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        某燃?xì)廨啓C發(fā)電機組軸系外伸端活動性失衡振動特性分析及處理

        2021-12-30 07:46:48黃琪陳淼廖輝羊小軍李錄平
        東方汽輪機 2021年3期
        關(guān)鍵詞:軸系燃?xì)廨啓C限位

        黃琪,陳淼,廖輝,羊小軍,李錄平

        (1.東方電氣集團(tuán)東方汽輪機有限公司,四川 德陽,618000;2.長沙理工大學(xué),湖南 長沙,410114)

        0 前言

        近年來隨著節(jié)能減排、靈活調(diào)峰的要求,我國燃?xì)廨啓C聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組得到快速發(fā)展,根據(jù)發(fā)改委規(guī)劃,到2020年,全國聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組裝機容量將達(dá)到5 500萬千萬,是2000年之前50年已建成的同類裝機容量的25倍。由此可見,燃?xì)廨啓C發(fā)電機組裝機容量在電力行業(yè)的份額在逐步增大,燃?xì)廨啓C的安全穩(wěn)定運行也對電力生產(chǎn)具有越來越重要的意義。

        火力發(fā)電機組轉(zhuǎn)子外伸端不平衡或利用外伸端進(jìn)行跨內(nèi)平衡多有介紹[1-2],燃?xì)廨啓C軸系突然失衡特征也有介紹[3],但燃?xì)廨啓C發(fā)電機組的發(fā)電機與集電環(huán)采用整鍛轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)外伸端的活動性失衡還未見文獻(xiàn)介紹。本文將介紹某燃?xì)廨啓C發(fā)電機組軸系外伸端活動性失衡的案例,總結(jié)失衡的特點,找出故障的原因。

        1 燃?xì)廨啺l(fā)電機組軸系結(jié)構(gòu)特點分析

        1.1 軸系結(jié)構(gòu)

        某燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠的燃?xì)廨啓C發(fā)電機組與蒸汽輪機發(fā)電機組采取“一拖一”分軸結(jié)構(gòu),1臺燃?xì)廨啓C配置1臺蒸汽輪機,其中燃?xì)廨啺l(fā)電機組的功率為324 MW,蒸汽輪機發(fā)電機組的功率為150 MW,燃?xì)廨啓C與蒸汽輪機軸系分開設(shè)置。在燃?xì)廨啓C發(fā)電機組軸系中,燃機轉(zhuǎn)子與發(fā)電機轉(zhuǎn)子剛性連接,發(fā)電機轉(zhuǎn)子與集電環(huán)為整鍛式轉(zhuǎn)子,集電環(huán)與盤車裝置采用SSS離合器連接,整個軸系采用5個油膜滑動軸承支承,在2#支承軸承處設(shè)置推力軸承。燃?xì)廨啓C發(fā)電機組軸系及其支承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

        圖1 機組軸系結(jié)構(gòu)示意圖

        1.2 SSS離合器結(jié)構(gòu)

        在盤車電機與燃?xì)廨啓C發(fā)電機組轉(zhuǎn)子之間設(shè)置了1個同步自換檔離合器(Synchro-Self-Shifting,簡稱SSS)。目前,應(yīng)用在燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)機組上的的SSS離合器主要有兩類[4]:一類是連接盤車與轉(zhuǎn)子之間的離合器(基本離合器);另一類是連接汽輪機低壓轉(zhuǎn)子與高中壓轉(zhuǎn)子的SSS離合器(繼動離合器)。

        基本型SSS離合工作的基本原理:當(dāng)輸入端轉(zhuǎn)動后,棘爪棘輪嚙合,滑動組件向左移動,彈簧壓縮,直至輸入端與輸出端嚙合齒嚙合,帶動輸出端轉(zhuǎn)動;當(dāng)輸出端轉(zhuǎn)速高于輸入端轉(zhuǎn)速時,棘爪收起,輸出端嚙合齒帶動輸入端嚙合齒右移,滑動組件受力往右側(cè)移動,嚙合脫開?;拘蚐SS離合器的結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

