汽輪發(fā)電機組軸瓦自激振動故障分析及處理

俎海東，張沈彬，李曉波

（內蒙古電力科學研究院，呼和浩特 010020）

0 引言

汽輪發(fā)電機組軸瓦自激振動是一種常見的振動故障形式，通常發(fā)生在機組升速、超速或帶負荷過程中，振動機理可以簡單概括為垂直于軸在軸瓦中徑向偏移的切向力大于阻尼力時，軸在軸瓦中脫離平衡位置產生軸徑渦動。軸瓦自激振動一般分為半速渦動和油膜振蕩，當機組轉速小于轉子一階固有頻率的2倍時，軸瓦自激振動稱為半速渦動；當機組轉速大于轉子一階固有頻率的2 倍時，軸瓦自激振動稱為油膜振蕩。軸瓦自激振動的誘因主要軸徑擾動大和軸瓦穩(wěn)定性差，其中，軸徑擾動大主要原因有轉子熱彎曲、轉子永久彎曲或轉子不對中等；軸瓦穩(wěn)定性差主要原因有軸瓦頂隙過大、軸承型式穩(wěn)定性差、軸瓦潤滑油黏度高、軸瓦比壓小、軸瓦長徑比大、軸承座標高或承載變化等。軸瓦自激振動的處理主要從消除過大的軸徑擾動和提高軸承穩(wěn)定性兩方面入手，具體應根據(jù)振動分析診斷結果及現(xiàn)場實際情況制訂處理措施[1-6]。本文結合某50 MW 汽輪發(fā)電機組軸瓦自激振動案例進行診斷分析和處理，為其他機組類似故障的處理提供借鑒。

1 故障概況

1.1 機組介紹

某50 MW 汽輪發(fā)電機組軸系由4 套軸承支撐，各轉子均為雙支撐結構，其中汽輪機轉子1 號、2 號軸承為橢圓瓦落地軸承，發(fā)電機轉子3 號、4 號軸承為球面瓦落地軸承，機組軸系于各軸承處配備了X軸振、Y軸振和座振測點，機組軸系結構及支撐情況如圖1所示。該機組在檢修期間進行了調整汽輪機軸封間隙、抽出發(fā)電機轉子檢查、調整3號軸承底部接觸情況等工作。

圖1 機組軸系結構及支撐情況示意圖

1.2 振動故障情況

1.2.1 機組空負荷工況

機組啟動定速3000 r/min空負荷工況振動數(shù)據(jù)見表1，空負荷工況振動良好，振動主要以1 倍頻振動分量為主。

表1 機組空負荷工況振動數(shù)據(jù) μm/μm∠（°）

1.2.2 機組超速試驗

機組超速試驗過程中發(fā)電機轉子振動隨轉速升高而快速大幅升高，轉子3 號、4 號軸承軸振波德圖如圖2 所示。各圖中分別顯示軸振通頻（下半部分藍色線）、1 倍頻（下半部分紅色線）和1 倍頻相位（上半部分紅色線）。

圖2 機組超速試驗過程發(fā)電機轉子3號、4號軸承軸振波德圖

從圖2 可以看出，3 號、4 號軸承軸振快速大幅升高，但1倍頻振動分量變化不明顯，軸振的快速大幅升高主要由非1 倍頻振動分量變化引起，且非1倍頻振動分量變化值大于1 倍頻振動分量值；當機組轉速恢復至3000 r/min后振動恢復正常。同時汽輪機轉子2號軸承振動也存在快速小幅升高現(xiàn)象，1號軸承振動變化不明顯。

機組超速試驗過程中3X 軸振瀑布圖如圖3 所示，3Y、4X、4Y 軸振頻譜信息與3X 軸振頻譜信息特征一致。

圖3 機組超速試驗過程3X軸振瀑布圖

從圖3可以看出，機組超速試驗過程3X軸振快速大幅爬升，主要由20 Hz左右振動分量變化引起，而1倍頻振動分量變化不明顯。

1.2.3 機組帶負荷

機組帶負荷過程發(fā)電機轉子振動發(fā)生異常突升、突降現(xiàn)象，機組帶負荷過程1X、2X、3X、4X 軸振DCS趨勢圖如圖4所示。

圖4 機組帶負荷過程1X、2X、3X、4X軸振DCS趨勢圖

2 號、3 號、4 號軸承振動同趨勢變化，但2 號軸承振幅較小，1 號軸承振動變化不明顯；振動突升、突降過程速度較快，為25～35 s，具有突發(fā)性；振動異常變化與機組負荷、發(fā)電機勵磁電流等運行參數(shù)無明顯相關性。

機組帶負荷過程振動突變前后振動數(shù)據(jù)見表2。

表2 機組帶負荷過程振動突變前后振動數(shù)據(jù)μm/μm∠（°）

機組帶負荷過程發(fā)電機轉子3X、3Y、4X、4Y 軸振趨勢圖如圖5 所示。各圖中分別顯示軸振通頻（下半部分藍色線）、1倍頻（下半部分紅色線）和1倍頻相位（上半部分紅色線）。

從表2、圖5 可以看出，機組帶負荷過程發(fā)生振動突升現(xiàn)象，但1 倍頻振動分量、1 倍頻振動分量相位基本穩(wěn)定無變化，振動突升主要由非1 倍頻振動分量變化引起，且非1 倍頻振動分量變化值大于1倍頻振動分量值。

