600 MW汽轮发电机轴瓦振动分析

柳　磊，马国伟

(国电科学技术研究院 银川电力技术分院，宁夏银川750001)

600 MW汽轮发电机轴瓦振动分析

柳磊，马国伟

(国电科学技术研究院 银川电力技术分院，宁夏银川750001)

摘要：某厂600 MW火电汽轮发电机存在瓦振大、轴振小的问题。为解决此问题，应用振动力学理论建立大型旋转机械轴承-转子-支撑系统简化模型，结合该机组启动振动数据进行分析研究。结果表明，在柔性支撑系统下，轴振、瓦振关系受支撑动力特性影响较大，二者大小关系不再是简单的比例关系；轴、瓦振动均反映机组的振动性能，都应引起足够的重视，单独考虑其中一个都不合理；在升速过程中，机组轴振、瓦振大小变化比较复杂，其幅值大小及相位随转速增加而变化。最终得出，支撑刚度较弱是引起该机组出现瓦振大、轴振小现象的主要原因。

关键词：发电机组；振动；支撑；刚度

中图分类号：TK268

文献标识码:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2015.06.011

收稿日期：2015-04-08。

作者简介：柳磊(1986-)，男，工程师，主要从事旋转机械强度振动技术研究及电厂节能诊断工作，E-mail:441693868@qq.com。

Abstract：The bearing vibration is greater than shaft vibration in one 600 MW turbine generator. In order to solve this problem, we apply the vibration mechanics theory to build the simplified model of Bearing-Rotor-Support system, and use the start-up of the unit vibration data to analyze this problem. The results show that in the flexible-supporting system, the relationship between shaft vibration and bearing vibration is influenced by supporting dynamic characteristics, the size relation of them is not a simple proportional relationship; they all reflect the vibration performance of the unit, which should be aroused enough attention. Besides, it is not reasonable to consider only one aspect. It is concluded that the size change of shaft vibration and bearing vibration is more complex in the process of raising speed, their amplitude and phase are changing with the raising speed. Finally, the resulte show that this vibration phenomenon is mainly caused by the bearing stiffness.

Keywords：turbo-generator; vibration; support; stiffness

0引言

目前，随着火电汽轮机组容量的增大，汽轮发电机组轴系的不稳定性表现的更加突出[1]。轴系的不稳定性，通过机组的振动情况表现出来。振动作为影响机组安全稳定运行的重要参数，直接反映机组的健康状况[2，3]。由此，各级技术人员对振动问题均非常重视。

某厂600 MW火电汽轮机组，汽轮机为东方汽轮机厂生产，型式为亚临界、中间再热、单轴、两缸两排汽、直接空冷凝汽式汽轮机，发电机为东方电机股份有限公司引进日本日立公司(HITACHI)技术制造的。机组采用高、中压合缸结构,低压缸为双流反向布置，运转层标高13.7 m,总长19.48 m(包括罩壳),轴系总长33 m(包括罩壳、发电机)。该型汽轮发电机组轴系共安装7个轴承， 1、2号轴承采用可倾瓦式轴承，3～7号轴承采用椭圆形轴承。

本文针对该机组出现的发电机两端轴振小、瓦振大的现象，应用振动力学理论建立大型旋转机械轴承-转子-支撑系统简化模型，研究了发电机轴承出现的轴振小、瓦振大的故障机理，并结合机组启动数据，阐述故障机理。

1机组振动情况

该机组轴系由高中压转子、低压转子、发电机转子和励磁机转子组成，轴系布置如图1所示。发电机两端轴承编号为5、6号。

图1　机组轴系布置图

该机组正常带负荷运行过程中，各轴承振动数据如表1所示(其他各轴承振动优良，无此现象)。发电机两端瓦振较大，轴振较小。5号轴承瓦振与其X，Y方向轴振的比值分别为2.13∶1和1.48∶1号、6号轴承瓦振与其X，Y方向轴振的比值分别为3.6∶1和1.87∶1。5号、6号轴承瓦振均大于其轴振，两侧振动特性表现一致。

表1　机组振动数据

2轴承-转子-支撑系统动力学模型分析

汽轮机组采用的滑动轴承结构复杂，有可倾瓦轴承、三油楔轴承、椭圆轴承等。早期由于汽轮机组单机功率小，轴承多为不落地式轴承。随着单机容量的增加，现有300 MW及以上机组均采用落地式轴承[4]。本文研究即为落地式轴承。

为了分析该发电机出现的轴振小、瓦振大的原因，建立轴承-转子-支撑系统动力学模型，如图2所示。

图2　轴承-转子-支撑系统模型

2.1　简化模型建立

该模型仅考虑垂直方向的振动，它将转子-轴承简化为油膜刚度ks、阻尼cs和转子质量ms，将轴承-支撑简化为支撑刚度kb、阻尼cb和质量mb，简化后模型是一个两自由度系统[5，6]。

