发电机组轴向振动导致故障原因分析

2015-01-06赵建勇宋子义

设备管理与维修 2015年10期

赵建勇宋子义

（胜利油田电力管理总公司山东东营）

PG6531B燃气轮机发电机组主要由燃气轮机、负荷齿轮箱和发电机组成。负荷齿轮箱的任务是将燃气轮机转速（5100 r/min）降为发电机转速（3000 r/min）并将燃气轮机扭矩传递给发电机。发电机的两个轴承为端盖式轴承。机组在原厂曾发生发电机后轴瓦后端面与转子轴肩碰磨故障，搬迁至新厂运行2000 h发生负荷齿轮箱传动失效故障。

一、轴瓦与轴肩碰磨故障分析

1.故障现象

机组运行过程中发生发电机后轴承振动大跳闸。检查发现轴瓦的后端面与转子轴肩发生严重碰磨，轴瓦阻油环过热烧裂，轴瓦后侧的乌金轴向30 mm范围内熔化，轴肩轴向40 mm范围内呈亮黑色，轴承端盖螺栓全部松动，轴承端盖与箱体结合面顶部出现3 mm间隙。

2.故障原因分析

机组运行时，发电机后轴承轴向振动在11～13 mm/s水平，水平、垂直振动小一些。检查发现发电机定子的轴向安装尺寸与图纸尺寸相比向后移动了10 mm，即轴瓦后端面与转子轴肩的轴向间隙缩短了10 mm。

轴承端盖因轴向振动过大导致其与箱体的连接螺栓承受较大的动应力，长时间运行后，螺栓发生松动，轴承座倾斜、后移，轴瓦后端面与转子轴肩的轴向间隙进一步减小。螺栓松动后，轴承座的支撑刚度降低，轴向振动进一步增大，轴承座倾斜、后移幅度进一步增加，最终导致轴瓦后端面与转子轴肩的轴向间隙消失而碰磨。

二、负荷齿轮箱传动失效原因分析

1.负荷齿轮箱结构及传扭过程

负荷齿轮箱为人字齿轮构成的一级减速机构，结构如图1所示。小齿轮加工成内部中空结构，高速轴从小齿轮中间通过。高速轴的发电机端加工有外花键，与花键齿套接在一起互相啮合。花键齿套与小齿轮的法兰通过螺栓连接在一起，高速轴与燃气轮机转子刚性连接。大齿轮结构与小齿轮相似，低速轴与发电机转子刚性连接。花键轴和花键齿套通过花键齿两端的台阶过盈配合连接来保证二者定心。花键齿套与大齿轮花键齿套尾端各有一个尾盘（图2），通过6条螺栓和花键轴连接，加上过盈配合力一起防止花键轴和花键轴套轴向活动。当燃气轮机扭矩传递给高速轴后，高速轴通过花键轴传递给花键齿套，再传递给小齿轮。小齿轮将扭矩传递给大齿轮，再通过大齿轮花键齿套传递给低速轴，最后把燃气轮机的扭矩传递给发电机。

图1 负荷齿轮箱啮合齿轮示意图

2.故障现象

机组带27 MW负荷运行，突然发生有功降到0 MW，无功14 Mvar，燃机转速升高到5440 r/min，发电机3000 r/min运行，手、自动均无法升负荷。断开发电机出口开关52G准备重新并网，燃机转速恢复到5100 r/min，但发电机转速下降，随后负荷齿轮箱发出异常响声，紧急停机。停机后盘车，燃气轮机轴转动，发电机轴不转动。

解体检查负荷齿轮箱，发现低速轴花键齿与花键套传动失效，导致燃机扭矩不能传递到发电机。尾盘螺栓有2条断裂，其余4条松动（图2），过盈配合及花键齿传动失效。

图2 低速轴尾盘螺栓断裂和松动

3.传动失效原因分析

发电机转子轴向振动，导致低速轴与花键套的过盈配合产生微动磨损和松动而失效，尾盘连接螺栓也承受较大应力。当轴瓦与转子轴肩碰磨时，转子会产生很大的向后的轴向力，该轴向力将低速轴花键套的尾盘螺栓拉长、拉断，低速轴与花键套失去轴向限位功能而轴向相对活动。机组搬迁前大修时，没有对负荷齿轮箱进行检查，对螺栓断裂、花键齿轴向相对活动现象也没有发现。

机组试运时，发电机后轴承振动值垂直6 mm/s、水平9 mm/s、轴向12 mm/s水平。机组原设计只安装了水平方向振动探头，没有垂直和轴向监测，监测系统显示的振动值为9 mm/s水平。现场人员认为振动值偏大，将振动探头由原来的水平方向改为垂直方向安装，监测系统显示振动值为6 mm/s水平。在轴承振动未改观的情况下，认为机组的振动值处于合理水平，遂交工投运。

机组运行期间，出现负荷齿轮箱箱体及轴承有温度升高及振动增大现象，应为花键齿磨损所致，但运行人员认为没有超过限值，继续运行。

轴向振动一直较大，花键齿及过盈配合面始终存在轴向摩擦及磨损，同时还伴有径向摩擦及磨损。花键齿存在较大的轴向相对运动，产生的磨损很剧烈。随磨损量的增加，磨损速度不断加快，最终导致花键齿传动失效。

三、轴向振动大原因

1.轴瓦安装存在偏差

轴瓦安装时存在倾斜，没有与轴颈保持扬度一致，轴颈的中心线和轴瓦的中心线产生了一个夹角，转子旋转状态下，油膜会产生一个轴向力，这个轴向力诱发端盖的轴向振动，同时对端盖产生一个偏转力矩。轴瓦存在倾斜，转子落位后，轴颈的承力中心线落在了轴承端盖几何中心线的外侧，转子的重力及振动力对端盖施加一个偏转力矩。偏转力矩诱发螺栓松动及轴向振动增大。