王建峰
巴基斯坦某余熱電站汽輪機(jī)組于2019年1月投產(chǎn)運(yùn)行后,3號和4號軸承存在軸振較大現(xiàn)象,其特征如下。
(1)機(jī)組每次啟動,帶負(fù)荷運(yùn)行后,3號和4號軸承的振幅隨運(yùn)行時間的增加而逐漸增大,隨后穩(wěn)定在較高范圍內(nèi)運(yùn)行。表1為機(jī)組在不同工況下各軸承振幅的隨機(jī)記錄(2號軸承未設(shè)軸振測點(diǎn))。
松開汽—發(fā)聯(lián)軸器檢查,發(fā)現(xiàn)中心偏差變化較大,說明轉(zhuǎn)子受到外力作用,產(chǎn)生了位移。汽—發(fā)聯(lián)軸器經(jīng)過重新找中心調(diào)整后,2月18日,機(jī)組再次啟動。找中心調(diào)整前后比較,額定轉(zhuǎn)速工況時,3號(2號)和4號軸承的振幅變化不大;額定負(fù)荷工況時,4號軸承的振幅稍有減小。運(yùn)行數(shù)據(jù)表明,汽—發(fā)聯(lián)軸器中心的偏差消除后,僅4號軸承的質(zhì)量不平衡影響有所減小。
(2)機(jī)組負(fù)荷變化時,振幅的變化不明顯。從表1各工況的振幅可以看出,4號軸承的振幅從額定轉(zhuǎn)速到額定負(fù)荷過程中,一直保持偏大不變。3號(2號)軸承的額定轉(zhuǎn)速與帶負(fù)荷工況比較,振幅變化較大。
共同特點(diǎn)是,數(shù)小時后,機(jī)組負(fù)荷變化,3號(2號)和4號軸承的振幅沒有明顯地隨之變化。
根據(jù)規(guī)范,4號軸承的振幅瞬時超過要求,DL 5190.3-2012《電力建設(shè)施工技術(shù)規(guī)范:汽輪發(fā)電機(jī)組》,附錄H:雙振幅<125μm,為合格值。
該余熱電站汽輪發(fā)電機(jī)為低壓冷凝式汽輪機(jī),型號:N10-1.0,額定功率:10MW,額定進(jìn)汽壓力:1.0MPa(絕),額定進(jìn)汽溫度:310℃,額定排汽壓力:0.008MPa(絕)。
前汽缸兩側(cè)通過貓爪結(jié)構(gòu)搭在前軸承座上,后汽缸兩側(cè)通過左右側(cè)的后座架固定在基礎(chǔ)上,采用下排汽結(jié)構(gòu)布置,排汽至凝汽器。
2號和3號軸承布置在中間軸承座內(nèi),為非落地式軸承座,4號軸承為獨(dú)立座式軸承。
2號軸承采用圓柱形瓦枕直接支撐在凹窩內(nèi),未設(shè)置瓦枕墊塊。
3號軸承設(shè)有球面結(jié)構(gòu),瓦枕墊塊采用圓柱形,兩側(cè)墊塊的中心線與垂線的夾角α為90°,即在左右側(cè)的水平中分面位置。
4號軸承的瓦枕墊塊采用球面形結(jié)構(gòu),兩側(cè)墊塊的中心線與垂線的夾角α為70°。3號和4號軸承分別采用球面結(jié)構(gòu)和球面瓦枕墊塊結(jié)構(gòu)以自調(diào)中心線。
軸承下半瓦的瓦枕墊塊結(jié)構(gòu)見圖1。
瓦枕墊塊(圖1中1#位置)與軸承凹窩的接觸應(yīng)嚴(yán)密。
3號和4號軸承瓦枕墊塊的結(jié)構(gòu)設(shè)置,除起到支撐作用外,還可以通過調(diào)整下瓦三個墊塊內(nèi)的墊片(圖1中2#位置)厚度,來改變發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在凹窩內(nèi)的位置,保證機(jī)組汽—發(fā)聯(lián)軸器的中心偏差值符合要求。
