張志恒，曾名劭

（1.四川省電力工業(yè)調(diào)整試驗(yàn)所，成都 610072；2.江西贛能股份豐城二期發(fā)電廠，江西 豐城 331100）

某185 MW汽輪發(fā)電機(jī)組低頻振動(dòng)分析及處理

張志恒1，曾名劭2

（1.四川省電力工業(yè)調(diào)整試驗(yàn)所，成都 610072；2.江西贛能股份豐城二期發(fā)電廠，江西 豐城 331100）

針對(duì)某185 MW汽輪發(fā)電機(jī)組在3 300 r/min時(shí)5X軸振突發(fā)低頻成分，分析了振動(dòng)特征和產(chǎn)生油膜失穩(wěn)的主要原因，采用提高軸瓦工作穩(wěn)定性和降低轉(zhuǎn)子不平衡力相結(jié)合的方法進(jìn)行處理，采取調(diào)整軸承標(biāo)高、軸瓦頂隙和現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡等措施，消除了該機(jī)組低頻振動(dòng)故障。

汽輪發(fā)電機(jī)組；低頻振動(dòng)；動(dòng)平衡；油膜失穩(wěn)；軸承標(biāo)高

1 機(jī)組簡(jiǎn)介

某汽輪發(fā)電機(jī)組為超高壓、中間再熱、兩缸兩排汽凝汽式汽輪機(jī)，額定容量185 MW，額定轉(zhuǎn)速3 600 r/min，型號(hào)為N185/13.24/535/535，為再熱凝汽型沖動(dòng)式汽輪機(jī)。發(fā)電機(jī)型號(hào)為QFKN-185-2-60，是采用空氣冷卻的同步發(fā)電機(jī)。機(jī)組軸系由高中壓轉(zhuǎn)子、低壓轉(zhuǎn)子、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子組成，見圖1。勵(lì)磁機(jī)為發(fā)電機(jī)外伸端，無支撐，各轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速見表1。整個(gè)軸系由6個(gè)支持軸承支撐，各轉(zhuǎn)子之間采用剛性聯(lián)軸器連接，其中1號(hào)和2號(hào)軸承為可傾瓦軸承，3號(hào)和4號(hào)軸承為橢圓軸承，發(fā)電機(jī)由橢圓瓦支撐。機(jī)組1號(hào)軸承和主油泵以及液壓調(diào)節(jié)保安部套裝在前軸承箱內(nèi)，2號(hào)軸承和推力軸承裝在中間軸承箱內(nèi)，3號(hào)軸承、4號(hào)軸承分別裝在低壓缸前、后端軸承箱內(nèi)，發(fā)電機(jī)前后軸承均為落地軸承。機(jī)組振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置如下：1—6號(hào)軸承均裝2個(gè)電渦流傳感器且相互垂直，自汽輪機(jī)向發(fā)電機(jī)方向看，左45°為X向，右45°為Y向；每個(gè)軸承頂部安裝1個(gè)速度傳感器測(cè)量軸承座振動(dòng)。

圖1 某185 MW機(jī)組軸系布置

表1 汽輪發(fā)電機(jī)組各轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速r/min

2 機(jī)組振動(dòng)情況

2.1 機(jī)組振動(dòng)描述

汽輪機(jī)首次沖轉(zhuǎn)，500 r/min時(shí)各軸承振動(dòng)正常，低轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)軸的晃度如表2所示。后升速進(jìn)行1 500 r/min中速暖機(jī)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過一階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)5號(hào)軸承軸振X向（簡(jiǎn)稱5X，其余類推）最大為73.4 μm，5Y最大為32.9 μm，其他各軸承振動(dòng)正常。在升速2 700 r/min進(jìn)行高速暖機(jī)過程中，5X與5Y振動(dòng)增大明顯且與轉(zhuǎn)速的關(guān)系密切，5X最大為106 μm，5Y最大為64.4 μm，后降速至2 100 r/min進(jìn)行暖機(jī)，5X振動(dòng)減小明顯。在升速至額定轉(zhuǎn)速過程中，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在二階臨界時(shí)5X最大為184 μm，5Y最大為42.5 μm，當(dāng)?shù)竭_(dá)3 300 r/min時(shí)，5X振動(dòng)突然變大導(dǎo)致機(jī)組跳閘，5X最大為247 μm，5號(hào)軸承圖譜見圖2—5。從圖譜可知，3 300 r/min時(shí)5X軸振突然出現(xiàn)低頻成分并迅速增大，其中0.27倍頻（900 r/min）振幅為85.3 μm，基頻振幅為134 μm，其他軸承振動(dòng)低頻成分很少。