機組帶負荷過程3X 軸振級聯(lián)圖如圖6 所示，3Y、4X、4Y軸振頻譜信息與3X軸振頻譜信息特征一致。

從圖6可以看出，機組帶負荷過程3X軸振突升主要由19 Hz左右振動分量變化引起，而1倍頻振動分量變化不明顯。

2 振動原因分析

根據(jù)機組超速試驗過程和帶負荷過程振動異常變化現(xiàn)象，綜合分析如下。

（1）振動爬升和突變主要表現(xiàn)在發(fā)電機轉子3號、4 號軸承，相鄰轉子2 號軸承也存在相關聯(lián)小幅振動變化，因此首先認為振動異常變化為軸系真實振動狀態(tài)變化，且振動異常變化主要發(fā)生在發(fā)電機轉子上。

（2）機組定速3000 r/min 空負荷工況振動正常，但機組超速試驗過程中隨著轉速升高發(fā)電機轉子3 號、4 號軸承振動快速大幅爬升，當機組轉速恢復3000 r/min 后振動恢復正常，振動明顯敏感于轉速；振動快速大幅爬升時1 倍頻振動分量變化不明顯，主要由19～20 Hz（對應發(fā)電機轉子一階固有頻率）振動分量變化引起。

圖5 機組帶負荷過程發(fā)電機轉子3X、3Y、4X、4Y軸振趨勢圖

圖6 機組帶負荷過程3X軸振級聯(lián)圖

（3）機組帶負荷過程發(fā)電機轉子3號、4號軸承振動發(fā)生異常突升、突降現(xiàn)象，振動具有明顯的突發(fā)性；振動突變均由19～20 Hz（對應發(fā)電機轉子一階固有頻率）振動分量變化引起，1 倍頻振動分量（幅值、相位）變化不明顯；振動與機組負荷、發(fā)電機勵磁電流等運行參數(shù)無明顯相關性。

（4）根據(jù)機組超速試驗過程及帶負荷過程振動異常變化所表現(xiàn)的特點，即振動呈現(xiàn)低頻振動特點（19～20 Hz、發(fā)電機轉子一階固有頻率）、振動敏感于轉速特點、振動具有突發(fā)性特點等，綜合分析認為機組振動異常變化非由軸系平衡狀態(tài)變化引起，應為機組發(fā)電機轉子發(fā)生了軸瓦自激振動；同時考慮振動主要發(fā)生在發(fā)電機轉子且與機組負荷、發(fā)電機勵磁電流等運行參數(shù)無明顯相關性，可排除汽流激振等其他類似低頻振動問題。

3 振動處理

從機組啟動及帶負荷運行振動數(shù)據(jù)可以看出，機組汽輪機轉子、發(fā)電機轉子平衡狀態(tài)以及汽輪機轉子和發(fā)電機轉子的連接狀態(tài)有待改善，但若從減小轉子擾動入手，現(xiàn)場處理該機組軸瓦自激振動問題的工作量相對較大。

另外，在機組檢修過程中檢查發(fā)電機轉子軸承安裝情況及潤滑油品質時發(fā)現(xiàn)：機組發(fā)電機轉子軸承頂隙與設計值相比偏大；為保證汽輪機轉子和發(fā)電機轉子對中而降低了3號軸承座標高；3號軸承軸瓦磨損未徹底處理；機組潤滑油水分含量超標。

上述問題均會使發(fā)電機轉子軸承穩(wěn)定性下降，因此根據(jù)現(xiàn)場檢查結果，決定主要從增加發(fā)電機轉子軸承穩(wěn)定性入手處理機組軸瓦自激振動問題，制訂現(xiàn)場處理措施如下：

（1）復查3 號、4 號軸承軸瓦安裝間隙，適當減小軸瓦頂隙、增大軸瓦側隙。

（2）復查3 號、4 號軸承座標高，視情況適當增大軸承座標高以增加軸承承載。

（3）復查3號軸承軸瓦磨損情況，進行處理。

（4）加強潤滑油濾油，保證潤滑油油質合格，防止油中帶水。

采取上述措施后機組重新啟動帶負荷運行，再未出現(xiàn)軸瓦自激振動問題。

4 結語

本文故障中振動異常變化主要是由19～20 Hz（發(fā)電機轉子一階固有頻率對應）低頻振動分量異常變化引起，振動爬升和突變具有突發(fā)性，且振動敏感于轉速，表明發(fā)電機轉子發(fā)生了軸瓦自激振動。根據(jù)機組現(xiàn)場檢查存在的問題，主要采取減小軸承頂隙、增加軸承側隙、增大軸承座標高、提高潤滑油品質和處理軸瓦磨損等措施，使故障得到解決。軸瓦自激振動的診斷主要從振動發(fā)生過程所表現(xiàn)的特點出發(fā)，同時也應注意區(qū)分軸瓦自激振動與其他類似低頻自激振動（汽流激振等）。軸瓦自激振動的處理措施主要從消除過大的軸徑擾動和提高軸承穩(wěn)定性兩方面入手，具體應根據(jù)實際振動分析診斷結果及現(xiàn)場實際情況制訂處理措施。