1號和2號軸承未設(shè)置瓦枕墊塊,是不可調(diào)整式軸承。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子在前后兩軸承凹窩內(nèi)的位置不可改變。
表1 各軸承沿X、Y兩方向的軸振(μm,雙振幅)
圖1 軸承下半瓦的瓦枕墊塊結(jié)構(gòu)
機(jī)組的全部軸承均為橢圓瓦結(jié)構(gòu),汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)廠家均明確要求,現(xiàn)場不做軸瓦鎢金(圖1中3#位置)的刮研。
因2號軸承未設(shè)軸振測點(diǎn),所以結(jié)合3號軸承的測點(diǎn),同時分析2號軸承。
根據(jù)表1,比較分析得出機(jī)組的振動特征。
(1)表1序號3,額定轉(zhuǎn)速時,3號(2號)軸承的振幅小于4號軸承的振幅。表1序號6,帶負(fù)荷運(yùn)行數(shù)小時后,3號(2號)軸承的振幅逐漸增大至與4號軸承的振幅接近。振幅基本不隨負(fù)荷變化。
(2)比較表1序號3~6,額定轉(zhuǎn)速時,4號軸承振幅較大,以后的運(yùn)行過程中不再增加振幅。
(3)帶負(fù)荷運(yùn)行數(shù)小時后,3號(2號)和4號軸承振幅在較高的穩(wěn)定值范圍內(nèi)運(yùn)行。
(1)如上所述,機(jī)組帶負(fù)荷數(shù)小時后,振幅維持在較高范圍穩(wěn)定運(yùn)行,當(dāng)負(fù)荷出現(xiàn)變化,振幅變化很小。由此可以確認(rèn),3號(2號)和4號軸承的振幅與汽缸熱膨脹不暢等因素引起的非定常強(qiáng)迫類振動無關(guān)。
(2)4號軸承額定轉(zhuǎn)速時振幅較大,至滿負(fù)荷時振幅一直保持不變。同4號軸承相比,3號(2號)軸承的振幅顯示較小。
質(zhì)量不平衡影響因素主要有:轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡、汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸系的中心偏差、軸承松動等引起的普通強(qiáng)迫類振動。
由以上比較可以確認(rèn),4號軸承存在較大質(zhì)量不平衡的影響。同4號軸承比較,3號(2號)軸承的振幅顯示較小,即質(zhì)量不平衡的影響小于4號軸承。
(3)帶負(fù)荷運(yùn)行數(shù)小時后,3號(2號)軸承的振幅升高。根據(jù)表1序號3~6可以看出,3號(2號)軸承的振幅不僅受質(zhì)量不平衡的影響,同時還受到熱態(tài)穩(wěn)定性差等因素影響。
由上述影響因素分析,振動故障主要是由于質(zhì)量不平衡、軸承的熱穩(wěn)定性較差等造成的,可以從以下幾方面對軸承進(jìn)行檢查并處理。
(1)用涂色法檢查4號軸承墊塊與凹窩接觸情況,發(fā)現(xiàn)徑向往復(fù)撬動下半軸瓦時有松動現(xiàn)象。這一現(xiàn)象說明,下部墊塊與凹窩的接觸較兩側(cè)的接觸更為嚴(yán)密,這是不合理的。
根據(jù)規(guī)范DL 5190.3-2012《電力建設(shè)施工技術(shù)規(guī)范:汽輪發(fā)電機(jī)組》,瓦枕墊塊與凹窩接觸面積在每平方厘米上有接觸點(diǎn)的面積應(yīng)占墊塊面積的70%以上,并均勻分布。
通常都是采用刮研墊塊(圖1中1#位置)的方法,來保證緊密接觸的要求。
