350 MW 汽轮发电机组5# X 轴振大故障诊断及处理

高明华

（山西昱光发电有限责任公司，山西朔州 036900）

1 设备概况及振动情况

1.1 设备概况

某汽轮发电机组分别配套350 MW 超临界、一次中间再热、两缸两排汽、直接空冷凝汽式汽轮机和QFS2 型350 MW 等级双水内冷发电机[1]。轴系结构如图1 所示：机组共有6 个支撑轴承，其中高中压转子的1#、2#轴承采用可倾瓦式，低压转子的3#、4#轴承采用LEG 瓦可倾式，1#—4#瓦稳定性较好，能够避免油膜振荡；5#、6#轴承使用椭圆瓦轴承；盘车装置在4#、5#轴承之间，4#轴承与盘车装置在同一轴承箱内。

1.2 测点布置及振动情况

每个轴承均在与水平线成135°和45°处设X 及Y 向轴振测点，另在轴承箱垂直位置设置瓦振测点；键相传感器安装在前轴承箱内转子接长轴处。

2019 年10 月23 日机组安装完毕后首次启动定速3000 r/min时发电机5#X、5#Y 通频轴振分别为74 μm 和48 μm，瓦振为5 μm；在随后的4 h 空负荷空冷岛冲洗阶段，其5#X、5#Y轴振最大分别为94 μm 和56 μm，瓦振为5 μm，就地测量轴承盖及地脚螺栓多处振动均低于10 μm。2019 年11 月19—24日机组带180 MW 负荷时，其5#X、5#Y 轴振最大分别为103 μm和63 μm。此外，1#—4#瓦轴振最大为45 μm，瓦振最大为9 μm；6#瓦轴振最大为48 μm，瓦振最大为5 μm。

2 振动分类

为满足正向推理诊断振动故障的要求，把机组振动分成十大类别，即：普通强迫振动、轴瓦自激振动、分谐波共振、电磁激振、拍振、随机振动、汽流激振、参数振动、撞击振动、高次谐波共振。各类振动相关特征如表1 所示[2]。

3 5# X 振动大故障诊断及处理

3.1 振动特点

由图2、3 可知，5#X 轴振在空负荷及满负荷状态下，振动主频率均为工频，其余频率振动均可忽略不计，且振动相位角均为229°左右；另外，其轴心轨迹为形状一致的较为规则的椭圆，波形图均为正弦波。

图1 机组轴系结构示意

3.2 故障分析

由表1 可知，使轴瓦产生工频振动的原因分为不对称电磁力、固定式联轴器连接的转子同心度和平直度偏差以及不平衡离心力三种。

3.2.1 不对称电磁力

在正常情况下，发电机转子产生的电磁力在直径方向上应该是均衡的，不会导致转子振动，只会对静子产生一个周期性的吸力。如果转子线圈出现了故障，或者是静子空气间隙出现不均，那么转子所产生的电磁力就不会对称，进而导致转子振动，其振动随励磁电流的增大而增大，且无时滞。而导致不对称电磁力的主要故障有发电机转子线圈局部短路以及空气间隙不均匀等。因5#X 轴振大在空负荷下已发生，故可排除该故障。

3.2.2 固定式联轴器连接的转子同心度和平直度偏差

5#瓦位于低发对轮靠发电机侧，因本机组联轴器间止口间隙仅为0.03 mm，且安装时严格按照紧螺栓工艺相隔90°各穿1条螺栓对称拧紧，并测量外圆晃度及端面飘偏≤0.02 mm；另外，相邻的4#瓦X 向及Y 向轴振均正常，且5#瓦轴振振幅随负荷、油温、蒸汽流量及压力无变化，故可排除该故障。

3.2.3 不平衡离心力

（1）转子不平衡的原因。不平衡是旋转机械最常见的故障。引起转子不平衡的原因有两大类：一类是转子系统的质量偏心，包括结构设计不合理，制造和安装误差，材质不均匀，受热不均匀等，被称为初始不平衡；另一类是转子部件出现缺损，包括运行中转子的腐蚀、磨损、介质结垢以及转子受疲劳力的作用，使转子的零部件（如叶轮、叶片等）局部损坏、松动、脱落，碎块飞出等，造成新的不平衡。