表2 機(jī)組500 r/min時(shí)轉(zhuǎn)軸晃度μm

圖2 5X波德圖

圖3 5X瀑布圖

第2次沖轉(zhuǎn)與第1次相同，在3 300 r/min左右5X軸振突發(fā)低頻成分并迅速增大至跳機(jī)值。第3次通過提高升速率沖到額定轉(zhuǎn)速3 600 r/min，軸承參數(shù)如表3所示，3 600 r/min轉(zhuǎn)子相對(duì)盤車時(shí)軸頸相對(duì)浮起量如表4所示。額定轉(zhuǎn)速時(shí)5X振動(dòng)稍有波動(dòng)，但低頻成分振動(dòng)不太大。在切換主油泵停交流油泵時(shí)，低頻成分突然消失，通頻振動(dòng)減小，但5X通頻振動(dòng)依然很大，為120 μm左右，基頻振動(dòng)為111 μm且在此期間沒有變化。

圖4 5號(hào)軸承軸心軌跡

圖5 5號(hào)軸承軸心位置

表3 機(jī)組3 600 r/min時(shí)軸承參數(shù)

表4 機(jī)組3 600 r/min時(shí)軸頸相對(duì)浮起量

2.2 振動(dòng)特征分析

從以上振動(dòng)數(shù)據(jù)可見機(jī)組振動(dòng)具有以下特征：

（1）振動(dòng)具有突發(fā)性。當(dāng)軸承失穩(wěn)故障發(fā)生時(shí)，振動(dòng)會(huì)在短時(shí)間內(nèi)增大，而且發(fā)生前沒有任何明顯征兆。

（2）振動(dòng)具有低頻特征。發(fā)生時(shí)出現(xiàn)較大的低倍頻（900 r/min）振動(dòng)分量，對(duì)應(yīng)的機(jī)組轉(zhuǎn)速略低于發(fā)電機(jī)一階臨界轉(zhuǎn)速，振動(dòng)突發(fā)前后基頻振幅和相位變化不大，且基頻振動(dòng)很大，占主要部分，如圖2、圖3所示。

（3）振動(dòng)與運(yùn)行參數(shù)有關(guān)。受潤(rùn)滑油溫度和壓力的影響，但潤(rùn)滑油溫度及壓力并非低頻振動(dòng)的決定因素。

（4）發(fā)生低頻振動(dòng)時(shí)，軸心軌跡不再保持規(guī)則的橢圓形。軸心軌跡不能封閉，轉(zhuǎn)軸處于強(qiáng)烈渦動(dòng)失穩(wěn)狀態(tài)，但渦動(dòng)方向與轉(zhuǎn)軸方向一致，如圖4所示。

（5）低頻振動(dòng)具有再現(xiàn)性，在相同工況附近多次重復(fù)發(fā)生，由于振動(dòng)受擾動(dòng)影響，每次發(fā)生故障的工況可能不同。

3 振動(dòng)原因分析

3.1 低頻振動(dòng)診斷

引起低頻振動(dòng)的原因有很多，如汽流激振、隨機(jī)振動(dòng)、分次諧波振動(dòng)、動(dòng)靜摩擦、部件飛脫、油膜失穩(wěn)等。

（1）汽流激振只發(fā)生在高壓轉(zhuǎn)子上，5號(hào)軸承位于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子處，因此可以排除此項(xiàng)。

