某燃氣輪機發電機組軸系外伸端活動性失衡振動特性分析及處理

黃琪，陳淼，廖輝，羊小軍，李錄平

（1.東方電氣集團東方汽輪機有限公司，四川 德陽，618000；2.長沙理工大學，湖南 長沙，410114）

0 前言

近年來隨著節能減排、靈活調峰的要求，我國燃氣輪機聯合循環發電機組得到快速發展，根據發改委規劃，到2020年，全國聯合循環發電機組裝機容量將達到5 500萬千萬，是2000年之前50年已建成的同類裝機容量的25倍。由此可見，燃氣輪機發電機組裝機容量在電力行業的份額在逐步增大，燃氣輪機的安全穩定運行也對電力生產具有越來越重要的意義。

火力發電機組轉子外伸端不平衡或利用外伸端進行跨內平衡多有介紹[1-2]，燃氣輪機軸系突然失衡特征也有介紹[3]，但燃氣輪機發電機組的發電機與集電環采用整鍛轉子的結構外伸端的活動性失衡還未見文獻介紹。本文將介紹某燃氣輪機發電機組軸系外伸端活動性失衡的案例，總結失衡的特點，找出故障的原因。

1 燃氣輪發電機組軸系結構特點分析

1.1 軸系結構

某燃氣-蒸汽聯合循環發電廠的燃氣輪機發電機組與蒸汽輪機發電機組采取“一拖一”分軸結構，1臺燃氣輪機配置1臺蒸汽輪機，其中燃氣輪發電機組的功率為324 MW，蒸汽輪機發電機組的功率為150 MW，燃氣輪機與蒸汽輪機軸系分開設置。在燃氣輪機發電機組軸系中，燃機轉子與發電機轉子剛性連接，發電機轉子與集電環為整鍛式轉子，集電環與盤車裝置采用SSS離合器連接，整個軸系采用5個油膜滑動軸承支承，在2#支承軸承處設置推力軸承。燃氣輪機發電機組軸系及其支承系統結構見圖1。

圖1 機組軸系結構示意圖

1.2 SSS離合器結構

在盤車電機與燃氣輪機發電機組轉子之間設置了1個同步自換檔離合器（Synchro-Self-Shifting，簡稱SSS）。目前，應用在燃氣—蒸汽聯合循環機組上的的SSS離合器主要有兩類[4]：一類是連接盤車與轉子之間的離合器（基本離合器）；另一類是連接汽輪機低壓轉子與高中壓轉子的SSS離合器（繼動離合器）。

基本型SSS離合工作的基本原理：當輸入端轉動后，棘爪棘輪嚙合，滑動組件向左移動，彈簧壓縮，直至輸入端與輸出端嚙合齒嚙合，帶動輸出端轉動；當輸出端轉速高于輸入端轉速時，棘爪收起，輸出端嚙合齒帶動輸入端嚙合齒右移，滑動組件受力往右側移動，嚙合脫開。基本型SSS離合器的結構示意圖見圖2。

圖2 基本型SSS離合器結構示意圖

2 振動故障發生與發展過程

該機組于2017年6月調試后投運，軸系振動均在合格值范圍內，隨著啟停次數增多，2017年7月某次啟動后發現5#軸振大（最大到160μm），圖3為某次運行中測量的3～5#軸振X向的時域波形圖及頻譜圖，從圖3中可以看出，5X振動時域波形曲線光滑，無毛刺，是比較規則的正弦波曲線，頻率主要為工頻量，其他頻率成份非常小，就地測量軸承蓋振（落地式軸承）振幅僅15μm，表明軸承支撐系統無異常，振動是由于不平衡量偏大造成的；后續運行中分3次測量了工作轉速下的幅值相位數據，發現幅值相位數據變化大（見表1），平衡無法解決該振動問題。

圖3 機組定速時，3～5#軸振X方向時域波形及頻譜圖

表1 3次運行中測量的5#軸振數據

由于每次測量的數據均為運行中測量，每次測量之間經歷了機組啟停工況，而現場無TDM系統，故無法調取歷史數據進行分析。本文結合某次啟停和第2次的啟動過程對振動的升速特性進行了數據采集與分析。

3 振動分析

圖4為8月2日測取的升速-停機-升速過程的4～5#軸振幅相頻特性圖，從圖4中可以看出，該振動故障具有以下特點：

圖4 啟停過程4～5#軸振幅頻、相頻圖

（1）2次升速過程，5X振動在轉速2 000～2 100 r/min幅相頻特性均發生了階躍，階躍后，曲線光滑，但定速后的幅值、相位偏差很大；

（2）停機過程5X幅相頻無階躍現象；

（3）4X幅相頻也與5X幅相頻變化有類似的規律，但表現不顯著；

（4）發生階躍的轉速有降低的趨勢。

為查明振動故障的發生、發展過程，調取了首次啟動至第6次沖轉的過程數據，見圖5。從圖5可以看出，5X振動階躍在首次啟動過程就出現了，只是階躍后，又基本回落至原來水平，但第2次啟動及之后，存在階躍幅值增大的趨勢，且幾次定速后的幅值進行比較，無重復性，或大或小。

