楊衛(wèi)國，甘 地，祝鐵軍 ，杜勝磊

(1. 廣東惠州天然氣發(fā)電有限公司，廣東 惠州 516082; 2. 廣東電科院能源技術有限責任公司， 廣州 510080)

燃氣輪發(fā)電機組等大型旋轉機械是由轉動部件和軸承等部件組成。工作介質在轉動部件內(nèi)部通道中流動，實現(xiàn)能量轉換過程，軸承則起著支撐轉動部件的關鍵作用，其對機組安全穩(wěn)定運行的影響很大。

近年來，大型燃氣輪發(fā)電機組上發(fā)生了一些因軸承而引發(fā)的振動故障。文獻[1]分析了某臺燃氣輪機振動原因，指出透平間溫度過高改變了軸承載荷分配，導致#3軸承油膜失穩(wěn)。文獻[2-5]通過調整軸承載荷、擴大進油孔直徑和減小軸承寬度等方法解決了軸承上發(fā)生的油膜渦動故障。文獻[6]通過檢修可傾軸承瓦塊厚度不均缺陷和軸系標高調整，解決了燃氣輪機因軸承而引發(fā)的低頻波動故障。文獻[7-8]通過軸系載荷調整解決SSS離合器前軸承上發(fā)生的失穩(wěn)故障。文獻[9]研究了軸承載荷對可傾瓦上發(fā)生的兩類低頻振動故障的影響。上述研究主要針對燃氣輪機上發(fā)生的因可傾軸承失穩(wěn)而引發(fā)的低頻振動故障。文獻[10]則分析了某臺燃氣輪機上發(fā)生的因可傾瓦下瓦烏金損壞而引發(fā)的低頻振動故障，低頻的頻率為25 Hz。

本文分析了某臺大型燃氣輪發(fā)電機組上發(fā)生的一類非軸承失穩(wěn)而引發(fā)的低頻振動故障，該故障在工程中比較少見，故障頻率也很少見。通過測試和分析，總結了振動特征和規(guī)律，確認故障是由于可傾軸承損壞所引起的，通過更換可傾軸承的方式解決了機組振動故障。

1 機組介紹

某發(fā)電公司#4燃氣輪機是GE公司生產(chǎn)的9FA(350 MW)燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組，軸系由燃氣輪機、高中壓缸、低壓缸、發(fā)電機和勵磁機轉子組成，勵磁機尾端懸臂布置。軸系共有8個軸承，#1～#5為可傾瓦軸承，#6～#8為橢圓軸承。軸系布置如圖1所示。

#4機配備了本特利振動監(jiān)測系統(tǒng)，在#1～#8軸瓦軸頸附近左、右45°分別安裝了兩套電渦流傳感器，測量軸系各轉子轉軸相對振動。在#1、#2、#7、#8軸承上布置了瓦振傳感器，測量軸承座振動。試驗時在#4軸承座上加裝了臨時測量用的瓦振傳感器。

一段時間以來，該機組#4、#5軸承振動出現(xiàn)了不穩(wěn)定波動，對機組安全運行產(chǎn)生了一定影響。

2 機組不穩(wěn)定振動現(xiàn)象

在帶負荷運行狀態(tài)下對機組振動進行了測試。

圖2給出了#5軸承振動變化情況。振動具有突發(fā)性，振動突增和突降持續(xù)時間很短，在10～20 s左右。振動波動具有很強的隨機性和無規(guī)律性。試驗時，機組在穩(wěn)定工況下運行，運行上沒有任何操作。查閱歷史曲線可知，不穩(wěn)定振動主要發(fā)生在#4和#5軸承上，在相鄰#3和#6軸承上也有表現(xiàn)。#5軸承波動幅度更大，波動次數(shù)更頻繁。