（2）转子不平衡的振动特点。振动故障常见的有不平衡、不对中、油膜涡动、油膜振荡、初始弯曲、热弯曲等多种形式。转子不平衡故障是最常见的故障，其主要特征是机组的振动幅值增大，振动频率为一倍频，相位稳定，轴心轨迹为椭圆形，工频振动的幅值与相位随转速的变化以及定转速后随时间的变化规律稳定、重复性好。偏差可忽略，故可排除转子热弯曲。

表1 汽轮发电机组振动分类

（3）在机组停机状态盘车2 h 内，偏心值不大于0.02 mm，故可排除永久弯曲。

3.2.4.2 转动部件脱落

在机组运行中最常发生飞脱的转动部件是汽轮机叶片和联轴器挡风板，正常运行的发电机和励磁机转子的转动部件飞脱事件很少发生。转动部件脱落最重要的特征是振动突然增大且时滞很小，一般小于0.1 s，故可排除。

3.2.4.3 转子上存在活动部件

转子上存在活动部件包括平衡块在平衡槽内自由移动、转子中心孔堵头脱落、转子中空部分存有异物等。这类故障产生的振动主要发生在停机后再次启动，运行中振动很少发生突变，故可排除。

3.2.4.4 莫顿效应

轴径与乌金摩擦使轴径径向形成不均衡加热，是由于轴径在转子不平衡力作用下，轴径某一方向（由转子不平衡方向决定）形成位移高点，轴径每转一周，位移高点都要经过油膜最薄处一次，由于轴径其他方向油膜较厚，油膜较薄处黏滞剪切力大于较厚处，从而造成轴径位移高点方向摩擦发热量较其他方向大，形成“热点”，使轴径产生径向不对称温差。

因5#X 振动在机组3000 r/min 空负荷及带负荷下振幅及相位角均相同，5#、6#瓦瓦温及回油温度相差不大，且查阅安装数据5#瓦侧隙

图2 3000 r/min 空负荷状态下振动图谱

图3 满负荷状态下振动图谱

3.2.4 5#X 振动大故障判断及确认

3.2.4.1 转子初始弯曲、热弯曲及永久弯曲

（1）经查询机组安装数据，最大弯曲值为0.015 mm，且机组在盘车状态下偏心值不大于0.015 mm，故可排除初始弯曲。

（2）5#瓦振动在机组空负荷及满负荷下相位角一致，振幅值及顶隙均在标准范围内，故可排除该故障。

3.2.4.5 动静碰磨

在汽轮发电机组运行中，转子与静子之间的碰磨是最常见的故障。导致动静碰磨的原因很多，例如转子质量不平衡、转子不对中、转子弯曲等。碰磨故障中主要有3 种物理现象：碰撞、摩擦以及轴系刚度的改变。发生动静碰磨故障后，从碰磨情况出发，主要有以下轴心轨迹特征[3]：①如果是整周碰磨故障，轴心运动轨迹会呈现出圆形或者椭圆形，并且轨迹往往较为紊乱；②如果是单点局部碰磨故障，轴心运动轨迹会呈现出内8 字形；③如果是多点局部碰磨故障，轴心运动轨迹呈现出花瓣形。

由图2、图3 的轴心轨迹及波特图可知，不存在动静碰磨故障。

3.2.4.6 转子不平衡

由图2、图3 及不平衡离心力的振动特征分析可知，造成5#X 轴振大的原因为发电机转子不平衡离心力大。

3.3 5#瓦X 向振动大故障处理

平衡故障的处理方式是进行动平衡，消除不平衡带来的振动，使旋转设备的振动值小于允许范围。

3.4 动平衡后各瓦振动情况

在低发对轮发电机侧联轴器0°和36°各加重174 g，合成角度和重量分别为18°和348 g（理论计算值为在15°配重348 g），5#X 轴振最大为68 μm，降至优良值以下。

4 结语

该电厂汽轮发电机组自基建安装后第一次冲转至3000 r/min及机组并网后均存在5#X 轴振大问题，但瓦振值优良，就地检查轴承座基础稳定无异常，通过分析TDM 上频谱图、轴心轨迹、时域波形图、波特图等振动趋势图，发现5#X 轴振主频为工频振动，轴心轨迹为较为规则的椭圆形状，波形为稳定正弦波，且相位角在空负荷、半负荷及满负荷均为229°左右，再结合机组安装时联轴器及轴瓦安装记录，可确认引起5#X 轴振大的原因为发电机转子不平衡离心力大，通过在5#瓦侧联轴器处加配重，解决了5#X 轴振大问题，为此类机组异常振动诊断及处理提供参考。