圖5 首次啟動至第6次啟動的升速過程5X通頻幅值升速特性圖

根據以上振動特點及歷史數據分析，判斷5#軸頸的外伸端存在活動部件。

4 故障機械原因分析及處理

4.1 解體檢查情況

機組在停機后，對外伸端的SSS離合器進行檢查，發現SSS離合器的輸入端棘輪有1個齒崩落一小塊，懷疑之前存在過載現象，且SSS離合器輸入端在運行中是與軸系脫開的，不會影響軸振，因此進一步對SSS離合器脫開檢查處理。

解開SSS離合器與發電機集電環軸的靠背輪對輪螺栓，用頂絲頂開輸出端時，聽到叮咚一聲，檢查發現輸入端的滑動組件限位環，約2．8 kg掉落入護罩，限位環與輸入端配合面有摩擦的痕跡及被滑動組件齒咬合的痕跡，限位環上的8個螺栓孔臺階不同程度的崩掉，殘余部分被螺栓緊固在輸入軸上，同時限位環變形嚴重。

4.2 故障原因分析

通過解體的情況分析，由于安裝原因，定位尺寸偏差15 mm，導致輸入端的滑動組件行程受限15 mm。

SSS離合器工作正常時，當輸出端轉速（發電機）增加后，帶動滑動組件移動，輸出端轉速高于輸入端轉速時，此時滑動組件脫開與輸出端的嚙合，但實際由于行程受限15 mm，導致嚙合無法脫開，輸出端施加在滑動組件上的軸向力作用于限位環上，導致限位環崩落，而后輸出端與輸入端脫開嚙合。

因此，限位環在第1次沖轉的時候就已經崩落，SSS離合器正常脫開時，受軸向彈簧的作用，滑動組件與輸出端的軸向尺寸為20 mm，經檢查，限位環最大軸向尺寸為16．5 mm，加上變形及崩落時增加的軸向尺寸，導致變形后的限位環軸向尺寸微大于空間軸向尺寸，SSS離合器脫開時，滑動組件施加力頂住限位環，使得限位環貼緊輸出端隨電機一起相對轉動，當發電機轉速持續增大時，由于泊松效應，發電機轉子收縮，空間軸向尺寸增大，導致限位環突然在輸出端腔室徑向滑動，受離心力作用貼緊輸出端腔室外圓隨發電機轉子轉動，引起軸振突升。停機時由于離心力的作用，限位環不會發生活動，因此振動無突變現象，當發電機轉子惰走到300 r/min時，盤車電機啟動，滑動組件收回至待嚙合狀態，此時限位環未受軸向作用力，隨著發電機轉速的持續降低，離心力不足以限制限位環位置時，限位環會在輸出腔室內發生相對運動，可能會掛在輸入端的限位環螺釘上而靜止，這也是停機后未聽到SSS離合器內異音的原因，是后續重復發生升速過程中振動突變的原因。

4.3 故障處理措施及效果

機組后續更換了崩壞的限位環，將盤車電機機架地腳孔擴孔，整體前移16 mm，整體調整盤車電機及輸入端的軸向尺寸后，再次啟動，振動未再發生升速過程突變現象，未經平衡處理，定速時#5軸振在30μm以內（見表2）。

表2 處理前后軸振對比μm

5 三支撐外伸端對跨內振動的影響

發電機與集電環為一體整鍛轉子，外帶懸臂的SSS離合器輸出端，每2道支撐軸承內的轉動部分稱為跨內，故該結構為兩跨三支撐帶外伸端結構，振動測點布置在軸承上，測量轉軸的相對振動。

此次SSS離合器輸入端掉入輸出端內的活動部件，驗證了外伸端不平衡對跨內振型的影響。

從圖6可以看出，外伸端不平衡量對跨內（集電環轉子）的影響有以下特點：

圖6 處理前后4～5#軸振同反相的幅相頻特性

（1）正常（處理后）時，集電環轉子受發電機轉子振型的影響，有一、二階振型的響應；

（2）外伸端不平衡量對跨內的一、二階振型響應均有較大影響；

（3）同樣的外伸端不平衡量在圓周不同的位置上對跨內的一、二階振型影響也不一樣。

6 總結

本文通過對某燃發軸系外伸端活動失衡案例的分析和處理，總結了外伸端活動部件對振動的影響特點：

（1）外伸端活動部件對最近的軸振影響最大；

（2）外伸端活動部件對每次啟停過程中振動的影響均不一樣；

（3）外伸端活動部件受結構影響，有時候會導致機組升速過程中出現振動幅值“階躍”現象；

（4）外伸端活動部件對跨內振型有較大的影響，同時活動部件在圓周上的位置不一樣，對振型的影響程度也不一樣。

該故障的診斷方法和處理技術，對后續的SSS離合器的安裝及可靠性具有重要指導意義，對解決燃氣輪機發電機組的同類故障問題有借鑒意義。