4號軸承的瓦枕墊塊中心線與垂線的夾角α<90°,根據(jù)規(guī)范要求,下半瓦應(yīng)在不放轉(zhuǎn)子的狀態(tài)下,使兩側(cè)墊塊無間隙,下部墊塊與其凹窩的接觸應(yīng)較兩側(cè)為輕或有0.03~0.05mm的間隙,見圖1所示的尺寸c。
這種預(yù)留間隙的做法,是為了防止轉(zhuǎn)子的重力作用使軸瓦變形兩端翹起。抽去底部的墊片,加上轉(zhuǎn)子的重力后,使各墊塊上負(fù)荷的分配更為均勻。
因檢查4號軸承發(fā)現(xiàn)松動現(xiàn)象較為嚴(yán)重,所以采用在兩側(cè)墊塊內(nèi)增加墊片,同時刮研處理墊塊接觸面積的處理方法。增加墊片后,徑向往復(fù)撬動下半軸瓦時不存在松動現(xiàn)象。刮研后,檢查底部墊塊,明顯較兩側(cè)的接觸要少。
(2)軸頸與鎢金的接觸投影面出現(xiàn)彎曲形狀的接觸,說明運(yùn)行時軸瓦與轉(zhuǎn)子的相對位置出現(xiàn)了1X頻率的振幅波動。
(3)4號軸承蓋的緊力要求f=0.03~0.07mm。檢查發(fā)現(xiàn)4號軸承蓋與上部墊塊的配合存在0.02mm的間隙(見圖2)。
圖2 4號軸承蓋與上部墊塊的間隙
上述4號軸承兩側(cè)墊塊接觸不良,上部墊塊(圖2中4#位置)出現(xiàn)間隙等問題,都會使4號軸承出現(xiàn)松動,引起普通強(qiáng)迫類振動。經(jīng)過調(diào)整和刮研等處理,4號軸承的上述缺陷消失。
(1)檢查2號軸承發(fā)現(xiàn),軸瓦鎢金的接觸角過大,約60°以上。軸瓦兩側(cè)間隙基本一致,約為0.35mm,接近間隙要求(0.30~0.36mm)上限。
根據(jù)規(guī)范DL 5190.3-2012《電力建設(shè)施工技術(shù)規(guī)范:汽輪發(fā)電機(jī)組》,轉(zhuǎn)子與軸瓦鎢金的接觸角一般為30°~45°,沿下瓦全長的接觸面應(yīng)達(dá)75%以上,并均勻分布無偏斜。
分析鎢金接觸角過大的原因是,轉(zhuǎn)子與軸瓦在熱態(tài)工況時出現(xiàn)接觸缺陷,接觸缺陷會使軸承的比壓減小,很容易出現(xiàn)油膜振蕩。
事實(shí)是,在軸承檢修前,用平衡儀監(jiān)測機(jī)組升速過程中,分析3號軸承的振幅組成,發(fā)現(xiàn)有0.5X頻率的諧波成分,最大值約為10μm。接觸角過大,是0.5X頻率的諧波現(xiàn)象的合理解釋。
經(jīng)過刮研處理,2號軸瓦鎢金接觸角減小至約30°。
(2)檢查發(fā)現(xiàn),3號軸瓦鎢金的接觸角也有偏大現(xiàn)象,用同樣的方法對其進(jìn)行刮研處理。
(3)刮研3號軸承的瓦枕墊塊,保證軸承與凹窩的接觸嚴(yán)密。
通過汽—發(fā)聯(lián)軸器重新找中心,減小汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸系的中心偏差。
因4號軸承的瓦枕墊塊為球面形結(jié)構(gòu),調(diào)整尺寸數(shù)值較大,而瓦枕墊塊內(nèi)的墊片較少,不能滿足調(diào)整需要,所以采用在軸承座下面增減墊片的方法進(jìn)行調(diào)整。汽—發(fā)聯(lián)軸器重新找中心調(diào)整完成后,不需要重新刮研瓦枕墊塊的接觸面。
軸承檢修后,通過平衡儀的測試,根據(jù)測試結(jié)果計(jì)算,在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子前側(cè)的平衡槽內(nèi)增加平衡塊。