（2）隨機(jī)振動(dòng)是非周期振動(dòng)，振動(dòng)譜為連續(xù)譜且主頻率波動(dòng)不定[1]，因此從頻譜可知此非隨機(jī)振動(dòng)。

（3）分次諧波振動(dòng)頻率為轉(zhuǎn)子工作頻率的整數(shù)分之一，而發(fā)電機(jī)3 300 r/min時(shí)出現(xiàn)的低頻成分主要為0.27倍頻，因此分次諧波振動(dòng)的可能性不大。

（4）動(dòng)靜摩擦一般在摩擦嚴(yán)重時(shí)才會(huì)引發(fā)低頻振動(dòng)，同時(shí)有嚴(yán)重的熱彎曲，從降速低頻振動(dòng)就消失，降速過臨界振動(dòng)變化不大，事后檢查確認(rèn)未發(fā)生動(dòng)靜摩擦。

（5）部件飛脫會(huì)使機(jī)組發(fā)生較大不平衡并引發(fā)非線性振動(dòng)，部件飛脫前后基頻振幅和相位變化較大，且部件飛脫后振動(dòng)也不會(huì)恢復(fù)到以前狀態(tài)，因此也可以排除。

基于以上排除法分析，認(rèn)為引起此次低頻振動(dòng)的原因可能為油膜失穩(wěn)，以下進(jìn)行重點(diǎn)分析。

3.2 油膜失穩(wěn)影響因素

引起油膜失穩(wěn)故障的原因主要為軸頸擾動(dòng)大和軸承穩(wěn)定差。

3.2.1 軸頸擾動(dòng)大

軸頸擾動(dòng)大的主要原因有不平衡、轉(zhuǎn)子熱彎曲、不對(duì)中等，這些強(qiáng)迫振動(dòng)故障引起的劇烈振動(dòng)會(huì)使軸承工作條件惡化，成為導(dǎo)致油膜失穩(wěn)的誘因，是影響油膜失穩(wěn)的外部條件。

（1）轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡為穩(wěn)定普通強(qiáng)迫振動(dòng)，振幅與運(yùn)行工況無明顯關(guān)系，某一轉(zhuǎn)速下基頻振幅和相位比較穩(wěn)定且占主要部分。從波德圖看，發(fā)電機(jī)軸承未發(fā)生低頻振動(dòng)時(shí)，在二階臨界前后，振幅隨轉(zhuǎn)速變化明顯，且基頻占主要部分，因此發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子存在二階質(zhì)量不平衡。

（2）轉(zhuǎn)子發(fā)生熱彎曲時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的擾動(dòng)力，影響軸承油膜的正常形成。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子熱彎曲主要與轉(zhuǎn)子材質(zhì)、匝間短路、內(nèi)摩擦阻力效應(yīng)、冷卻系統(tǒng)和動(dòng)靜摩擦等有關(guān)，由于降速過臨界振動(dòng)不大，且多次啟?；l振幅和相位比較穩(wěn)定，因而判斷未發(fā)生轉(zhuǎn)子熱彎曲。

（3）轉(zhuǎn)子不對(duì)中是指采用固定式聯(lián)軸器連接的轉(zhuǎn)子同心度和平直度有偏差[1]，轉(zhuǎn)子不對(duì)中影響軸承載荷分布，降低軸承穩(wěn)定性；而且產(chǎn)生軸系擾動(dòng)力，破壞油膜，進(jìn)而引發(fā)油膜失穩(wěn)。根據(jù)500 r/min時(shí)低壓缸發(fā)電機(jī)聯(lián)軸器（簡(jiǎn)稱低發(fā)聯(lián)軸器）兩側(cè)轉(zhuǎn)軸晃度不大（排除渦流傳感器機(jī)械和電磁干擾），見表2，大致判斷低發(fā)聯(lián)軸器連接正常[2]。

