燃氣輪機發電機組軸承高振動故障機理分析

陳明華，李 政

（中海油能源發展裝備技術有限公司，天津 300452）

0 引言

燃氣輪機發電機組是海上采油平臺核心動設備，是采油平臺的主力發電設備，設備價值高、維修周期長，其能否正常運行直接關系采油平臺生產穩定性。

某平臺發電機組運行過程中電發機非驅動端軸承不穩定振動，持續時間在半年以上，主要表現在軸振與瓦振的振動值大小與運行時間和電發機負載大小相關。期間進行了兩次軸承拆檢，采集了拆檢前后的振動數據。高速渦輪機械轉子不穩定振動原因較多，包括不平衡、松動、轉子熱彎曲等，本文主要通過轉子振動數據模型，軸瓦間隙與油膜剛度分析，軸與軸瓦小間隙配合條件下轉子熱彎曲機理，分析轉子在軸瓦小間隙運行條件下不穩定振動的根本原因。

1 設備基本信息

該發電機組是由燃氣輪機驅動，通過齒輪箱減速，驅動發電機發電，發電機組基本信息：燃氣輪機最大功率31.5 MW，運行轉速5109 r/min；發電機額定功率30 MW，額定轉速1500 r/min；齒輪箱形式為一級減速齒輪箱。

機組配置了振動在線監測系統，可實時記錄發電機轉子振動的瞬態與穩態數據。在現場數據采集時，根據數據分析需要，現場離線采集了部分振動數據。

2 設備故障現象及測試數據

2.1 第一次維修前故障現象及振動測試數據

發電機自2022 年初連續幾個月非驅動端軸振動偏高，接近機組報警值。隨后，對該端軸承進行了拆檢，軸承下瓦磨損約100 μm，接觸角由60°增加到90°，維修人員認為是軸瓦磨損導致高振動，更換新軸承后設備投入備用。

在線監測系統記錄整個過程的振動動數據。機組在啟車過程中，非驅動端軸上升量比驅動端多120～130 μm，且軌跡偏轉方向異常，與正常偏轉方向相反。機組穩態運行時，發電機驅動端軸心軌跡為橢圓形，非驅動端為8 字形。

2.2 第二次維修前故障現象及振動測試數據

第一次維修后，2022 年7 月中旬機組啟車運行，振動依然偏高；8 月下旬監測人員到現場進行振動數據測試。分別測取了在8.5 MW/16 MW 負荷下，電機驅動端與非驅動端軸振/瓦振數據（表1、表2）。

表1 電機驅動端與非驅動端軸振數據 μm

表2 電機驅動端與非驅動端瓦振數據

在線監測系統顯示，驅動端軸心軌跡如圖1 所示，依然為橢圓形，非驅動端軸心軌跡如圖2 所示，依然為8 字形。

圖1 驅動端軸心軌跡

圖2 非驅動端軸心軌跡

3 振動機理分析

通過簡化轉子數據模型，對振動監測數據進行分析。

對于使用動壓滑動軸承的旋轉機械，其簡單模型中在不平衡力作用下強迫振動的振動響應數學表達式[1]：

其中，Aejα為振動矢量，α 為振動高點位置，δ 為質量重點位置，m 為不平衡質量，r 為不平衡質量距旋轉中心距離，Ω 為轉速，不平衡質量與轉速同步，K 為轉子靜態剛度，M 為轉子質量，D 為轉子阻尼常數，λ 為油膜流體周向平均速度比。

由式（1）可知，轉子的振動大小取決于不平衡力與轉子的動態剛度之比：

設K、D、λ 為常數，則機組穩態運行時，振動矢量大小僅與轉子轉速相關。

本案例中，機組啟動過程中驅動端轉速提高，油膜厚度增加，軸心位置抬升，在轉子端面兩側壓差作用下，向潤滑油排出側偏轉，偏轉方向正常；非驅動端轉子軸心位置在上升過程中卻向潤滑油進油側偏轉，表明在啟車全過程受到定向的強徑向載荷力。

由式（1）可知，穩態運行時，發電機驅動端因水平與垂直方向剛度不同，表現為殘余不平衡條件下的橢圓形軌跡；發電機非驅動端在殘余不平衡與強定向載荷力的共同作用，表現為8 字形振動。

由表2 數據可知，當機組載荷由8.5 MW 提高到16 MW時，非驅動端軸瓦振動上升79.8%，驅動端僅上升40.9%，非驅動端轉子X 方向振動上升29.5%，驅動端轉子X 方向振動上升13.9%。

第二次啟動后轉子非驅動端軸心軌跡仍為8 字形，說明轉子非驅動端則主要受到是在大徑向載荷力作用下的振動。發電機非驅動端沒有連接其他設備，可排除氣動力、齒輪嚙合力、連接件外部不對中，考慮為軸在滑動軸承中內部不對中。

通常大徑向載荷會減小油膜厚度，增加油膜剛度，抑制轉子振動，增強軸瓦振動。在本案例中的發電機轉子高振動部位處于自由端，在大徑向載荷力作用下軸瓦振動增強，轉子振動沒有減弱反而增強，并隨機組負載增加而增大。電機非驅動端在大徑向載荷力作用下，軸頸高點與軸瓦之間的間隙減小，即油膜厚度減小，軸頸表面與軸瓦之間的速度梯度增大，雖然未出現軸與軸瓦的直接摩擦，但導致油膜內摩擦加劇，產生大量熱量，并在軸頸表面出現熱點，整周期振動的高點位置固定，轉子熱點一側溫度相對另一側升高，內部熱應力導致局部膨脹，引起軸頸臨時性熱彎曲。

轉子在第一次軸瓦磨損的條件下，轉子軸頸表面有輕微磨損痕跡，沒有永久性彎曲；第二次啟動后，轉子未發生與軸瓦直接磨損，熱彎曲程度要小一些，屬于臨時性（彈性）彎曲。

4 結論與建議

4.1 分析結論

（1）發電機轉子非驅動端與軸承內部不對中。

（2）發電機轉子非驅動端存在臨時性熱彎曲。

4.2 維修建議

（1）拆檢非驅動端軸承，檢查軸瓦間隙，并重新調整轉子與軸瓦的配合間隙。

（2）停機后，立即檢查軸端跳動情況，驗證是否存在熱彎曲。

5 維修拆檢情況

第二次對非驅動端軸承拆檢，未發現軸及軸瓦有磨損痕跡；因不具備低速盤車條件，未能檢查熱態轉子彎曲狀態。

重新調整軸與軸瓦配合間隙，糾正電機軸頸與軸瓦的內部不對中狀態，再次啟車，轉子與軸瓦振動均正常。調整后發電機非驅動端軸心軌跡如圖3 所示，軌跡形狀存在輕微的8 字形，仍存在輕微不對中，但從振動幅值大小情況看，已不影響機組正常運行。

圖3 調整后非驅動端軸心軌跡