guān);方差越大代表數(shù)據(jù)的波動越大。當(dāng)樣本的時長較小時，移動方差可以較好反映出數(shù)據(jù)的短期突變;樣本的時長較大時，移動方差可以更好地反映長期趨勢的變化。為兼顧反應(yīng)短期和長期的變化，下文分析中的樣本時長選為6 h。

圖5，6 分別給出了回油溫度與1 號軸振的移動方差曲線。兩者的波動存在一定的相似特征，都在4月23日x 方向軸振方差曲線與油溫方差曲線均第1 次出現(xiàn)一個較大的波動，之后波動逐漸加劇。

圖5 軸振移動方差曲線

圖6 回油溫度移動方差曲線

表1 給出了機組各個相關(guān)參數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)。可以看到，x 與y 方向的軸振數(shù)據(jù)可以認為完全相關(guān)，瓦振與軸振數(shù)據(jù)的相關(guān)性也很好，說明三者的振動是完全聯(lián)系在一起的。

同時振動存在很大的隨機性，與機組負荷變化的相關(guān)性很低。但從對軸振移動方差曲線和回油溫度移動方差曲線的相似分析可以看出，兩者具有較強的正相關(guān)性。且在軸振的潛伏期當(dāng)中，回油溫度即出現(xiàn)了大幅度的波動，是振動變化的一個早期信號。

表1 相關(guān)參數(shù)間的相關(guān)系數(shù)

根據(jù)上述分析，判斷該機組的不穩(wěn)定振動是由于軸承故障所引起。在隨后的檢查當(dāng)中發(fā)現(xiàn)軸承下瓦烏金出現(xiàn)碎裂。

2 第2 臺機組

某臺超臨界660 MW 汽輪發(fā)電機組，軸系簡圖如圖7 所示。

圖7 某660 MW 機組軸系結(jié)構(gòu)示意圖

2011年8月10 號機組檢修之后啟機。4 號軸承為可傾式軸承，啟動過程中，其軸振在1 100 r/min后快速增大，至1 390 r/min 時達到跳機值而打閘停機。在此過程中，瓦溫、瓦振均在正常范圍內(nèi)。

圖8 給出了4 號瓦x，y 測點啟停機Bode 圖，升速到1 100 r/min 左右時，4 號軸振x，y 方向均出現(xiàn)快速增大的異常情況。轉(zhuǎn)速升到1 350 r/min時，由于振動過大而打閘停機，打閘后振動仍有所增大，x，y 方向軸振最大分別達335 μm 和305 μm。此時4 號軸承瓦振僅有6 μm。

圖8 4 號x、y 軸振啟停機Bode 圖

圖9 為1 350 r/min 時4 號瓦x、y 軸振頻譜圖。振動的基頻幅值小于25 μm，振動頻譜主要為1x/3的低頻分量。

圖9 1 350 r/min 時4 號軸振x、y 測點頻譜圖

由上述現(xiàn)象初步懷疑4 號軸瓦出現(xiàn)故障。在隨后的檢查中發(fā)現(xiàn)，可傾瓦上瓦靠近調(diào)端側(cè)彈簧折斷，折斷彈簧如圖10 所示。烏金在折斷彈簧對角處出現(xiàn)磨損，如圖11 所示。

圖10 可傾瓦折斷彈簧

圖11 可傾瓦瓦塊磨損

3 結(jié)論

2 臺機組出現(xiàn)的不穩(wěn)定振動都是由于軸承故障所引起，通過軸瓦更換或者檢修解決了振動問題。

2 臺機組軸瓦故障表現(xiàn)的特征都為不穩(wěn)定振動，第1 臺早期波動幅度較小，中后期波動幅度大幅上升，以至于不可控，振動與負荷等過程參數(shù)關(guān)系不大。第2 臺軸瓦故障后可能會出現(xiàn)大幅度不穩(wěn)定低頻分量。故障發(fā)生后軸振表現(xiàn)突出，而瓦振不明顯，在機組狀態(tài)監(jiān)測時要關(guān)注軸振的變化，一旦出現(xiàn)不穩(wěn)現(xiàn)象定要及時進行分析，做好預(yù)防準(zhǔn)備工作。

〔1〕楊建剛． 旋轉(zhuǎn)機械振動分析與工程應(yīng)用〔M〕． 北京:中國電力出版社，2007．

〔2〕施維新． 汽輪發(fā)電機組振動及事故〔M〕． 北京:中國電力出版社，1998．

〔3〕田永偉，李軍，楊建剛，等． 某超臨界660 MW 機組異常振動分析與治理〔J〕． 電站系統(tǒng)工程，2012，28(2):43-45．

〔4〕張學(xué)延． 汽輪發(fā)電機組振動診斷〔M〕． 北京:中國電力出版社，2008．

〔5〕李錄平． 汽輪發(fā)電機組碰摩振動的檢測、診斷與控制〔M〕．北京:中國電力出版社，2006．