3.2.2 軸承穩(wěn)定性差

軸承穩(wěn)定性差將使系統(tǒng)阻尼減小，降低激發(fā)油膜失穩(wěn)的門檻，是引發(fā)油膜失穩(wěn)最重要的因素。

（1）軸瓦頂隙過大。軸瓦間隙影響軸承的穩(wěn)定性，主要是由于影響軸承運(yùn)行的最小間隙，而最小間隙是軸承穩(wěn)定工作的重要依據(jù)。最小間隙越小，軸承工作越穩(wěn)定。軸瓦過大的頂隙會(huì)顯著減少上瓦的油膜力，即降低了軸瓦的預(yù)載荷，使軸瓦偏心降低，穩(wěn)定性下降，特別是轉(zhuǎn)軸振動(dòng)較大時(shí)，更容易引起軸瓦的失穩(wěn)。因此軸承的頂隙調(diào)整不合理，往往是導(dǎo)致軸承失穩(wěn)的主要原因。此發(fā)電機(jī)前軸承頂隙實(shí)測(cè)為560 μm，而軸頸直徑為400mm，頂隙設(shè)計(jì)值為420～580 μm，接近設(shè)計(jì)值上限。

（2）潤(rùn)滑油溫度和壓力。潤(rùn)滑油溫度偏低則影響到潤(rùn)滑油的粘度，粘度越大在軸承中形成的油膜越厚，而變厚的油膜則直接影響到油膜剛度下降，轉(zhuǎn)子的相對(duì)偏心率將減小，在同樣擾動(dòng)下，軸承的失穩(wěn)可能性增大，軸瓦穩(wěn)定性降低。而潤(rùn)滑油壓力則影響到油膜的形成，若軸承本身已處于失穩(wěn)狀態(tài)，則潤(rùn)滑油壓力的改變會(huì)影響油膜的穩(wěn)定性，導(dǎo)致油膜失穩(wěn)改變。現(xiàn)場(chǎng)采取調(diào)整潤(rùn)滑油油溫和油壓等措施時(shí)，對(duì)低頻振動(dòng)有一定影響。

（3）軸承標(biāo)高。機(jī)組運(yùn)行過程中由于機(jī)組熱態(tài)中心變化以及真空度、地基不均勻沉降等因素影響，轉(zhuǎn)子在軸承油膜中浮起，導(dǎo)致軸系對(duì)中情況發(fā)生變化，引起軸承標(biāo)高變化。標(biāo)高變化會(huì)影響軸承載荷分配，使某些軸承載荷變輕而導(dǎo)致失穩(wěn)發(fā)生。根據(jù)額定轉(zhuǎn)速時(shí)的各軸承金屬溫度、油膜壓力和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸頸相對(duì)浮起量判斷，此發(fā)電機(jī)前軸承有輕載現(xiàn)象。

4 處理措施

發(fā)生油膜失穩(wěn)時(shí)如果同時(shí)存在不平衡振動(dòng)和自激振動(dòng)時(shí)，應(yīng)該首先調(diào)整轉(zhuǎn)子不平衡[1]。

（1）發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡處理。

機(jī)組振動(dòng)大主要表現(xiàn)在發(fā)電機(jī)前后軸承上，尤其是發(fā)電機(jī)前軸承，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)不大。由于發(fā)電機(jī)一階臨界轉(zhuǎn)速附近振動(dòng)不大，過二階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，5X基頻為132 μm，6X基頻為70.2 μm，說明轉(zhuǎn)子的振動(dòng)主要是由二階質(zhì)量不平衡引起的，因此決定在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子兩側(cè)進(jìn)行反對(duì)稱加重，對(duì)轉(zhuǎn)子的二階質(zhì)量不平衡進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡處理。在發(fā)電機(jī)兩側(cè)的平衡槽各加裝大約600 g的平衡塊后，機(jī)組振動(dòng)狀況明顯好轉(zhuǎn)，基頻振動(dòng)大幅降低，額定轉(zhuǎn)速下動(dòng)平衡前后振動(dòng)數(shù)據(jù)見表5。