圖3給出了4x軸振和#4軸承瓦振變化情況。4x軸振出現(xiàn)大幅隨機性波動時，#4軸承瓦振穩(wěn)定，沒有波動，幅值一直很小。

以4x和5x測點為例，圖4和圖5分別給出了振動小和大時的波形和頻譜圖。波動狀態(tài)下測點波形發(fā)生了畸變，帶有較明顯的低頻抖動特征，頻譜圖上則出現(xiàn)了幅值較大的12.5 Hz左右的低頻分量。波動發(fā)生后低頻分量幅值已經(jīng)超過工頻分量，成為影響振動的主要因素。整個過程中，50 Hz工頻分量幅值和相位基本穩(wěn)定，其它頻率分量波動幅度也很小。

圖6給出了波動前后#4和#5軸承軸心軌跡圖。波動發(fā)生前，#4軸承的軸心軌跡總體上穩(wěn)定，但出現(xiàn)了很多毛刺。#5軸承的軸心軌跡也有點亂，多個周期之間軸心軌跡的重合度不高。波動發(fā)生后，2個軸承的軸心軌跡形狀都發(fā)生了較大變化，軸心軌跡形狀都很紊亂。

沒有波動時，#4、#5軸承軸頸中心位置穩(wěn)定。波動發(fā)生時，#4、#5軸承的軸頸中心也會出現(xiàn)沿著水平方向的大幅度瞬態(tài)波動，波動幅度約有0.1 mm，如圖7所示。與此同時，#3軸承軸頸中心則比較穩(wěn)定。

近一段時間以來，振動波動頻率增加，幅度也有所增大。查閱歷史運行數(shù)據(jù)可知，經(jīng)歷過一次啟停后，振動波動現(xiàn)象有所惡化。例如，某次開機，3 000 r/min定速初期，振動出現(xiàn)了連續(xù)性的波動。帶負荷運行一段時間后，波動才逐漸減小。

試驗表明，振動波動和潤滑油溫之間有一定關聯(lián)，如圖8所示。潤滑油溫提高后，容易發(fā)生波動。油溫降低后，波動頻率明顯降低，運行期間內(nèi)偶爾發(fā)生了幾次波動。

3 振動原因分析

3.1 信號可靠性

#4、#5軸振大幅度波動時，瓦振并沒有波動，波動帶有很強的隨機性，而且12.5 Hz低頻頻率在工程上也很少見，找不到對應的故障頻率點，如：轉子系統(tǒng)固有頻率、油膜渦動和油膜振蕩頻率等，故障分析時很多人認為波動是因測量系統(tǒng)受到干擾而引起的。

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，我們認為波動時的振動信號是可靠的：

(1) 振動波動與潤滑油溫之間有一定的對應關系，而電磁干擾等外界因素與潤滑油溫之間的關系不大。

(2) #3、#4、#5、#6軸承x和y方向上的振動(合計8個測點)同步發(fā)生波動。

3.2 故障部位

不穩(wěn)定振動突出表現(xiàn)在#4、#5軸承上，距離這兩個軸承越遠，波動幅度越小，可以判定故障主要發(fā)生在#4、#5軸承上。

#4、#5軸承相距較近，難以準確判斷故障到底發(fā)生在哪個軸承上?？紤]到#5軸承波動幅度更大、頻率更為頻繁，故障嚴重性比#4軸承更嚴重些，初步認為#5軸承發(fā)生故障的可能性更大些。

3.3 故障原因

不穩(wěn)定振動頻率主要為12.5 Hz的低頻分量，可以排除轉子不平衡、不對中等強迫振動故障。

油膜失穩(wěn)是最為常見的低頻振動故障。油膜渦動和振蕩時的頻率分別為半頻和轉子系統(tǒng)固有頻率，這2個頻率和本機組波動發(fā)生時的振動頻率都不同。油膜失穩(wěn)故障容易發(fā)生在輕載軸承上，本機組#5軸承瓦溫較高，達到113 ℃，說明軸承載荷較重。提高潤滑油溫、降低潤滑油粘度，對油膜失穩(wěn)故障有一定的抑制效果，本機組發(fā)生的振動波動現(xiàn)象正好與此相反。油膜失穩(wěn)故障的發(fā)生具有突然性，振動發(fā)生后通常可以持續(xù)一段時間，不太可能出現(xiàn)10～20 s時間間隔內(nèi)忽大忽小現(xiàn)象。根據(jù)上述分析，可以排除軸承油膜失穩(wěn)故障。

