某亚临界600MW机组励磁机转子振动分析及处理

赵 鑫 冀丰强 张 丰 崔彦亭

（1.天津大唐国际盘山发电有限责任公司，天津 301900；2.大唐华北电力试验研究院，北京 100043）

0 引言

某机组为哈尔滨汽轮机有限责任公司和哈尔滨电机有限责任公司引进美国西屋公司技术生产的600 MW汽轮发电机组。汽轮机型号为N600-16.7/537/537-I，发电机型号为QFSN-600-2YH，励磁机型号为WJL-2442-8。如图1所示，机组轴系由高压转子、中压转子、两根低压转子、发电机转子、励磁机转子组成，其中高、中、低压转子均为双支撑结构，发电机和励磁机转子为三支撑结构，励磁机转子支承于励磁机11号轴承上，其他转子各自支承于两个径向轴承上，整个轴系有11个轴承。发电机轴瓦为两瓦块可倾瓦，励磁机末端轴瓦为四瓦块可倾瓦。

图1 机组轴系示意图

2019年5月，11号轴承轴振开始出现爬升，10号轴承轴振由130 μm增大至137 μm，11号轴承轴振由90 μm增大至123 μm。6月、8月受两次线路跳闸影响，10号轴承轴振增大到150 μm，11号轴承轴振增大到185 μm。至2020年4月，机组稳定运行中11号轴承轴振达210 μm，怀疑线路单相接地和快速重合闸对发励联轴器产生冲击，并使其对中状态劣化。7月停备期间对发励联轴器及螺栓进行检查，未发现异常，11号轴承标高抬高500 μm。2020年8月3日启动定速后，10号轴承轴振150 μm，11号轴承轴振61 μm，9月1日停机检修前11号轴承X向轴振升至105 μm。

11月A修启动过程中，通过发电机二阶临界转速时，10号、11号轴承轴振最高可达430 μm，并网后多次因振动原因停机处理，给机组的安全运行带来了极大压力。通过对长期振动数据进行排查分析，确定此振动由发励联轴器止口间隙超标引起，最终于2021年10月采取发电机转子高速动平衡、发励联轴器止口补焊等措施处理，此后启动过程中临界转速时10号、11号轴承轴振降低至70 μm，稳定运行中10号轴承轴振91 μm，11号轴承轴振64 μm，这一长期困扰电厂的技术难题得到解决。

1 A修启动后振动不稳定原因分析及处理

1.1 振动情况

2020-11-29T18：31，机组第一次冲车时定速达到3 000 r/min，10X轴振116 μm，10Y轴振117 μm，11X轴振169 μm，11Y轴振212 μm，振动有缓慢爬升趋势。19：02，振动开始快速爬升；19：04，11Y轴振快速爬升至368 μm，运行打闸，如表1所示。现场检查发现11瓦两侧下瓦块的球面垫块分别磨损500、600 μm，对其分别补偿300、400 μm。

表1 2020年A修后启动过程中振动情况

12月2日，机组第二次冲车，19：56定速时11号轴承X向轴振110 μm、间隙电压-9.6 V，Y向轴振70 μm、间隙电压-10.0 V，并有缓慢爬升趋势。12月3日03：38，11号轴承X向轴振升至160 μm、间隙电压-10.3 V，Y向轴振190 μm、间隙电压-10.7 V，如表1所示。严密性试验转速降至临界转速时，11号轴承X向轴振550 μm，保护动作。

1.2 振动原因分析及处理

A修后11号轴承振动主要表现为稳定转速下不同程度的持续性上涨，早期西屋型亚临界600 MW机组存在励磁机转子轴承振动爬升和不稳定振动问题，其主要原因为：励磁机11号轴颈晃度较大和发励联轴器连接螺栓紧力不足[1]。本次A修中为处理振动问题将发励联轴器中心按标准调整同心度在0.03 mm以内，发励联轴器螺栓全部更换并增加螺栓紧力至2 000 N·m，故可排除上述原因。

从振动特征看增加量主要是工频分量，相位变化27°，由此判断存在碰磨故障；同时11号轴承X、Y向间隙电压绝对值分别增大0.7 V。间隙电压绝对值增大，11号轴承标高下降，由此推断碰磨故障只是振动爬升的表象，主要原因是转子下沉导致碰磨，轴颈摆动大，存在一定的甩尾现象[2]。12月3日，现场检查发现11号轴承油挡顶隙约700 μm，下间隙为0，球面垫块磨损且出现裂纹，如图2所示。安装时油挡顶隙为150 μm，可知标高下降550 μm，主要由球面垫块磨损引起，其原因为球面顶丝与垫块接触面积较小，球面垫块局部受力，容易发生磨损，过临界时轴振严重超标，球面顶丝与垫块接触面受力增大，加剧了磨损劣化[3]。

