俎海東，張沈彬，李曉波

（內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，呼和浩特 010020）

0 引言

汽輪發(fā)電機(jī)組軸瓦自激振動(dòng)是一種常見的振動(dòng)故障形式，通常發(fā)生在機(jī)組升速、超速或帶負(fù)荷過(guò)程中，振動(dòng)機(jī)理可以簡(jiǎn)單概括為垂直于軸在軸瓦中徑向偏移的切向力大于阻尼力時(shí)，軸在軸瓦中脫離平衡位置產(chǎn)生軸徑渦動(dòng)。軸瓦自激振動(dòng)一般分為半速渦動(dòng)和油膜振蕩，當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速小于轉(zhuǎn)子一階固有頻率的2倍時(shí)，軸瓦自激振動(dòng)稱為半速渦動(dòng)；當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速大于轉(zhuǎn)子一階固有頻率的2 倍時(shí)，軸瓦自激振動(dòng)稱為油膜振蕩。軸瓦自激振動(dòng)的誘因主要軸徑擾動(dòng)大和軸瓦穩(wěn)定性差，其中，軸徑擾動(dòng)大主要原因有轉(zhuǎn)子熱彎曲、轉(zhuǎn)子永久彎曲或轉(zhuǎn)子不對(duì)中等；軸瓦穩(wěn)定性差主要原因有軸瓦頂隙過(guò)大、軸承型式穩(wěn)定性差、軸瓦潤(rùn)滑油黏度高、軸瓦比壓小、軸瓦長(zhǎng)徑比大、軸承座標(biāo)高或承載變化等。軸瓦自激振動(dòng)的處理主要從消除過(guò)大的軸徑擾動(dòng)和提高軸承穩(wěn)定性兩方面入手，具體應(yīng)根據(jù)振動(dòng)分析診斷結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況制訂處理措施[1-6]。本文結(jié)合某50 MW 汽輪發(fā)電機(jī)組軸瓦自激振動(dòng)案例進(jìn)行診斷分析和處理，為其他機(jī)組類似故障的處理提供借鑒。

1 故障概況

1.1 機(jī)組介紹

某50 MW 汽輪發(fā)電機(jī)組軸系由4 套軸承支撐，各轉(zhuǎn)子均為雙支撐結(jié)構(gòu)，其中汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子1 號(hào)、2 號(hào)軸承為橢圓瓦落地軸承，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子3 號(hào)、4 號(hào)軸承為球面瓦落地軸承，機(jī)組軸系于各軸承處配備了X軸振、Y軸振和座振測(cè)點(diǎn)，機(jī)組軸系結(jié)構(gòu)及支撐情況如圖1所示。該機(jī)組在檢修期間進(jìn)行了調(diào)整汽輪機(jī)軸封間隙、抽出發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子檢查、調(diào)整3號(hào)軸承底部接觸情況等工作。

圖1 機(jī)組軸系結(jié)構(gòu)及支撐情況示意圖

1.2 振動(dòng)故障情況

1.2.1 機(jī)組空負(fù)荷工況

機(jī)組啟動(dòng)定速3000 r/min空負(fù)荷工況振動(dòng)數(shù)據(jù)見表1，空負(fù)荷工況振動(dòng)良好，振動(dòng)主要以1 倍頻振動(dòng)分量為主。

表1 機(jī)組空負(fù)荷工況振動(dòng)數(shù)據(jù) μm/μm∠（°）

1.2.2 機(jī)組超速試驗(yàn)

機(jī)組超速試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)隨轉(zhuǎn)速升高而快速大幅升高，轉(zhuǎn)子3 號(hào)、4 號(hào)軸承軸振波德圖如圖2 所示。各圖中分別顯示軸振通頻（下半部分藍(lán)色線）、1 倍頻（下半部分紅色線）和1 倍頻相位（上半部分紅色線）。

圖2 機(jī)組超速試驗(yàn)過(guò)程發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子3號(hào)、4號(hào)軸承軸振波德圖

從圖2 可以看出，3 號(hào)、4 號(hào)軸承軸振快速大幅升高，但1倍頻振動(dòng)分量變化不明顯，軸振的快速大幅升高主要由非1 倍頻振動(dòng)分量變化引起，且非1倍頻振動(dòng)分量變化值大于1 倍頻振動(dòng)分量值；當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速恢復(fù)至3000 r/min后振動(dòng)恢復(fù)正常。同時(shí)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子2號(hào)軸承振動(dòng)也存在快速小幅升高現(xiàn)象，1號(hào)軸承振動(dòng)變化不明顯。

