350 MW 汽輪發電機組5# X 軸振大故障診斷及處理

高明華

（山西昱光發電有限責任公司，山西朔州 036900）

1 設備概況及振動情況

1.1 設備概況

某汽輪發電機組分別配套350 MW 超臨界、一次中間再熱、兩缸兩排汽、直接空冷凝汽式汽輪機和QFS2 型350 MW 等級雙水內冷發電機[1]。軸系結構如圖1 所示：機組共有6 個支撐軸承，其中高中壓轉子的1#、2#軸承采用可傾瓦式，低壓轉子的3#、4#軸承采用LEG 瓦可傾式，1#—4#瓦穩定性較好，能夠避免油膜振蕩；5#、6#軸承使用橢圓瓦軸承；盤車裝置在4#、5#軸承之間，4#軸承與盤車裝置在同一軸承箱內。

1.2 測點布置及振動情況

每個軸承均在與水平線成135°和45°處設X 及Y 向軸振測點，另在軸承箱垂直位置設置瓦振測點；鍵相傳感器安裝在前軸承箱內轉子接長軸處。

2019 年10 月23 日機組安裝完畢后首次啟動定速3000 r/min時發電機5#X、5#Y 通頻軸振分別為74 μm 和48 μm，瓦振為5 μm；在隨后的4 h 空負荷空冷島沖洗階段，其5#X、5#Y軸振最大分別為94 μm 和56 μm，瓦振為5 μm，就地測量軸承蓋及地腳螺栓多處振動均低于10 μm。2019 年11 月19—24日機組帶180 MW 負荷時，其5#X、5#Y 軸振最大分別為103 μm和63 μm。此外，1#—4#瓦軸振最大為45 μm，瓦振最大為9 μm；6#瓦軸振最大為48 μm，瓦振最大為5 μm。

2 振動分類

為滿足正向推理診斷振動故障的要求，把機組振動分成十大類別，即：普通強迫振動、軸瓦自激振動、分諧波共振、電磁激振、拍振、隨機振動、汽流激振、參數振動、撞擊振動、高次諧波共振。各類振動相關特征如表1 所示[2]。

3 5# X 振動大故障診斷及處理

3.1 振動特點

由圖2、3 可知，5#X 軸振在空負荷及滿負荷狀態下，振動主頻率均為工頻，其余頻率振動均可忽略不計，且振動相位角均為229°左右；另外，其軸心軌跡為形狀一致的較為規則的橢圓，波形圖均為正弦波。

圖1 機組軸系結構示意

3.2 故障分析

由表1 可知，使軸瓦產生工頻振動的原因分為不對稱電磁力、固定式聯軸器連接的轉子同心度和平直度偏差以及不平衡離心力三種。

3.2.1 不對稱電磁力

在正常情況下，發電機轉子產生的電磁力在直徑方向上應該是均衡的，不會導致轉子振動，只會對靜子產生一個周期性的吸力。如果轉子線圈出現了故障，或者是靜子空氣間隙出現不均，那么轉子所產生的電磁力就不會對稱，進而導致轉子振動，其振動隨勵磁電流的增大而增大，且無時滯。而導致不對稱電磁力的主要故障有發電機轉子線圈局部短路以及空氣間隙不均勻等。因5#X 軸振大在空負荷下已發生，故可排除該故障。

3.2.2 固定式聯軸器連接的轉子同心度和平直度偏差

5#瓦位于低發對輪靠發電機側，因本機組聯軸器間止口間隙僅為0.03 mm，且安裝時嚴格按照緊螺栓工藝相隔90°各穿1條螺栓對稱擰緊，并測量外圓晃度及端面飄偏≤0.02 mm；另外，相鄰的4#瓦X 向及Y 向軸振均正常，且5#瓦軸振振幅隨負荷、油溫、蒸汽流量及壓力無變化，故可排除該故障。

3.2.3 不平衡離心力

（1）轉子不平衡的原因。不平衡是旋轉機械最常見的故障。引起轉子不平衡的原因有兩大類：一類是轉子系統的質量偏心，包括結構設計不合理，制造和安裝誤差，材質不均勻，受熱不均勻等，被稱為初始不平衡；另一類是轉子部件出現缺損，包括運行中轉子的腐蝕、磨損、介質結垢以及轉子受疲勞力的作用，使轉子的零部件（如葉輪、葉片等）局部損壞、松動、脫落，碎塊飛出等，造成新的不平衡。

