330 MW汽轮发电机转子振动突升问题的分析

姜连轶

(大唐东北电力试验研究所有限公司， 长春 130012)



330 MW汽轮发电机转子振动突升问题的分析

姜连轶

(大唐东北电力试验研究所有限公司， 长春 130012)

针对某电厂发电机转子带负荷后振动大，并在运行中出现振动突升的问题，通过分析振动特点得出发电机转子的振动突升是由转子线圈膨胀受阻引起。经处理后，振动问题得到解决。

汽轮发电机； 转子； 膨胀受阻； 振动突升

汽轮发电机是电力生产中的重要设备，其安全稳定运行对发电企业至关重要；而发电机转子振动是汽轮发电机工作状态是否正常的重要依据。随着火电机组单机容量不断增大，转子振动带来的危害也随之增加，特别是运行中的振动突升，可能导致设备损坏和长时间停机。因此正确认识发电机转子振动突升的原因对振动处理和机组稳定运行意义重大。笔者针对某发电厂330 MW机组发电机转子运行中的振动突升现象进行了分析，并针对性处理后，振动问题得到了彻底解决。

1 机组概况

该发电厂的2号机组汽轮机为亚临界、一次中间再热、三缸双排汽、N330-17.75/540/540型汽轮机，配套的发电机为QFSN-330-2型水氢氢内冷发电机。机组轴系由高压转子、中压转子、低压转子及发电机转子构成，励磁滑环和励磁风机安装在发电机转子悬臂端。为增加悬臂端的稳定性，发电机转子末端通过对轮与一个由单个稳定轴承支撑的短轴连接。所有转子均采用刚性连接。各转子均采用两轴承支撑，1、2、3、4号轴承为高、中压转子轴承，采用落地式轴承形式；5、6号轴承为低压转子轴承，轴承箱与低压外缸为一整体；7、8号轴承为发电机转子轴承，采用端盖式轴承形式；9号轴承为励磁悬臂端稳定轴承，采用落地式轴承形式。发电机转子绕组采用氢气冷却，转子线圈与定子相应地形成“四进五出”9个风区。轴系所有振动测点均安装在轴承上，测量转子的相对振动。机组轴系示意图见图1。

图1 机组轴系

2 发电机转子振动问题

2.1 带负荷后振动问题

该机组2009年投产后长期存在着发电机转子振动大的问题(7x、8x方向)。发电机转子振动现象为：(1)定速未带负荷时转子振动正常，带负荷后振动增加，7x、8x方向振动最大达到170 μm左右；(2)7x、8x方向振动变化趋势同步一致；(3)振动成分以一倍频为主；(4)振动升高后未随负荷的下降而立即减少，经过一段时间运行在某次带大负荷后振动会突然下降；(5)停机惰走过临界时振动明显大于启动过程；(6)机组多次启机振动情况相似，重复性较好。

2.2 振动突升问题

2014年7x、8x方向振动多次发生异常变化，情况见表1。

表1 发电机转子通频振幅突变情况

观察全年7x、8x方向振动频谱图，均以一倍频为主，二倍频和低频所占比例极小(以2014年6月27日270 MW工况为例，见图2、图3)；缓慢改变机组负荷对振动影响并不明显，但每次振动突变，无论突升还是突降都发生在负荷的大幅增长后。

图2 发电机转子7x方向轴振动频谱图

图3 发电机转子8x方向轴振动频谱图

3 发电机转子振动原因分析

3.1 带负荷后振动问题分析

发电机转子带负荷后振动以一倍频成分为主，属于强迫振动。启动过临界和空负荷时机组振动正常，带负荷后振动随负荷增加而增加，因此判断转子产生了热不平衡。发电机转子热不平衡原因有转子材质不均、转子线圈匝间短路、冷却风道堵塞和转子线圈膨胀受阻[1]。由于转子带负荷后振幅上升，但没有随负荷下降而下降，因此可以排除转子材质不均；运行中通过改变励磁电流试验，振动幅值变化与励磁电流变化无明显对应关系，且通过绝缘检查也排除了转子线圈存在匝间短路的可能；运行过程中进行改变氢气温度的试验，对发电机转子振动没有产生影响，可排除冷却风道堵塞的可能；根据振动在带负荷后增加，没有随负荷的减小而下降，但在某次带大负荷后转子振动会突降的现象判断发电机转子振动是由线圈膨胀受阻引起。线圈与绝缘槽表面产生摩擦，阻碍线圈正常膨胀，转子产生了附加的不平衡质量，引起一倍频振动增加；当机组负荷下降后，摩擦仍然存在，转子不能恢复到带负荷前的平衡状态，振动仍保持较高值；当出现较大负荷后转子线圈产生较大的轴向膨胀，克服与绝缘槽表面的摩擦力，膨胀受阻现象逐步缓解，转子振动随之减小[2]。

