可倾轴承损坏引发的燃气轮发电机组低频振动故障分析

杨卫国，甘 地，祝铁军 ，杜胜磊

(1. 广东惠州天然气发电有限公司，广东 惠州 516082; 2. 广东电科院能源技术有限责任公司， 广州 510080)

燃气轮发电机组等大型旋转机械是由转动部件和轴承等部件组成。工作介质在转动部件内部通道中流动，实现能量转换过程，轴承则起着支撑转动部件的关键作用，其对机组安全稳定运行的影响很大。

近年来，大型燃气轮发电机组上发生了一些因轴承而引发的振动故障。文献[1]分析了某台燃气轮机振动原因，指出透平间温度过高改变了轴承载荷分配，导致#3轴承油膜失稳。文献[2-5]通过调整轴承载荷、扩大进油孔直径和减小轴承宽度等方法解决了轴承上发生的油膜涡动故障。文献[6]通过检修可倾轴承瓦块厚度不均缺陷和轴系标高调整，解决了燃气轮机因轴承而引发的低频波动故障。文献[7-8]通过轴系载荷调整解决SSS离合器前轴承上发生的失稳故障。文献[9]研究了轴承载荷对可倾瓦上发生的两类低频振动故障的影响。上述研究主要针对燃气轮机上发生的因可倾轴承失稳而引发的低频振动故障。文献[10]则分析了某台燃气轮机上发生的因可倾瓦下瓦乌金损坏而引发的低频振动故障，低频的频率为25 Hz。

本文分析了某台大型燃气轮发电机组上发生的一类非轴承失稳而引发的低频振动故障，该故障在工程中比较少见，故障频率也很少见。通过测试和分析，总结了振动特征和规律，确认故障是由于可倾轴承损坏所引起的，通过更换可倾轴承的方式解决了机组振动故障。

1 机组介绍

某发电公司#4燃气轮机是GE公司生产的9FA(350 MW)燃气-蒸汽联合循环发电机组，轴系由燃气轮机、高中压缸、低压缸、发电机和励磁机转子组成，励磁机尾端悬臂布置。轴系共有8个轴承，#1～#5为可倾瓦轴承，#6～#8为椭圆轴承。轴系布置如图1所示。

#4机配备了本特利振动监测系统，在#1～#8轴瓦轴颈附近左、右45°分别安装了两套电涡流传感器，测量轴系各转子转轴相对振动。在#1、#2、#7、#8轴承上布置了瓦振传感器，测量轴承座振动。试验时在#4轴承座上加装了临时测量用的瓦振传感器。

一段时间以来，该机组#4、#5轴承振动出现了不稳定波动，对机组安全运行产生了一定影响。

2 机组不稳定振动现象

在带负荷运行状态下对机组振动进行了测试。

图2给出了#5轴承振动变化情况。振动具有突发性，振动突增和突降持续时间很短，在10～20 s左右。振动波动具有很强的随机性和无规律性。试验时，机组在稳定工况下运行，运行上没有任何操作。查阅历史曲线可知，不稳定振动主要发生在#4和#5轴承上，在相邻#3和#6轴承上也有表现。#5轴承波动幅度更大，波动次数更频繁。

图3给出了4x轴振和#4轴承瓦振变化情况。4x轴振出现大幅随机性波动时，#4轴承瓦振稳定，没有波动，幅值一直很小。

以4x和5x测点为例，图4和图5分别给出了振动小和大时的波形和频谱图。波动状态下测点波形发生了畸变，带有较明显的低频抖动特征，频谱图上则出现了幅值较大的12.5 Hz左右的低频分量。波动发生后低频分量幅值已经超过工频分量，成为影响振动的主要因素。整个过程中，50 Hz工频分量幅值和相位基本稳定，其它频率分量波动幅度也很小。

图6给出了波动前后#4和#5轴承轴心轨迹图。波动发生前，#4轴承的轴心轨迹总体上稳定，但出现了很多毛刺。#5轴承的轴心轨迹也有点乱，多个周期之间轴心轨迹的重合度不高。波动发生后，2个轴承的轴心轨迹形状都发生了较大变化，轴心轨迹形状都很紊乱。

没有波动时，#4、#5轴承轴颈中心位置稳定。波动发生时，#4、#5轴承的轴颈中心也会出现沿着水平方向的大幅度瞬态波动，波动幅度约有0.1 mm，如图7所示。与此同时，#3轴承轴颈中心则比较稳定。

近一段时间以来，振动波动频率增加，幅度也有所增大。查阅历史运行数据可知，经历过一次启停后，振动波动现象有所恶化。例如，某次开机，3 000 r/min定速初期，振动出现了连续性的波动。带负荷运行一段时间后，波动才逐渐减小。