機(jī)組軸承檢修和平衡測試調(diào)整結(jié)束后,4月22日,機(jī)組再次啟動。不同工況時各軸承軸振的隨機(jī)記錄見表2。通過比較運(yùn)行工況,分析機(jī)組的振動特點(diǎn)如下:
(1)表2中的序號1,額定轉(zhuǎn)速時,各軸承顯示的振幅很小,說明質(zhì)量不平衡的影響因素已經(jīng)很小,確認(rèn)動平衡調(diào)整結(jié)束。
(2)表1序號6和表2序號2比較,即檢修前后的額定負(fù)荷工況比較,4號軸承的振幅下降較大。3號軸承的振幅下降不大,說明軸承還存在熱穩(wěn)定性差等其他因素的影響。
4號軸承的下半軸瓦質(zhì)量>50kg,涂色檢查瓦枕墊塊的接觸時,用很小的力矩(<200N·m)即可輕松地在軸承凹窩內(nèi)沿徑向往復(fù)轉(zhuǎn)動下瓦,這是不正常的。出現(xiàn)這種情況即可判斷為兩側(cè)墊塊與凹窩的接觸不良,放入轉(zhuǎn)子時,兩側(cè)墊塊必然會出現(xiàn)間隙。
表2 各軸承沿X、Y兩方向的軸振(μm,雙振幅)
4號軸承上半瓦墊塊的中心設(shè)置φ30mm的圓柱銷(圖2中5#位置),4號軸承的松動會增大圓柱銷受到的剪力作用。圓柱銷的定位,雖不至于使軸承產(chǎn)生徑向轉(zhuǎn)動的位移,但兩側(cè)墊塊的間隙,會導(dǎo)致軸承沿左右方向產(chǎn)生軸振頻率為1X的位移。
4號軸承蓋與上半瓦墊塊的間隙(圖2中尺寸f)同時作用,使振幅較大幅增加。
2號軸承鎢金出現(xiàn)較大的接觸角,經(jīng)分析認(rèn)為,不是鎢金加工精度低,鎢金表面誤差過大造成的。因?yàn)槿绻麊渭兪沁@一原因則應(yīng)在額定轉(zhuǎn)速時,振幅就會增大,而不是在數(shù)小時后才緩慢增大??赏茢?號軸承鎢金出現(xiàn)較大的接觸角是由于熱態(tài)時軸承與凹窩的接觸不良,甚至出現(xiàn)局部間隙等惡化現(xiàn)象所致。
軸承在制造過程中,凹窩和2號軸瓦的接觸面積稍有不良,冷態(tài)工況的振幅雖然可以維持穩(wěn)定運(yùn)行,但在熱態(tài)工況時則會出現(xiàn)惡化現(xiàn)象,2號軸承會出現(xiàn)1X頻率的位移,從而使得軸頸與鎢金的接觸面增加,即軸振增加。
2號軸承的鎢金軸向長度為103mm,3號軸承的鎢金軸向長度為133mm,同時還采用球面結(jié)構(gòu)。顯然,2號軸承比3號軸承的剛度差很多。由于2號軸承結(jié)構(gòu)的原因,出現(xiàn)問題時,振幅容易增大是可能的。類似機(jī)組出現(xiàn)過汽—發(fā)聯(lián)軸器的制造缺陷,都曾使2號軸承的振幅增加較大。
繼續(xù)對2號軸瓦鎢金進(jìn)行刮研處理,熱態(tài)工況時還會出現(xiàn)鎢金接觸角增大的情況,或者接觸角雖有所減小,但振幅不會減小。因?yàn)楦締栴}是2號軸承與凹窩接觸不良造成的,而2號軸承瓦枕與凹窩的接觸是不能作刮研處理的。
經(jīng)過調(diào)整凹窩內(nèi)的三件墊塊,可保證軸承支撐的穩(wěn)定,但是對于固定式的軸承,凹窩內(nèi)與軸瓦圓柱面的接觸是否可以保證支撐的穩(wěn)定,則要由凹窩和軸瓦的半徑偏差,即配合的間隙偏差來決定,而現(xiàn)場沒有辦法處理固定式軸承接觸不良和保證接觸面積等問題。
經(jīng)過上述對巴基斯坦某余熱電站機(jī)組振動故障的分析及消缺處理,有效降低了振幅,取得了較為滿意的結(jié)果,供處理同類型機(jī)組軸振故障時參考。