機(jī)組超速試驗(yàn)過(guò)程中3X 軸振瀑布圖如圖3 所示，3Y、4X、4Y 軸振頻譜信息與3X 軸振頻譜信息特征一致。

圖3 機(jī)組超速試驗(yàn)過(guò)程3X軸振瀑布圖

從圖3可以看出，機(jī)組超速試驗(yàn)過(guò)程3X軸振快速大幅爬升，主要由20 Hz左右振動(dòng)分量變化引起，而1倍頻振動(dòng)分量變化不明顯。

1.2.3 機(jī)組帶負(fù)荷

機(jī)組帶負(fù)荷過(guò)程發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)發(fā)生異常突升、突降現(xiàn)象，機(jī)組帶負(fù)荷過(guò)程1X、2X、3X、4X 軸振DCS趨勢(shì)圖如圖4所示。

圖4 機(jī)組帶負(fù)荷過(guò)程1X、2X、3X、4X軸振DCS趨勢(shì)圖

2 號(hào)、3 號(hào)、4 號(hào)軸承振動(dòng)同趨勢(shì)變化，但2 號(hào)軸承振幅較小，1 號(hào)軸承振動(dòng)變化不明顯；振動(dòng)突升、突降過(guò)程速度較快，為25～35 s，具有突發(fā)性；振動(dòng)異常變化與機(jī)組負(fù)荷、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流等運(yùn)行參數(shù)無(wú)明顯相關(guān)性。

機(jī)組帶負(fù)荷過(guò)程振動(dòng)突變前后振動(dòng)數(shù)據(jù)見表2。

表2 機(jī)組帶負(fù)荷過(guò)程振動(dòng)突變前后振動(dòng)數(shù)據(jù)μm/μm∠（°）

機(jī)組帶負(fù)荷過(guò)程發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子3X、3Y、4X、4Y 軸振趨勢(shì)圖如圖5 所示。各圖中分別顯示軸振通頻（下半部分藍(lán)色線）、1倍頻（下半部分紅色線）和1倍頻相位（上半部分紅色線）。

從表2、圖5 可以看出，機(jī)組帶負(fù)荷過(guò)程發(fā)生振動(dòng)突升現(xiàn)象，但1 倍頻振動(dòng)分量、1 倍頻振動(dòng)分量相位基本穩(wěn)定無(wú)變化，振動(dòng)突升主要由非1 倍頻振動(dòng)分量變化引起，且非1 倍頻振動(dòng)分量變化值大于1倍頻振動(dòng)分量值。

機(jī)組帶負(fù)荷過(guò)程3X 軸振級(jí)聯(lián)圖如圖6 所示，3Y、4X、4Y軸振頻譜信息與3X軸振頻譜信息特征一致。

從圖6可以看出，機(jī)組帶負(fù)荷過(guò)程3X軸振突升主要由19 Hz左右振動(dòng)分量變化引起，而1倍頻振動(dòng)分量變化不明顯。

2 振動(dòng)原因分析

根據(jù)機(jī)組超速試驗(yàn)過(guò)程和帶負(fù)荷過(guò)程振動(dòng)異常變化現(xiàn)象，綜合分析如下。

（1）振動(dòng)爬升和突變主要表現(xiàn)在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子3號(hào)、4 號(hào)軸承，相鄰轉(zhuǎn)子2 號(hào)軸承也存在相關(guān)聯(lián)小幅振動(dòng)變化，因此首先認(rèn)為振動(dòng)異常變化為軸系真實(shí)振動(dòng)狀態(tài)變化，且振動(dòng)異常變化主要發(fā)生在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上。

（2）機(jī)組定速3000 r/min 空負(fù)荷工況振動(dòng)正常，但機(jī)組超速試驗(yàn)過(guò)程中隨著轉(zhuǎn)速升高發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子3 號(hào)、4 號(hào)軸承振動(dòng)快速大幅爬升，當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速恢復(fù)3000 r/min 后振動(dòng)恢復(fù)正常，振動(dòng)明顯敏感于轉(zhuǎn)速；振動(dòng)快速大幅爬升時(shí)1 倍頻振動(dòng)分量變化不明顯，主要由19～20 Hz（對(duì)應(yīng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一階固有頻率）振動(dòng)分量變化引起。

圖5 機(jī)組帶負(fù)荷過(guò)程發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子3X、3Y、4X、4Y軸振趨勢(shì)圖

