发电船用汽轮发电机组振动分析与处理

摘要：振动是汽轮机组故障中较为棘手的难题，这套汽轮发电机组应用于某国外发电船上，在试车过程中，齿轮箱中的大齿轮振动一直超标，已经影响到机组交付运行。采用状态监测技术对某船用汽轮发电机组进行频谱分析和故障辨别，判断出齿轮箱中大齿轮振动的主要原因。之后采取加固公共底盘，更换饶性联轴器等措施后，解决了机组振动异常的问题。

关键词：发电机组；发电船用汽轮；大齿轮；动刚度；饶性联轴器；公共底盘 文献标识码：A

中图分类号：TM311 文章编号：1009-2374（2015）04-0139-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0350

1 设备概况

该设备为汽轮发电机组，中间用齿轮箱驱动发电机。汽轮机与齿轮箱采用挠性联轴器，齿轮箱和发电机采用刚性联轴器连接。齿轮箱中的大齿轮为扭力轴。汽轮机工作转速在5818rpm，工作转速以下有一个临界转速。发电机工作转速在1500rpm，远低于一阶临界转速，因此属于刚性转子。

汽轮机和齿轮箱也是安装一个小的公共底盘，然后和发电机直接固定在大的公共底盘。大的公共地盘底部是弹簧支撑，架设在发电船上。所有公共地盘材料都是钢。其结构图如图1所示：

图1 汽轮机-齿轮箱-发电机结构图 图2 汽轮发电机测点

示意图

该机组在每个轴承上安装了2个电涡流传感器，用于测量转子相对于轴承的轴振动。2个电涡流传感器在其轴承测量面内的安装角度相互垂直。总体分布如图2所示。

2 振动的特征

2.1 振动总体概述

其各振动测点幅值历史趋势如图3所示：

图3 汽轮发电机组各振动测点幅值历史趋势图

图中纵坐标是振幅（um），横坐标是时间（s），747A/B和745A/B对应于大齿轮上的轴振传感器，对应于示意图中6和5位置，5号位置是靠近汽轮机端，6号位置是靠近发电机端。

从上图可以看出：当汽轮机转速在2000rpm之前，机组各个位置轴的振动值合理并保持稳定，当低速暖机结束并且上升途中，齿轮箱大齿轮的振动突然急速上升。尤其是接近3000rpm的时候，靠近发电机端的轴承迅速接近停机值（100um）。其他振动还是处于20um以下，尤其发电机的前后振动值有变小的趋势。当机组停机保护后，5和6号位置振动值还是处于一个高位。现场设备只有测量相对振动的位移传感器，为此先增加测量轴承座绝对振动的加速度传感器。下图是机组各个位置水平和垂直方向的数据，测量单位是mm/sec rms：

图4 机组各个位置轴承座水平、垂直振动值

从图4中我们看出，在汽轮机2000rpm之前，机组各个轴承座振动相对小，到接近3000rpm的时候，整个机组各个轴承座振动迅速增大，出现共振现象。

2.2 大齿轮轴心位置异常

考虑到6的位置相对振动很大，为此特别关注了大齿轮轴轴心位置的变化。如图5所示：

图5 6号位置轴心位置趋势图

汽轮机启动后，大齿轮轴心位置缓慢靠近传感器747A，但只是移动了一点。随后迅速的远离。当转速升到3000rpm时，还是没有改变轨迹，直至跳机。支撑大齿轮的轴承类型是普通二油叶，正常是随着转速增加，微微向上抬起并保持稳定。这样的左右移动轨迹明显被发电机转子拖动。

2.3 发电机前轴承座启停机异常

为了更好地识别振动的来源，增加了速度传感器来监测轴承座的绝对振动。图6是发电机前轴承座的开车停图：

图6 发电机前轴承座开停机图

图6上半部分是幅值和时间的关系，下半部分是相位与时间的关系。从开机整个过程中，整个前轴承座出现了好几个振动幅值波峰，同时相位也是大幅度改变。在发电机停机过程中，振动不是稳定下降，而是突然再次出现增加，来回几次。与此同时，大齿轮的振动也是随之振幅上升。最关键的是观察到发电机转子轴振同步的不断变小，刚好与轴承座的绝对振动幅值相反。