表5 額定轉(zhuǎn)速下動(dòng)平衡前后振動(dòng)數(shù)據(jù)

（2）提高軸瓦穩(wěn)定性。

根據(jù)發(fā)電機(jī)前軸承實(shí)際狀況，提高軸瓦工作穩(wěn)定性主要通過提高軸承載荷和減小軸瓦頂隙2方面實(shí)現(xiàn)。調(diào)整軸承標(biāo)高，上抬5號(hào)軸承標(biāo)高170 μm，增加軸承的載荷；調(diào)整軸瓦頂隙，減小軸瓦頂隙至510 μm，使上瓦的油膜力增加，提高了軸瓦穩(wěn)定性。另外發(fā)電機(jī)前后軸承進(jìn)油管道加裝節(jié)流孔板，孔板直徑30mm，未加裝時(shí)進(jìn)油管最小直徑為52mm。

經(jīng)上述治理后，機(jī)組基頻振動(dòng)大幅下降，在升速至額定轉(zhuǎn)速和帶負(fù)荷過程中，機(jī)組振動(dòng)狀況良好，油膜失穩(wěn)故障再未發(fā)生，機(jī)組振動(dòng)問題得以解決。

5 結(jié)論

分析了某汽輪發(fā)電機(jī)組低頻振動(dòng)故障時(shí)的振動(dòng)特征，確認(rèn)突發(fā)的低頻振動(dòng)系油膜失穩(wěn)引起的。采用提高軸瓦工作穩(wěn)定性和降低轉(zhuǎn)子激振力相結(jié)合的方法，最終使機(jī)組振動(dòng)降低，油膜失穩(wěn)消失。

（1）在軸承穩(wěn)定性較差的情況下，外界擾動(dòng)容易引發(fā)油膜失穩(wěn)。通過現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡處理，降低了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子激振力，減少了外界擾動(dòng)。

（2）根據(jù)額定轉(zhuǎn)速時(shí)的軸承金屬溫度、油膜壓力和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸頸相對(duì)浮起量，判斷發(fā)電機(jī)前軸承輕載。通過調(diào)整軸承標(biāo)高，改善了軸承載荷，提高了軸瓦工作的穩(wěn)定性。

（3）減小軸瓦頂隙是提高軸承穩(wěn)定性最有效的方法，通過調(diào)整軸承間隙，增加了上瓦的油膜力，可以有效改善軸承工作穩(wěn)定性，有利于降低油膜失穩(wěn)故障的發(fā)生概率。

[1]施維新．汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)及事故[M]．北京：中國電力出版社，2008．

[2]楊建剛．旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)與工程應(yīng)用[M]．北京：中國電力出版社，2007．

（本文編輯：陸 瑩）

Analysis and Correction of Low-frequency Vibration on a 185 MW Steam Turbine Generating Unit

ZHANG Zhiheng1，ZEN Mingshao2
（1.Commissioning and Test Institute of Sichuan Electric Power Industry，Chengdu 610072，China；2.Fengcheng PhaseⅡPower Plant of Jiangxi Ganneng Co.，Ltd.，F(xiàn)engcheng Jiangxi 331100，China）

When a 185 MW steam turbine generating unit operated at a rotary speed of 3 300 r/min，low-frequency vibration occurred on axis 5X.The paper analyzes vibration characteristics of a steam turbine generating unit and the main causes of oil film instability，which is handled by bearing operation stability improvement and unbalance force reduction of rotor.By adjustment of bearing elevation，top clearance of bearing and field dynamic balance and other measures，low-frequency vibration in the generating unit is eliminated.

steam turbine generating unit；low-frequency vibration；dynamic balance；oil film instability；bearing elevation

TM311

：B

：1007-1881（2016）05-0028-04

2015-11-10

張志恒（1977），男，工程師，主要從事汽輪機(jī)調(diào)試和試驗(yàn)方面的工作。