圖6 機(jī)組帶負(fù)荷過(guò)程3X軸振級(jí)聯(lián)圖

（3）機(jī)組帶負(fù)荷過(guò)程發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子3號(hào)、4號(hào)軸承振動(dòng)發(fā)生異常突升、突降現(xiàn)象，振動(dòng)具有明顯的突發(fā)性；振動(dòng)突變均由19～20 Hz（對(duì)應(yīng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一階固有頻率）振動(dòng)分量變化引起，1 倍頻振動(dòng)分量（幅值、相位）變化不明顯；振動(dòng)與機(jī)組負(fù)荷、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流等運(yùn)行參數(shù)無(wú)明顯相關(guān)性。

（4）根據(jù)機(jī)組超速試驗(yàn)過(guò)程及帶負(fù)荷過(guò)程振動(dòng)異常變化所表現(xiàn)的特點(diǎn)，即振動(dòng)呈現(xiàn)低頻振動(dòng)特點(diǎn)（19～20 Hz、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一階固有頻率）、振動(dòng)敏感于轉(zhuǎn)速特點(diǎn)、振動(dòng)具有突發(fā)性特點(diǎn)等，綜合分析認(rèn)為機(jī)組振動(dòng)異常變化非由軸系平衡狀態(tài)變化引起，應(yīng)為機(jī)組發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)生了軸瓦自激振動(dòng)；同時(shí)考慮振動(dòng)主要發(fā)生在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子且與機(jī)組負(fù)荷、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流等運(yùn)行參數(shù)無(wú)明顯相關(guān)性，可排除汽流激振等其他類似低頻振動(dòng)問(wèn)題。

3 振動(dòng)處理

從機(jī)組啟動(dòng)及帶負(fù)荷運(yùn)行振動(dòng)數(shù)據(jù)可以看出，機(jī)組汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子平衡狀態(tài)以及汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的連接狀態(tài)有待改善，但若從減小轉(zhuǎn)子擾動(dòng)入手，現(xiàn)場(chǎng)處理該機(jī)組軸瓦自激振動(dòng)問(wèn)題的工作量相對(duì)較大。

另外，在機(jī)組檢修過(guò)程中檢查發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸承安裝情況及潤(rùn)滑油品質(zhì)時(shí)發(fā)現(xiàn)：機(jī)組發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸承頂隙與設(shè)計(jì)值相比偏大；為保證汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子對(duì)中而降低了3號(hào)軸承座標(biāo)高；3號(hào)軸承軸瓦磨損未徹底處理；機(jī)組潤(rùn)滑油水分含量超標(biāo)。

上述問(wèn)題均會(huì)使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸承穩(wěn)定性下降，因此根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢查結(jié)果，決定主要從增加發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸承穩(wěn)定性入手處理機(jī)組軸瓦自激振動(dòng)問(wèn)題，制訂現(xiàn)場(chǎng)處理措施如下：

（1）復(fù)查3 號(hào)、4 號(hào)軸承軸瓦安裝間隙，適當(dāng)減小軸瓦頂隙、增大軸瓦側(cè)隙。

（2）復(fù)查3 號(hào)、4 號(hào)軸承座標(biāo)高，視情況適當(dāng)增大軸承座標(biāo)高以增加軸承承載。

（3）復(fù)查3號(hào)軸承軸瓦磨損情況，進(jìn)行處理。

（4）加強(qiáng)潤(rùn)滑油濾油，保證潤(rùn)滑油油質(zhì)合格，防止油中帶水。

采取上述措施后機(jī)組重新啟動(dòng)帶負(fù)荷運(yùn)行，再未出現(xiàn)軸瓦自激振動(dòng)問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

本文故障中振動(dòng)異常變化主要是由19～20 Hz（發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一階固有頻率對(duì)應(yīng)）低頻振動(dòng)分量異常變化引起，振動(dòng)爬升和突變具有突發(fā)性，且振動(dòng)敏感于轉(zhuǎn)速，表明發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)生了軸瓦自激振動(dòng)。根據(jù)機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)檢查存在的問(wèn)題，主要采取減小軸承頂隙、增加軸承側(cè)隙、增大軸承座標(biāo)高、提高潤(rùn)滑油品質(zhì)和處理軸瓦磨損等措施，使故障得到解決。軸瓦自激振動(dòng)的診斷主要從振動(dòng)發(fā)生過(guò)程所表現(xiàn)的特點(diǎn)出發(fā)，同時(shí)也應(yīng)注意區(qū)分軸瓦自激振動(dòng)與其他類似低頻自激振動(dòng)（汽流激振等）。軸瓦自激振動(dòng)的處理措施主要從消除過(guò)大的軸徑擾動(dòng)和提高軸承穩(wěn)定性兩方面入手，具體應(yīng)根據(jù)實(shí)際振動(dòng)分析診斷結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況制訂處理措施。