图2 球面垫块磨损及裂纹

该机组发电机、励磁机转子为三支撑结构，这种支撑方式下尾部轴承标高变化、发电机二阶不平衡和励磁机本身不平衡对励磁机振动影响都比较大[4]。12月3日，根据检查情况更换球面顶丝、垫块，按制造厂要求将下张口恢复至250 μm；由于11号轴承振动稳定性差，多次发生振动爬升现象，为有效控制振动，在励磁机平衡槽位置加重100 g。12月4日机组再次启动并网后，11瓦轴承轴振基本稳定在40 μm左右。

2 运行中振动持续上涨原因分析及处理

2.1 振动情况

2021年7月20日，由于11号轴瓦磨损振动持续增大，利用停备机会进行检查处理。8月7日启动后根据振动情况在励磁机转子两端反对称分别加重400 g，启动并网后10号轴承轴振71 μm，11号轴承轴振30 μm，运行中持续缓慢上涨，每次升负荷时振动均出现小幅爬升，降负荷时振动回落但恢复不到爬升前数值。9月10日停机前，10号轴承轴振181 μm，11号轴承轴振91 μm。

由于10号、11号轴承临界振动长期在300 μm以上，怀疑发电机转子二阶振型与励磁机转子一阶振型相互影响[5]，为排除影响，2021年9月19日，将励磁机转子与发电机转子断开冲转，通过发电机转子二阶临界转速时，9号、10号轴承轴振分别为46 μm和96 μm，说明发电机转子二阶振型平衡状态较好，但在2 800 r/min时出现峰值且以二倍频分量为主，如表2所示。

表2 历次启停机过程中2 800 r/min时9号、10号轴承二倍频振动情况

鉴于同类型机组哈尔滨第三发电有限责任公司发电机转子励侧护环下转子与轴柄过渡圆角处曾发生过裂纹事故[6]，怀疑转子异常。10月4日将发电机转子返厂进行高速动平衡，3 000 r/min时9号轴承轴振41 μm，二倍频分量19 μm，10号轴承轴振46 μm，二倍频分量31 μm。转子返厂前9瓦、10瓦定速时二倍频振动如表3所示。

表3 历次定速时9号、10号轴承二倍频振动情况

2.2 振动原因分析及处理

由上述振动情况可知，发电机转子单试和高速动平衡时均存在一定量的二倍频，主要原因为发电机转子由于开槽，在大齿和小齿方向的抗弯刚度有明显的不同[7]；断开励磁机转子后轴系刚度和质量均发生变化，2 800 r/min即1/2三阶临界转速下二倍频振动峰值出现，定速后二倍频振动数值也明显增加。

结合2020年和2021年两次检修处理情况，如表4所示，发励联轴器止口间隙在2020年A修时超出设计值0.027～0.037 mm，2021年检修时超出设计值0.057～0.077 mm，止口间隙明显增大。2020年A修中按标准将发励联轴器中心调整同心度在0.03 mm以内，而止口间隙超出设计值导致修后运行中在离心力作用下出现不同心且不断增大，同时旋转状态下由止口不同心产生的扰动力持续增大导致运行中振动持续爬升[8]，并诱发历次启停机过程中10号、11号轴承在励磁机转子一阶临界时振动超标。

表4 2020年和2021年检修期间发励联轴器止口间隙情况

2019年发生两次线路跳闸，线路跳闸和重合闸时引起的振荡扭矩冲击，在发励联轴器处产生较高的交变扭转剪切应力，作用于联轴器止口并产生剪切损伤，从而导致止口间隙超出设计值，引起振动增大；修后运行中在机组频繁的大负荷变动影响下，产生的扭转剪切应力加速了联轴器止口磨损，表现为运行中振动随负荷升高上涨，负荷回落后振动恢复不到上涨前水平且持续增长的现象。

3 结论

（1）引起励磁机转子振动运行中持续爬升及一阶临界转速振动超标的根本原因是发励联轴器止口间隙超标。

（2）现场采用更换球面顶丝与垫块的措施，解决了机组启动过程中励磁机转子振动不稳定问题。补焊发励联轴器止口、高速动平衡等一系列治理措施实施后，振动长期不稳定问题彻底消除。启动后并网运行中10号、11号轴承未出现振动爬升现象，通过励磁机转子一阶临界时振动均在100 μm以内。

（3）由于两次检修发励组合晃度测量与回装数据都基本保持一致，现场对旋转状态下发励联轴器止口同心度认识不足，给故障根源的准确判断带来了困扰，这是此问题长期得不到解决的主要原因。