汽轮机低压转子叶片脱落故障振动特征分析

辛士红，袁 海，吴兴燕，俎海东

（1.内蒙古电力（集团）有限责任公司内蒙古电力科学研究院分公司，呼和浩特 010020；2.内蒙古电力（集团）有限责任公司蒙电项目建管分公司，呼和浩特 010020；3.内蒙古电力（集团）有限责任公司培训中心，呼和浩特 010020）

0 引言

在双碳战略目标背景下，清洁能源装机量和发电量占比不断增加，火电机组积极开展转型升级，节能降耗改造、供热改造和灵活性改造的三改联动逐步推进，以满足节能降耗和消纳风电、光伏等清洁能源的要求[1-2]。然而火电机组实施的各种改造和快速启停、深度调峰等灵活性运行方式使得汽轮机设备运行偏离了原有的设计工况[3-4]，安全可靠性降低、故障频次增多、故障严重程度增大，其中汽轮机低压转子末几级叶片脱落故障就是典型故障之一[5]。本文针对汽轮机转动部件脱落故障归纳了故障过程振动趋势的变化特征，并以某300 MW 汽轮机低压转子汽侧次末级叶片脱落故障为案例，进行故障发生前后及故障发生过程中机组轴系振动分析，总结了该类典型故障的振动趋势和振动数据特征，为其他机组类似故障的振动分析和诊断提供参考[6-11]。

1 机组概况

某电厂300 MW机组汽轮机为哈尔滨汽轮机厂有限责任公司生产的CZK/300/350-24.2/566/566/0.4型超临界、单轴、双缸双排汽、中间再热、直接空冷、采暖供热抽汽式汽轮机，发电机为哈尔滨电机厂生产的QFSN-350-2型水-氢-氢冷却发电机。机组轴系由高中压转子、低压转子和发电机转子组成，轴系由1 号轴承箱内的推力轴承定位，由6 个径向轴承支撑；高中压转子、低压转子和发电机转子间均采用法兰式刚性联轴器连接，构成了轴系。机组轴系结构和支承情况如图1所示。

图1 机组轴系结构和支承情况示意图Fig.1 Schematic diagram of the shafting structure and support of the unit

2 故障过程

某日07：00，机组负荷261 MW，各项运行参数正常；07：06，机组轴系各轴承处振动均突升，随后稳定在突升后高值，其中低压转子3 号、4 号轴承处振动幅值变化最大；机组快速降负荷至175 MW，轴系各轴承处振动无明显变化；随后机组正常滑参数停机，机组投入连续盘车后盘车电流、转子惰走时间等技术参数均正常。最终对机组低压缸进行检查，发现低压转子汽侧次末级叶片断裂，断裂位置为自叶片根部平台上方约20 mm 处，叶片下半部分仍镶嵌于叶根槽内，上半部分脱落掉入下缸内，并将相邻的多片次末级叶片和末级叶片击打损伤。低压转子汽侧次末级叶片断裂位置和脱落部件如图2所示。

图2 低压转子汽侧次末级叶片断裂位置和脱落部件Fig.2 Fracture position and detached components of the penultimate blade on the vapor side of the low-pressure rotor

3 振动趋势分析

机组故障过程中低压转子3号、4号轴承处振动趋势如图3 所示。轴系各轴承处振动特征主要如下：

图3 机组故障过程低压转子3号、4号轴承处振动趋势图Fig.3 Vibration trend diagram of bearing 3 and bearing 4 of low-pressure rotor during the fault process of the unit

（1）机组轴系各轴承处振动（轴振、座振）均同时发生不同程度突增，其中低压转子两端轴承处振动突增幅值最大。

（2）故障前机组轴系各轴承处振动相对稳定；故障过程中各轴承处振动幅值均在1～3 s突增，随后经2 min 左右过渡，稳定在某一数值后不再明显变化。

（3）故障后机组轴系各轴承处振动相对稳定，不随机组负荷、润滑油温度等相关运行参数变化而明显变化[12-17]。

4 振动数据分析

机组故障过程中各轴承处振动数据变化情况见表1。分析其主要特征如下：

表1 机组故障过程中各轴承处振动数据变化情况Tab.1 Changes of vibration data of each bearing during the fault process of the unit