3 振动原因分析

大齿轮振动频谱主要是一倍频成分，发电机转子相对振动随着转速上升减少，轴承座绝对振动刚好相反，而且可重复性强。因此从以下三个方面考虑：

3.1 齿轮箱问题

断开了齿轮箱和发电机的刚性联轴器，打开齿轮箱，检查大齿轮轴和轴瓦之间的间隙、紧力、接触等数值，结果满足合格证要求。对汽轮机和齿轮箱单独开机，运行到额定转速发现各个位置相对振动和绝对振动都是相当小，这样可以排除振动是由齿轮箱产生。

3.2 大齿轮与发电机转子不对中

对齿轮箱和发电机中心进行复测，发现左右中心偏差在0.07mm左右。对于刚性联轴器，根据国家标准，左右偏差要求在0.03mm之内。转子对中偏差的不平衡产生普通强迫振动激振力，导致大齿轮振幅变大。但是之前的机组启动前，中心数据的复测是合格，这让我们怀疑振动来自发电机部分。

3.3 发电机与公共地盘的刚度不够

众所周知，机组的振动增大除了激振力的增加外，还和机组的动刚度减少有关系。

A=P/K

式中：A为振幅；P为激振力；K为动刚度。

3.3.1 发电机连接刚度不够。发电机支撑系统是由定子和公共地盘构成。定子和公共地盘的连接紧密度对发电机的动刚度影响很大。先用速度传感器测量公共地盘和发电机底板的差别振动，左右振动发现非常高。然后把一块百分表座架在公共地盘上，把表头架在与公共地盘相连接的发电机底板上。测量出发电机出现了0.05mm的移动，这是导致大齿轮轴心位置异常的根本原因。仔细检查发电机与基础连接部分发现了以下问题，这些都导致了定子与公共地盘紧力不够：现场外方工程师对螺丝的规格进行了更换；发电机上的2个对角定位销没有安装，外方提供的公共底盘没有对应的销孔；定子与底盘之间垫块没有采用材料是钢的垫块，并且垫块上下表面很光滑。

3.3.2 公共地盘结构刚度不够。当上述问题解决后，再进行了开机测试。振动特征转变如下：机组能够到达额定转速，但是运行较少一段时间后（比如10分钟），齿轮箱振动还是变大，并且汽轮机振动也是迅速上升，机组存在共振现象。

其振动原因整个发电机重量是在45t左右，之前的这种汽轮发电机机组是安装在水泥基础上。而现在这个公共地盘采用了钢结构，钢结构的阻尼远小于水泥基础，并且同样的激振力下，钢结构的振幅比较大，其振动的自由度比较多。

4 采取的措施及效果

为改善机组共振和尽可能减少大齿轮振动，根据现场状况，我们采用的措施从下面两点入手：

4.1 增强公共底盘结构刚度

主要是焊接支撑筋改变原来的结构，另外增加地盘钢板厚度等，目标是尽大可能地提高地盘的静刚度，但是这个方法在现场有一定局限性。

4.2 齿轮箱与发电机更换为饶性联轴器

发电机端是产生振动主要原因，通过饶性联轴器来吸收部分振动能量。

机组各轴承的振动值符合国家表中的良好水平。

2014年8月份对改造后的汽轮机发电机组再次进行了试车，到额定转速后停留了大概1小时，其大齿轮靠近汽轮机的振动值是16.3um、13.6um，靠近发电机端的振动是63.0um、39.2um，试车获得圆满成功。

参考文献

[1] 赵经文，王宏钰.结构有限元分析[M].北京：科学出版社，2001.

[2] 施维新.“旋转机械设备振动检测、分析及故障诊断技术”经验交流会.2013.

[3] Donald E.Bently，Charles T.Hatch.Fundomentals of Rotating Machinery Diagnostics.2002.

作者简介：黄勇（1981-），男，浙江嵊州人，杭州汽轮机股份有限公司工程师，硕士，研究方向：汽轮机组安装调试及振动处理。

（责任编辑：蒋建华）