        圖2 基本型SSS離合器結(jié)構(gòu)示意圖

        2 振動故障發(fā)生與發(fā)展過程

        該機組于2017年6月調(diào)試后投運,軸系振動均在合格值范圍內(nèi),隨著啟停次數(shù)增多,2017年7月某次啟動后發(fā)現(xiàn)5#軸振大(最大到160μm),圖3為某次運行中測量的3~5#軸振X向的時域波形圖及頻譜圖,從圖3中可以看出,5X振動時域波形曲線光滑,無毛刺,是比較規(guī)則的正弦波曲線,頻率主要為工頻量,其他頻率成份非常小,就地測量軸承蓋振(落地式軸承)振幅僅15μm,表明軸承支撐系統(tǒng)無異常,振動是由于不平衡量偏大造成的;后續(xù)運行中分3次測量了工作轉(zhuǎn)速下的幅值相位數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)幅值相位數(shù)據(jù)變化大(見表1),平衡無法解決該振動問題。

        圖3 機組定速時,3~5#軸振X方向時域波形及頻譜圖

        表1 3次運行中測量的5#軸振數(shù)據(jù)

        由于每次測量的數(shù)據(jù)均為運行中測量,每次測量之間經(jīng)歷了機組啟停工況,而現(xiàn)場無TDM系統(tǒng),故無法調(diào)取歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。本文結(jié)合某次啟停和第2次的啟動過程對振動的升速特性進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集與分析。

        3 振動分析

        圖4為8月2日測取的升速-停機-升速過程的4~5#軸振幅相頻特性圖,從圖4中可以看出,該振動故障具有以下特點:

        圖4 啟停過程4~5#軸振幅頻、相頻圖

        (1)2次升速過程,5X振動在轉(zhuǎn)速2 000~2 100 r/min幅相頻特性均發(fā)生了階躍,階躍后,曲線光滑,但定速后的幅值、相位偏差很大;

        (2)停機過程5X幅相頻無階躍現(xiàn)象;

        (3)4X幅相頻也與5X幅相頻變化有類似的規(guī)律,但表現(xiàn)不顯著;

        (4)發(fā)生階躍的轉(zhuǎn)速有降低的趨勢。

        為查明振動故障的發(fā)生、發(fā)展過程,調(diào)取了首次啟動至第6次沖轉(zhuǎn)的過程數(shù)據(jù),見圖5。從圖5可以看出,5X振動階躍在首次啟動過程就出現(xiàn)了,只是階躍后,又基本回落至原來水平,但第2次啟動及之后,存在階躍幅值增大的趨勢,且?guī)状味ㄋ俸蟮姆颠M(jìn)行比較,無重復(fù)性,或大或小。

        圖5 首次啟動至第6次啟動的升速過程5X通頻幅值升速特性圖

        根據(jù)以上振動特點及歷史數(shù)據(jù)分析,判斷5#軸頸的外伸端存在活動部件。

        4 故障機械原因分析及處理

        4.1 解體檢查情況

        機組在停機后,對外伸端的SSS離合器進(jìn)行檢查,發(fā)現(xiàn)SSS離合器的輸入端棘輪有1個齒崩落一小塊,懷疑之前存在過載現(xiàn)象,且SSS離合器輸入端在運行中是與軸系脫開的,不會影響軸振,因此進(jìn)一步對SSS離合器脫開檢查處理。

        解開SSS離合器與發(fā)電機集電環(huán)軸的靠背輪對輪螺栓,用頂絲頂開輸出端時,聽到叮咚一聲,檢查發(fā)現(xiàn)輸入端的滑動組件限位環(huán),約2.8 kg掉落入護(hù)罩,限位環(huán)與輸入端配合面有摩擦的痕跡及被滑動組件齒咬合的痕跡,限位環(huán)上的8個螺栓孔臺階不同程度的崩掉,殘余部分被螺栓緊固在輸入軸上,同時限位環(huán)變形嚴(yán)重。

        4.2 故障原因分析

        通過解體的情況分析,由于安裝原因,定位尺寸偏差15 mm,導(dǎo)致輸入端的滑動組件行程受限15 mm。

        SSS離合器工作正常時,當(dāng)輸出端轉(zhuǎn)速(發(fā)電機)增加后,帶動滑動組件移動,輸出端轉(zhuǎn)速高于輸入端轉(zhuǎn)速時,此時滑動組件脫開與輸出端的嚙合,但實際由于行程受限15 mm,導(dǎo)致嚙合無法脫開,輸出端施加在滑動組件上的軸向力作用于限位環(huán)上,導(dǎo)致限位環(huán)崩落,而后輸出端與輸入端脫開嚙合。