假设该模型系统在频率为ω的不平衡力作用下，转子和轴承座垂直方向上的振动幅值分别ys，yb，转子偏心为e，则简化系统振动方程为：

联立以上两式，在忽略阻尼cs，cb时，可得出转子和轴承座的绝对振动幅值Ys，Yb，满足：

由于通常测量所得的轴振为相对于轴承座的振动，所以轴振的相对振动可以表示为Y，满足：

Y=Ys-Yb

2.2　支撑刚度对轴振、瓦振大小的影响

在振动分析时，通过增大轴承座的支撑刚度kb，使支撑系统的固有频率增大。在相同的工作转速下，增大支撑系统的固有频率，能很好地避免出现支撑系统与汽缸共振的现象。同样，减小轴承座支撑刚度kb到一定值时，支撑系统固有频率下降，在转子升速时，就有可能出现支撑系统与汽缸共振的现象。

一般观点认为，瓦振是由于轴振引起的，所以轴振应该大于瓦振，瓦振是轴振的放大。但是，随着机组容量的增大，汽轮机组支撑系统不再是简单的刚性支撑,而是柔性支撑，不应再用刚性支撑理论去研究柔性支撑系统。在柔性支撑系统下，轴振、瓦振的大小关系不在是简单的比例关系[7]。通过上述模型计算得出：

(1)支撑刚度kb较大或者ω较小，使得kb-ω2mb>ks,Y>Yb。此时，轴振大于瓦振，当转速升高时，轴振、瓦振同相；

(2)当ω和kb变化，使kb-ω2mb≈0，Y≈0,此时，轴振近似等于0，瓦振远远大于轴振；

(3)支撑刚度kb较小或者ω较大，使得kb-ω2mb0轴振、瓦振同相，当kb-ω2mb<0轴振、瓦振反相。

3汽轮发电机振动分析

图3～5给出了该机组启动过程中，5号、6号轴承轴振、瓦振随转速变化关系曲线。从图中可以看出：

图3　5X/Y轴振伯德图

图5　5号、6号瓦振伯德图机组启动伯德图

(1)升速过程中，5号，6号轴振随转速变化明显，在临界转速附近有较大峰值变化。

(2)在整个升速过程中，轴振、瓦振大小变化比较复杂。大致可以分为两个过程：0～1 500r/min，轴振大于瓦振，1 500～3 000 r/min，瓦振大于轴振。3 000 r/min定速带负荷后，瓦振轴振差基本维持在20 μm左右。

结合模型分析的结果，该机组出现瓦振大、轴振小的故障现象是由于支撑系统刚度较小造成的。考虑到机组带负荷正常运行时，振动值不大。建议对支撑基础进行加固，以增加系统刚度。

4结论

(1)对于现行的大容量、高参数汽轮发电机组，支撑系统已不局限于刚性支撑。在研究柔性支撑系统时，轴振、瓦振大小关系变得复杂，以往简单的比例关系已经不再适用。

(2)轴振、瓦振都反映机组的振动性能，两者都应该引起足够的重视，单独考虑轴振大小或瓦振大小都不合理。

(3)模型研究结果表明，在机组升速过程中，轴振和瓦振的幅值大小以及相位都是随转速变化的。

参考文献:

[1]施维新，石静波.汽轮发电机组振动及事故[M].北京：中国电力出版社,2008.

[2]孙庆，李汪繁，王秀瑾.600 MW超临界空冷机组基础及轴承座刚度研究[J].发电设备, 2012,26(4):217-221.

[3]杨群发.600 MW汽轮机轴瓦温高的动态调整研究[J].电力科学与工程,2014,30(11):68-72.

[4]单世超，陈伯树，平路光.大型汽轮机轴承支撑刚度研究[J].汽轮机技术, 2012,54(3):201-203.

[5]倪守龙，唐贵基，张文德.某引进型600 MW超临界汽轮发电机组振动故障分析与处理[J].电力科学与工程,2013,29(7):54-57.

[6]杨建刚.旋转机械振动分析与工程应用[M].北京：中国电力出版社,2007.

[7]田永伟，杨建刚.大型旋转机械轴振瓦振比例关系的深入研究[J].振动与冲击, 2008,27(S):82-84.

Analysis of Bearing Vibration Fault for the 600 MW Turbo-generator

Liu Lei, Ma Guowei

(Yinchuan Power Technology Branch of Guodian Science and Technology Research Institute, Yinchuan 750001,China)