（1）各轴承处振动均明显变化，其中低压转子两端轴承处振动变化最大，相邻的高中压转子和发电机转子两端轴承处振动变化相对较小。

（2）故障前振动主要以1倍频振动分量为主，1倍频振动分量幅值、相位均相对稳定；故障后振动也主要为1 倍频振动分量，1 倍频振动分量幅值、相位均相对稳定。

（3）振动变化主要为1倍频振动分量变化，1倍频振动分量幅值、相位均不同程度变化。

（4）低压转子两端轴承处振动幅值、1 倍频振动分量变化最大，相邻高中压转子和发电机转子两端轴承处振动幅值、1倍频振动分量变化相对较小。

（5）低压转子两端轴承处振动同相分量、反相分量均明显变化，其中反相分量变化较同相分量变化数值大。

（6）高中压转子两端轴承处振动同相分量、反相分量均变化，其中反相分量变化较同相分量变化数值大。

（7）发电机转子两端轴承处振动同相分量、反相分量均变化，其中同相分量变化较反相分量变化数值大。

5 故障振动特征分析

从汽轮发电机组转动部件脱落故障引起振动的机理分析，主要是当转动部件脱落发生时轴系的平衡状态突变，从一个平衡状态快速改变为另一个新的平衡状态，与平衡状态相对应的振动也随之变化。但需要说明的是振动变化指的是振动矢量变化，包含振动幅值和相位，而非单指振动幅值[7]。

上述汽轮机低压转子汽侧次末级叶片脱落故障，属于低压转子跨内转动部件脱落；从转子振动机理看，相当于低压转子跨内部分失衡引起的振动响应，其振动响应具有转子跨内失衡的特点，有别于低压转子、发电机组转子跨外低发联轴器转动部件脱落故障[18-22]。

分析总结上述汽轮机低压转子汽侧次末级叶片脱落故障振动特征主要如下：

（1）从机组轴系振动趋势看，故障发生前各轴承处振动相对稳定，故障发生时各轴承处振动（轴振、座振）均同时快速突变（在数秒内变化），故障发生后经过一个短时间的过渡过程振动基本稳定在一个新的状态，且振动不随机组负荷、润滑油温度等相关的运行参数变化而明显变化。

（2）从机组轴系振动数据看，故障发生前各轴承处振动以1 倍频振动分量为主，振动通频幅值、1倍频振动分量幅值和相位相对稳定；故障发生时振动变化主要为1 倍频振动分量变化；故障发生后振动以1 倍频振动分量为主，振动通频幅值、1 倍频振动分量幅值和相位稳定在一个新的状态。

（3）从机组轴系各转子振动数据变化看，低压转子跨内转动部件脱落故障发生后低压转子两端振动矢量变化较大，相邻转子振动矢量变化相对较小。

（4）从机组轴系各转子振动数据同相分量和反相分量变化看，低压转子汽侧次末级叶片脱落故障发生后低压转子两端振动矢量同相分量与反相分量均变化，其中反相分量变化较同相分量变化大；高压转子两端振动矢量反相分量变化较同相分量变化大；发电机转子两端振动矢量同相分量变化较反相分量变化大。

汽轮发电机组转动部件脱落故障，一方面部件脱落发生突然，导致轴系振动状态会突变，振动状态具有突变的明显特征；另一方面部件脱落势必造成轴系平衡状态改变，振动状态改变主要为1 倍频振动分量的改变，个别情况会因间接引发其他故障而导致非1倍频振动分量变化。汽轮发电机组轴系不同位置部件脱落失衡会引起轴系不同的振动响应，对于轴系某一转子主要分为跨内部件脱落失衡引起的振动响应好跨外部件脱落失衡引起的振动响应。汽轮机低压转子汽侧次末级叶片脱落故障对于低压转子为跨内部件脱落失衡引起的振动响应，因为汽轮发电机组工作转速3000 r/min 处于低压转子一阶和二阶临界转速之间且接近二阶临界转速，所以振动响应主要为反相分量；对于高中压转子为跨外部件脱落失衡引起的振动响应，因为3000 r/min 处于高中压转子一阶和二阶临界转速之间且跨外不平衡主要激发高中压转子二阶振型，所以振动响应主要为反相分量；对于发电机转子为跨外部件脱落失衡引起的振动响应，因为3000 r/min处于发电机转子二阶和三阶临界转速之间且跨外不平衡主要激发发电机转子三阶振型，所以振动响应主要为同相分量[11]。

6 结语

本文以汽轮机低压转子汽侧次末级叶片脱落故障典型案例为对象，研究了故障发生前后及过程中机组轴系振动趋势和振动数据，分析总结了故障发生过程机组轴系振动趋势和振动数据的变化特征，为机组频发的汽轮机低压转子转动部件脱落故障分析及诊断提供参考，对机组类似故障的快速、精确诊断具有重要意义。