3.2 振动突升问题分析

能够引起发电机转子振动突变的原因有油膜涡动或油膜振荡，动静碰摩，转子裂纹，转子线圈膨胀受阻[3]。

根据7x、8x方向振动以一倍频为主，低频所占比例极少，可排除油膜涡动或油膜振荡；根据2014年机组振动现象可逆，并多次重复，可排除内油挡等动静间隙较小处发生碰摩的可能[4]；7x、8x方向的振动可重复，也可排除轴裂纹的可能[5]。

转子振动突升后改变机组功率对转子振动影响并不明显，在某次发电机功率大幅变化后振动会逐渐减小，这符合发电机转子线圈膨胀受阻的振动特征。但以往的转子线圈膨胀受阻引起的振动是在并网后随负荷的增加而升高，该发电机转子振动会在带大负荷后突升，以2014年11月12日振动突升为例，见图4。

图4 振动突变与负荷的关系

该发电机转子在带大负荷后振动增加，很显然是产生了新的不平衡质量。通常转子线圈膨胀受阻都是存在单个膨胀受阻点，当该膨胀受阻点消失后，不平衡质量引起的振动就会下降，但当转子线圈同时存在两个或多个膨胀受阻点，且产生的振动在空间上以反向分量为主的时候，现象将截然不同。例如转子存在A、B两个由线圈膨胀受阻产生的热不平衡质量，且引起的振动在空间上以反向分量为主，当转子带大负荷后，引起A热不平衡质量的膨胀受阻点克服摩擦力后热不平衡质量消失，这时热不平衡质量B就凸显出来，现象为转子振动突升。同时热不平衡质量B也具有转子线圈膨胀受阻的特征，当机组带大负荷后振动就会逐渐缓解。

该发电机转子振动突变时一倍频的变化情况见表2。根据变化量性质可以看出7x、8x方向一倍频振动变化可归纳为两类：一类以同相分量为主，另一类同时包含同相分量和反向分量。这是由于转子同时存在两个线圈膨胀受阻点，其中一个膨胀受阻点产生以同相分量为主的振动，另一个膨胀受阻点产生包含同相分量和反向分量的振动。任何一个膨胀受阻点克服阻力后，转子的振动就发生突增现象。

表2 振动一倍频突变情况

4 对振动问题的处理

该发电机转子2015年5月返制造厂解体检修，分别在汽端和励端护环处发现线圈和绝缘槽的挤压摩擦痕迹，制造厂更换了转子线圈的绝缘槽和楔下垫条，并对转子进行了高速动平衡。机组检修结束后于2015年6月启动，发电机转子冲转、定速和带负荷后振动稳定在合格范围以内，未出现振动突升或突降的现象(见表3)。

表3 返厂检修后转子振动通频幅值

5 结语

(1) 转子线圈存在膨胀受阻是发电机转子在带负荷后振动上升的原因之一。当机组带负荷后，由于线圈膨胀不对称，产生了不平衡质量。

(2) 发电机转子出现的振动突升是由于转子线圈存在两个膨胀受阻点，且两个不平衡质量所引起的振动在空间上以反向分量为主，当某一个膨胀受阻点克服摩擦力后破坏了转子平衡，导致振动突升。通过更换线圈挤压摩擦部位的绝缘槽和楔下垫条消除膨胀受阻后，振动突变现象消失。转子解体检修后应进行高速动平衡，以消除更换备件和安装误差对转子平衡状态的影响。

[1] 寇胜利,张学延. 汉川电厂2号汽轮发电机振动诊断和处理[J]. 中国电力,1998,31(10): 30-34.

[2] 寇胜利. 汽轮发电机的热不平衡振动[J]. 大电机技术,1998(5): 12-18.

[3] 张学延,张卫军,王延博. 汽轮发电机转子突发性振动问题分析[J]. 中国电力,2001,34(12): 11-15.

[4] 杨建刚. 旋转机械振动分析与工程应用[M]. 北京: 中国电力出版社,2007.

[5] 陆颂元. 汽轮发电机组振动[M]. 北京: 中国电力出版社,2000.

Cause Analysis on Sudden Rise of Rotor Vibration in a 330 MW Turbo-Generator Set

Jiang Lianyi

(Datang Northeast Electric Power Test & Research Institute, Changchun 130012, China)

To reduce the excessive vibration of a loaded generator rotor and to avoid the sudden rise of vibration during operation period, an analysis was conducted on the vibration characteristics, which was found to be caused by hindered expansion of rotor winding. The problem has been solved after relevant countermeasures were taken.

turbo-generator; rotor; hindered winding expansion; sudden rise of vibration

2016-05-30；

2016-08-05

姜连轶(1980—)，男，工程师，主要从事汽轮机转子振动监测及故障诊断工作。

E-mail: Lanng_jiang@163.com

TK268.1

A

1671-086X(2017)02-0121-03