试验表明，振动波动和润滑油温之间有一定关联，如图8所示。润滑油温提高后，容易发生波动。油温降低后，波动频率明显降低，运行期间内偶尔发生了几次波动。

3 振动原因分析

3.1 信号可靠性

#4、#5轴振大幅度波动时，瓦振并没有波动，波动带有很强的随机性，而且12.5 Hz低频频率在工程上也很少见，找不到对应的故障频率点，如：转子系统固有频率、油膜涡动和油膜振荡频率等，故障分析时很多人认为波动是因测量系统受到干扰而引起的。

根据监测数据，我们认为波动时的振动信号是可靠的：

(1) 振动波动与润滑油温之间有一定的对应关系，而电磁干扰等外界因素与润滑油温之间的关系不大。

(2) #3、#4、#5、#6轴承x和y方向上的振动(合计8个测点)同步发生波动。

3.2 故障部位

不稳定振动突出表现在#4、#5轴承上，距离这两个轴承越远，波动幅度越小，可以判定故障主要发生在#4、#5轴承上。

#4、#5轴承相距较近，难以准确判断故障到底发生在哪个轴承上。考虑到#5轴承波动幅度更大、频率更为频繁，故障严重性比#4轴承更严重些，初步认为#5轴承发生故障的可能性更大些。

3.3 故障原因

不稳定振动频率主要为12.5 Hz的低频分量，可以排除转子不平衡、不对中等强迫振动故障。

油膜失稳是最为常见的低频振动故障。油膜涡动和振荡时的频率分别为半频和转子系统固有频率，这2个频率和本机组波动发生时的振动频率都不同。油膜失稳故障容易发生在轻载轴承上，本机组#5轴承瓦温较高，达到113 ℃，说明轴承载荷较重。提高润滑油温、降低润滑油粘度，对油膜失稳故障有一定的抑制效果，本机组发生的振动波动现象正好与此相反。油膜失稳故障的发生具有突然性，振动发生后通常可以持续一段时间，不太可能出现10～20 s时间间隔内忽大忽小现象。根据上述分析，可以排除轴承油膜失稳故障。

振动波动和润滑油温有一定关联，说明轴承工作状态对振动波动有影响。轴承工作状态与以下2个因素有关：

(1) 润滑油供油不足。当润滑油供油不足时，轴承瓦温会较高。润滑油温降低后，油粘度增大，润滑性能变好，对这类不稳定振动有一定的抑制效果。

(2) 可倾瓦块损伤。该机组#4、#5轴承采用可倾瓦设计，可倾瓦块背部柱销磨损后，瓦块摆动幅度增大，容易发生瓦块与轴颈之间的碰撞，使轴颈上受到力的冲击作用，瞬间改变轴颈中心位置，激发不稳定振动。润滑油温降低后，滑油粘度增大，可以增大可倾瓦块与轴颈之间的间隙，减少瓦块与轴颈碰撞，对抑制这类不稳定振动有效果。

3.4 振动处理方案

根据上述分析，可以认为轴承工作状态劣化是导致机组振动波动的主要原因。建议采取以下措施：

(1) 加强对不稳定振动的监测，防止振动进一步恶化，并做好生产应急处理预案。

(2) 可以通过降低润滑油温、开启交流润滑油泵、增加轴承供油压力等方式来缓解振动。

(3) 振动波动时，加强对#4、#5轴承声音的监听，看看有无金属部件碰撞等异音，特别是在停机过程中。

(4) 如振动进一步恶化，建议停机，重点针对#4、#5轴承进行检查，包括：瓦块磨损情况、上瓦块乌金出油边与轴颈之间的碰撞情况、瓦块背部柱销孔磨损情况、瓦块乌金表面颜色等。扩大#4、#5轴承节流孔板直径，增大这两个轴承的润滑油流量。同时，检查油管路(包括滤网等)是否存在堵塞。

4 检查结果

图9给出了该机组采用的可倾瓦轴承结构。可倾瓦轴承由6个可倾瓦块组成，上下各有3个瓦块。在每个瓦块的背部设计有柱销。图10给出了#5轴承打开后的情况。检查发现，#5轴承上瓦块背部柱销中有1个已经断裂，并导致该瓦块出油边与轴颈之间发生碰撞。该部位处乌金局部碎裂。检查结果确认了此前对故障原因的怀疑。

利用本次检修机会，对该轴承进行了更换，并对更换新轴承后的轴系中心进行了复核和调整。检修后开机，机组振动状况良好，不稳定振动波动现象消失。

5 结论

(1) 机组带负荷运行时的阵发性振动波动是由于可倾瓦块柱销断裂引起的。

(2) 柱销断裂后，瓦块与轴颈之间发生碰撞，导致轴颈中心瞬态横移，轴心轨迹上出现毛刺，多周期轴心轨迹的重复性较差。振动频率中出现了12.5 Hz的低频分量，振动波动和润滑油温之间有一定关联。根据上述现象，可以对可倾轴承瓦块故障进行诊断。因瓦块故障而导致的振动频率为什么是12.5 Hz，其原因还有待于进一步深入研究。