（2）轉子不平衡的振動特點。振動故障常見的有不平衡、不對中、油膜渦動、油膜振蕩、初始彎曲、熱彎曲等多種形式。轉子不平衡故障是最常見的故障，其主要特征是機組的振動幅值增大，振動頻率為一倍頻，相位穩定，軸心軌跡為橢圓形，工頻振動的幅值與相位隨轉速的變化以及定轉速后隨時間的變化規律穩定、重復性好。偏差可忽略，故可排除轉子熱彎曲。

表1 汽輪發電機組振動分類

（3）在機組停機狀態盤車2 h 內，偏心值不大于0.02 mm，故可排除永久彎曲。

3.2.4.2 轉動部件脫落

在機組運行中最常發生飛脫的轉動部件是汽輪機葉片和聯軸器擋風板，正常運行的發電機和勵磁機轉子的轉動部件飛脫事件很少發生。轉動部件脫落最重要的特征是振動突然增大且時滯很小，一般小于0.1 s，故可排除。

3.2.4.3 轉子上存在活動部件

轉子上存在活動部件包括平衡塊在平衡槽內自由移動、轉子中心孔堵頭脫落、轉子中空部分存有異物等。這類故障產生的振動主要發生在停機后再次啟動，運行中振動很少發生突變，故可排除。

3.2.4.4 莫頓效應

軸徑與烏金摩擦使軸徑徑向形成不均衡加熱，是由于軸徑在轉子不平衡力作用下，軸徑某一方向（由轉子不平衡方向決定）形成位移高點，軸徑每轉一周，位移高點都要經過油膜最薄處一次，由于軸徑其他方向油膜較厚，油膜較薄處黏滯剪切力大于較厚處，從而造成軸徑位移高點方向摩擦發熱量較其他方向大，形成“熱點”，使軸徑產生徑向不對稱溫差。

因5#X 振動在機組3000 r/min 空負荷及帶負荷下振幅及相位角均相同，5#、6#瓦瓦溫及回油溫度相差不大，且查閱安裝數據5#瓦側隙

圖2 3000 r/min 空負荷狀態下振動圖譜

圖3 滿負荷狀態下振動圖譜

3.2.4 5#X 振動大故障判斷及確認

3.2.4.1 轉子初始彎曲、熱彎曲及永久彎曲

（1）經查詢機組安裝數據，最大彎曲值為0.015 mm，且機組在盤車狀態下偏心值不大于0.015 mm，故可排除初始彎曲。

（2）5#瓦振動在機組空負荷及滿負荷下相位角一致，振幅值及頂隙均在標準范圍內，故可排除該故障。

3.2.4.5 動靜碰磨

在汽輪發電機組運行中，轉子與靜子之間的碰磨是最常見的故障。導致動靜碰磨的原因很多，例如轉子質量不平衡、轉子不對中、轉子彎曲等。碰磨故障中主要有3 種物理現象：碰撞、摩擦以及軸系剛度的改變。發生動靜碰磨故障后，從碰磨情況出發，主要有以下軸心軌跡特征[3]：①如果是整周碰磨故障，軸心運動軌跡會呈現出圓形或者橢圓形，并且軌跡往往較為紊亂；②如果是單點局部碰磨故障，軸心運動軌跡會呈現出內8 字形；③如果是多點局部碰磨故障，軸心運動軌跡呈現出花瓣形。

由圖2、圖3 的軸心軌跡及波特圖可知，不存在動靜碰磨故障。

3.2.4.6 轉子不平衡

由圖2、圖3 及不平衡離心力的振動特征分析可知，造成5#X 軸振大的原因為發電機轉子不平衡離心力大。

3.3 5#瓦X 向振動大故障處理

平衡故障的處理方式是進行動平衡，消除不平衡帶來的振動，使旋轉設備的振動值小于允許范圍。

3.4 動平衡后各瓦振動情況

在低發對輪發電機側聯軸器0°和36°各加重174 g，合成角度和重量分別為18°和348 g（理論計算值為在15°配重348 g），5#X 軸振最大為68 μm，降至優良值以下。

4 結語

該電廠汽輪發電機組自基建安裝后第一次沖轉至3000 r/min及機組并網后均存在5#X 軸振大問題，但瓦振值優良，就地檢查軸承座基礎穩定無異常，通過分析TDM 上頻譜圖、軸心軌跡、時域波形圖、波特圖等振動趨勢圖，發現5#X 軸振主頻為工頻振動，軸心軌跡為較為規則的橢圓形狀，波形為穩定正弦波，且相位角在空負荷、半負荷及滿負荷均為229°左右，再結合機組安裝時聯軸器及軸瓦安裝記錄，可確認引起5#X 軸振大的原因為發電機轉子不平衡離心力大，通過在5#瓦側聯軸器處加配重，解決了5#X 軸振大問題，為此類機組異常振動診斷及處理提供參考。