        因此,限位環(huán)在第1次沖轉(zhuǎn)的時候就已經(jīng)崩落,SSS離合器正常脫開時,受軸向彈簧的作用,滑動組件與輸出端的軸向尺寸為20 mm,經(jīng)檢查,限位環(huán)最大軸向尺寸為16.5 mm,加上變形及崩落時增加的軸向尺寸,導(dǎo)致變形后的限位環(huán)軸向尺寸微大于空間軸向尺寸,SSS離合器脫開時,滑動組件施加力頂住限位環(huán),使得限位環(huán)貼緊輸出端隨電機一起相對轉(zhuǎn)動,當(dāng)發(fā)電機轉(zhuǎn)速持續(xù)增大時,由于泊松效應(yīng),發(fā)電機轉(zhuǎn)子收縮,空間軸向尺寸增大,導(dǎo)致限位環(huán)突然在輸出端腔室徑向滑動,受離心力作用貼緊輸出端腔室外圓隨發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動,引起軸振突升。停機時由于離心力的作用,限位環(huán)不會發(fā)生活動,因此振動無突變現(xiàn)象,當(dāng)發(fā)電機轉(zhuǎn)子惰走到300 r/min時,盤車電機啟動,滑動組件收回至待嚙合狀態(tài),此時限位環(huán)未受軸向作用力,隨著發(fā)電機轉(zhuǎn)速的持續(xù)降低,離心力不足以限制限位環(huán)位置時,限位環(huán)會在輸出腔室內(nèi)發(fā)生相對運動,可能會掛在輸入端的限位環(huán)螺釘上而靜止,這也是停機后未聽到SSS離合器內(nèi)異音的原因,是后續(xù)重復(fù)發(fā)生升速過程中振動突變的原因。

        4.3 故障處理措施及效果

        機組后續(xù)更換了崩壞的限位環(huán),將盤車電機機架地腳孔擴(kuò)孔,整體前移16 mm,整體調(diào)整盤車電機及輸入端的軸向尺寸后,再次啟動,振動未再發(fā)生升速過程突變現(xiàn)象,未經(jīng)平衡處理,定速時#5軸振在30μm以內(nèi)(見表2)。

        表2 處理前后軸振對比μm

        5 三支撐外伸端對跨內(nèi)振動的影響

        發(fā)電機與集電環(huán)為一體整鍛轉(zhuǎn)子,外帶懸臂的SSS離合器輸出端,每2道支撐軸承內(nèi)的轉(zhuǎn)動部分稱為跨內(nèi),故該結(jié)構(gòu)為兩跨三支撐帶外伸端結(jié)構(gòu),振動測點布置在軸承上,測量轉(zhuǎn)軸的相對振動。

        此次SSS離合器輸入端掉入輸出端內(nèi)的活動部件,驗證了外伸端不平衡對跨內(nèi)振型的影響。

        從圖6可以看出,外伸端不平衡量對跨內(nèi)(集電環(huán)轉(zhuǎn)子)的影響有以下特點:

        圖6 處理前后4~5#軸振同反相的幅相頻特性

        (1)正常(處理后)時,集電環(huán)轉(zhuǎn)子受發(fā)電機轉(zhuǎn)子振型的影響,有一、二階振型的響應(yīng);

        (2)外伸端不平衡量對跨內(nèi)的一、二階振型響應(yīng)均有較大影響;

        (3)同樣的外伸端不平衡量在圓周不同的位置上對跨內(nèi)的一、二階振型影響也不一樣。

        6 總結(jié)

        本文通過對某燃發(fā)軸系外伸端活動失衡案例的分析和處理,總結(jié)了外伸端活動部件對振動的影響特點:

        (1)外伸端活動部件對最近的軸振影響最大;

        (2)外伸端活動部件對每次啟停過程中振動的影響均不一樣;

        (3)外伸端活動部件受結(jié)構(gòu)影響,有時候會導(dǎo)致機組升速過程中出現(xiàn)振動幅值“階躍”現(xiàn)象;

        (4)外伸端活動部件對跨內(nèi)振型有較大的影響,同時活動部件在圓周上的位置不一樣,對振型的影響程度也不一樣。

        該故障的診斷方法和處理技術(shù),對后續(xù)的SSS離合器的安裝及可靠性具有重要指導(dǎo)意義,對解決燃?xì)廨啓C發(fā)電機組的同類故障問題有借鑒意義。

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