可傾軸承損壞引發的燃氣輪發電機組低頻振動故障分析

楊衛國，甘 地，祝鐵軍 ，杜勝磊

(1. 廣東惠州天然氣發電有限公司，廣東 惠州 516082; 2. 廣東電科院能源技術有限責任公司， 廣州 510080)

燃氣輪發電機組等大型旋轉機械是由轉動部件和軸承等部件組成。工作介質在轉動部件內部通道中流動，實現能量轉換過程，軸承則起著支撐轉動部件的關鍵作用，其對機組安全穩定運行的影響很大。

近年來，大型燃氣輪發電機組上發生了一些因軸承而引發的振動故障。文獻[1]分析了某臺燃氣輪機振動原因，指出透平間溫度過高改變了軸承載荷分配，導致#3軸承油膜失穩。文獻[2-5]通過調整軸承載荷、擴大進油孔直徑和減小軸承寬度等方法解決了軸承上發生的油膜渦動故障。文獻[6]通過檢修可傾軸承瓦塊厚度不均缺陷和軸系標高調整，解決了燃氣輪機因軸承而引發的低頻波動故障。文獻[7-8]通過軸系載荷調整解決SSS離合器前軸承上發生的失穩故障。文獻[9]研究了軸承載荷對可傾瓦上發生的兩類低頻振動故障的影響。上述研究主要針對燃氣輪機上發生的因可傾軸承失穩而引發的低頻振動故障。文獻[10]則分析了某臺燃氣輪機上發生的因可傾瓦下瓦烏金損壞而引發的低頻振動故障，低頻的頻率為25 Hz。

本文分析了某臺大型燃氣輪發電機組上發生的一類非軸承失穩而引發的低頻振動故障，該故障在工程中比較少見，故障頻率也很少見。通過測試和分析，總結了振動特征和規律，確認故障是由于可傾軸承損壞所引起的，通過更換可傾軸承的方式解決了機組振動故障。

1 機組介紹

某發電公司#4燃氣輪機是GE公司生產的9FA(350 MW)燃氣-蒸汽聯合循環發電機組，軸系由燃氣輪機、高中壓缸、低壓缸、發電機和勵磁機轉子組成，勵磁機尾端懸臂布置。軸系共有8個軸承，#1～#5為可傾瓦軸承，#6～#8為橢圓軸承。軸系布置如圖1所示。

#4機配備了本特利振動監測系統，在#1～#8軸瓦軸頸附近左、右45°分別安裝了兩套電渦流傳感器，測量軸系各轉子轉軸相對振動。在#1、#2、#7、#8軸承上布置了瓦振傳感器，測量軸承座振動。試驗時在#4軸承座上加裝了臨時測量用的瓦振傳感器。

一段時間以來，該機組#4、#5軸承振動出現了不穩定波動，對機組安全運行產生了一定影響。

2 機組不穩定振動現象

在帶負荷運行狀態下對機組振動進行了測試。

圖2給出了#5軸承振動變化情況。振動具有突發性，振動突增和突降持續時間很短，在10～20 s左右。振動波動具有很強的隨機性和無規律性。試驗時，機組在穩定工況下運行，運行上沒有任何操作。查閱歷史曲線可知，不穩定振動主要發生在#4和#5軸承上，在相鄰#3和#6軸承上也有表現。#5軸承波動幅度更大，波動次數更頻繁。

圖3給出了4x軸振和#4軸承瓦振變化情況。4x軸振出現大幅隨機性波動時，#4軸承瓦振穩定，沒有波動，幅值一直很小。

以4x和5x測點為例，圖4和圖5分別給出了振動小和大時的波形和頻譜圖。波動狀態下測點波形發生了畸變，帶有較明顯的低頻抖動特征，頻譜圖上則出現了幅值較大的12.5 Hz左右的低頻分量。波動發生后低頻分量幅值已經超過工頻分量，成為影響振動的主要因素。整個過程中，50 Hz工頻分量幅值和相位基本穩定，其它頻率分量波動幅度也很小。

圖6給出了波動前后#4和#5軸承軸心軌跡圖。波動發生前，#4軸承的軸心軌跡總體上穩定，但出現了很多毛刺。#5軸承的軸心軌跡也有點亂，多個周期之間軸心軌跡的重合度不高。波動發生后，2個軸承的軸心軌跡形狀都發生了較大變化，軸心軌跡形狀都很紊亂。

沒有波動時，#4、#5軸承軸頸中心位置穩定。波動發生時，#4、#5軸承的軸頸中心也會出現沿著水平方向的大幅度瞬態波動，波動幅度約有0.1 mm，如圖7所示。與此同時，#3軸承軸頸中心則比較穩定。

近一段時間以來，振動波動頻率增加，幅度也有所增大。查閱歷史運行數據可知，經歷過一次啟停后，振動波動現象有所惡化。例如，某次開機，3 000 r/min定速初期，振動出現了連續性的波動。帶負荷運行一段時間后，波動才逐漸減小。