振動波動和潤滑油溫有一定關聯(lián)，說明軸承工作狀態(tài)對振動波動有影響。軸承工作狀態(tài)與以下2個因素有關：

(1) 潤滑油供油不足。當潤滑油供油不足時，軸承瓦溫會較高。潤滑油溫降低后，油粘度增大，潤滑性能變好，對這類不穩(wěn)定振動有一定的抑制效果。

(2) 可傾瓦塊損傷。該機組#4、#5軸承采用可傾瓦設計，可傾瓦塊背部柱銷磨損后，瓦塊擺動幅度增大，容易發(fā)生瓦塊與軸頸之間的碰撞，使軸頸上受到力的沖擊作用，瞬間改變軸頸中心位置，激發(fā)不穩(wěn)定振動。潤滑油溫降低后，滑油粘度增大，可以增大可傾瓦塊與軸頸之間的間隙，減少瓦塊與軸頸碰撞，對抑制這類不穩(wěn)定振動有效果。

3.4 振動處理方案

根據(jù)上述分析，可以認為軸承工作狀態(tài)劣化是導致機組振動波動的主要原因。建議采取以下措施：

(1) 加強對不穩(wěn)定振動的監(jiān)測，防止振動進一步惡化，并做好生產(chǎn)應急處理預案。

(2) 可以通過降低潤滑油溫、開啟交流潤滑油泵、增加軸承供油壓力等方式來緩解振動。

(3) 振動波動時，加強對#4、#5軸承聲音的監(jiān)聽，看看有無金屬部件碰撞等異音，特別是在停機過程中。

(4) 如振動進一步惡化，建議停機，重點針對#4、#5軸承進行檢查，包括：瓦塊磨損情況、上瓦塊烏金出油邊與軸頸之間的碰撞情況、瓦塊背部柱銷孔磨損情況、瓦塊烏金表面顏色等。擴大#4、#5軸承節(jié)流孔板直徑，增大這兩個軸承的潤滑油流量。同時，檢查油管路(包括濾網(wǎng)等)是否存在堵塞。

4 檢查結果

圖9給出了該機組采用的可傾瓦軸承結構。可傾瓦軸承由6個可傾瓦塊組成，上下各有3個瓦塊。在每個瓦塊的背部設計有柱銷。圖10給出了#5軸承打開后的情況。檢查發(fā)現(xiàn)，#5軸承上瓦塊背部柱銷中有1個已經(jīng)斷裂，并導致該瓦塊出油邊與軸頸之間發(fā)生碰撞。該部位處烏金局部碎裂。檢查結果確認了此前對故障原因的懷疑。

利用本次檢修機會，對該軸承進行了更換，并對更換新軸承后的軸系中心進行了復核和調整。檢修后開機，機組振動狀況良好，不穩(wěn)定振動波動現(xiàn)象消失。

5 結論

(1) 機組帶負荷運行時的陣發(fā)性振動波動是由于可傾瓦塊柱銷斷裂引起的。

(2) 柱銷斷裂后，瓦塊與軸頸之間發(fā)生碰撞，導致軸頸中心瞬態(tài)橫移，軸心軌跡上出現(xiàn)毛刺，多周期軸心軌跡的重復性較差。振動頻率中出現(xiàn)了12.5 Hz的低頻分量，振動波動和潤滑油溫之間有一定關聯(lián)。根據(jù)上述現(xiàn)象，可以對可傾軸承瓦塊故障進行診斷。因瓦塊故障而導致的振動頻率為什么是12.5 Hz，其原因還有待于進一步深入研究。