試驗表明，振動波動和潤滑油溫之間有一定關聯，如圖8所示。潤滑油溫提高后，容易發生波動。油溫降低后，波動頻率明顯降低，運行期間內偶爾發生了幾次波動。

3 振動原因分析

3.1 信號可靠性

#4、#5軸振大幅度波動時，瓦振并沒有波動，波動帶有很強的隨機性，而且12.5 Hz低頻頻率在工程上也很少見，找不到對應的故障頻率點，如：轉子系統固有頻率、油膜渦動和油膜振蕩頻率等，故障分析時很多人認為波動是因測量系統受到干擾而引起的。

根據監測數據，我們認為波動時的振動信號是可靠的：

(1) 振動波動與潤滑油溫之間有一定的對應關系，而電磁干擾等外界因素與潤滑油溫之間的關系不大。

(2) #3、#4、#5、#6軸承x和y方向上的振動(合計8個測點)同步發生波動。

3.2 故障部位

不穩定振動突出表現在#4、#5軸承上，距離這兩個軸承越遠，波動幅度越小，可以判定故障主要發生在#4、#5軸承上。

#4、#5軸承相距較近，難以準確判斷故障到底發生在哪個軸承上?？紤]到#5軸承波動幅度更大、頻率更為頻繁，故障嚴重性比#4軸承更嚴重些，初步認為#5軸承發生故障的可能性更大些。

3.3 故障原因

不穩定振動頻率主要為12.5 Hz的低頻分量，可以排除轉子不平衡、不對中等強迫振動故障。

油膜失穩是最為常見的低頻振動故障。油膜渦動和振蕩時的頻率分別為半頻和轉子系統固有頻率，這2個頻率和本機組波動發生時的振動頻率都不同。油膜失穩故障容易發生在輕載軸承上，本機組#5軸承瓦溫較高，達到113 ℃，說明軸承載荷較重。提高潤滑油溫、降低潤滑油粘度，對油膜失穩故障有一定的抑制效果，本機組發生的振動波動現象正好與此相反。油膜失穩故障的發生具有突然性，振動發生后通常可以持續一段時間，不太可能出現10～20 s時間間隔內忽大忽小現象。根據上述分析，可以排除軸承油膜失穩故障。

振動波動和潤滑油溫有一定關聯，說明軸承工作狀態對振動波動有影響。軸承工作狀態與以下2個因素有關：

(1) 潤滑油供油不足。當潤滑油供油不足時，軸承瓦溫會較高。潤滑油溫降低后，油粘度增大，潤滑性能變好，對這類不穩定振動有一定的抑制效果。

(2) 可傾瓦塊損傷。該機組#4、#5軸承采用可傾瓦設計，可傾瓦塊背部柱銷磨損后，瓦塊擺動幅度增大，容易發生瓦塊與軸頸之間的碰撞，使軸頸上受到力的沖擊作用，瞬間改變軸頸中心位置，激發不穩定振動。潤滑油溫降低后，滑油粘度增大，可以增大可傾瓦塊與軸頸之間的間隙，減少瓦塊與軸頸碰撞，對抑制這類不穩定振動有效果。

3.4 振動處理方案

根據上述分析，可以認為軸承工作狀態劣化是導致機組振動波動的主要原因。建議采取以下措施：

(1) 加強對不穩定振動的監測，防止振動進一步惡化，并做好生產應急處理預案。

(2) 可以通過降低潤滑油溫、開啟交流潤滑油泵、增加軸承供油壓力等方式來緩解振動。

(3) 振動波動時，加強對#4、#5軸承聲音的監聽，看看有無金屬部件碰撞等異音，特別是在停機過程中。

(4) 如振動進一步惡化，建議停機，重點針對#4、#5軸承進行檢查，包括：瓦塊磨損情況、上瓦塊烏金出油邊與軸頸之間的碰撞情況、瓦塊背部柱銷孔磨損情況、瓦塊烏金表面顏色等。擴大#4、#5軸承節流孔板直徑，增大這兩個軸承的潤滑油流量。同時，檢查油管路(包括濾網等)是否存在堵塞。

4 檢查結果

圖9給出了該機組采用的可傾瓦軸承結構。可傾瓦軸承由6個可傾瓦塊組成，上下各有3個瓦塊。在每個瓦塊的背部設計有柱銷。圖10給出了#5軸承打開后的情況。檢查發現，#5軸承上瓦塊背部柱銷中有1個已經斷裂，并導致該瓦塊出油邊與軸頸之間發生碰撞。該部位處烏金局部碎裂。檢查結果確認了此前對故障原因的懷疑。

利用本次檢修機會，對該軸承進行了更換，并對更換新軸承后的軸系中心進行了復核和調整。檢修后開機，機組振動狀況良好，不穩定振動波動現象消失。

5 結論

(1) 機組帶負荷運行時的陣發性振動波動是由于可傾瓦塊柱銷斷裂引起的。

(2) 柱銷斷裂后，瓦塊與軸頸之間發生碰撞，導致軸頸中心瞬態橫移，軸心軌跡上出現毛刺，多周期軸心軌跡的重復性較差。振動頻率中出現了12.5 Hz的低頻分量，振動波動和潤滑油溫之間有一定關聯。根據上述現象，可以對可傾軸承瓦塊故障進行診斷。因瓦塊故障而導致的振動頻率為什么是12.5 Hz，其原因還有待于進一步深入研究。