背压汽轮发电机组轴承振动原因分析及处理

阎志敏

摘 要：介绍了引起汽轮发电机组轴承振动的各种可能因素，依据某项目汽轮发电机组启动试运过程中轴承发生的各种振动现象，分析了造成振动的原因，并提出了解决方法。

关键词：背压汽轮发电机;轴承振动;综合处理

中图分类号：TM311 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）18-0068-02

汽轮机作为高速旋转的机械设备，轴承振动指标的好坏是决定机组是否可以安全运行的关键参数。但在实际工程中，经常发生由于汽轮发电机组轴系振動不能正常运行的情况，引起其振动的原因是多方面的，主要与机组本身设计和制造、施工安装及运行维护水平有关，但实际发生的轴承振动现象不是单一的，只有在机组制造和安装过程实施综合质量的把控，才能防止问题的出现。

1 故障的发现及经过

2016年我公司承担的某项目2#汽轮发电机组进入试运行阶段，但由于3#轴承和4#轴承振动超标，机组启动试用过程持续7月之久，试用启动次数达十多次。该项目2#汽轮发电机组为25MW背压式机组，机组四个轴承X方向与Y方向均安装有美国本特利BENTLY轴振测量系统。以下为其中八次启动情况介绍：

2016年3月17日机组第一次启动，各项检查正常后开始暖机、冲转、升速，并网后带负荷0.8MW，运行基本稳定。但1#轴承（汽轮机前轴承）和3#轴承（发电机前轴承）轴振值偏高，分别为107um和112um。

2016年5月03机组第二次启动，冲转定速后，1#轴承（汽轮机前轴承）和3#轴承（发电机前轴承）轴振值偏高，分别为109um和124um。

2016年5月30日停机复查对轮后第三次启动，定速后#1、#3轴瓦振动为109μm和122μm，复查前后振动值变化很小，没有好转。

经过检查调整后于6月24日第四次启动，顺利并网运行12小时后，各轴承的振动突然异常并快速上升，最终不得不打闸停机。

6月27日第五次启动，冷态下暖机、并网直到带初负荷，各轴承振动情况均良好。停机后进行热态启动，定速后未见异常，当升压准备并网时，发现随着发电机电压升高，所有轴承振动逐渐增大，特别是3#瓦和4#瓦振动上升较快。

7月17日现场进行了发电机转子动平衡试验后，第六次启动并定速3000转时，#3瓦轴振（X：21.8μm;Y：19.1μm），#4瓦轴振（X：70.5μm;Y：56.0μm），加励磁后#3、4瓦轴振均开始变大，4瓦报警，带负荷3MW时，#3瓦轴振为（X：88.4μm;Y：45.8μm），#4瓦轴振（X：140.3μm;Y：87.7μm），振动还有上升趋势。后打闸停机，半小时后进行第七次启动，定速后#3瓦轴振（X：21.8μm;Y：19.1），#4瓦轴振（X：70.5μm;Y：56μm）。再次加励，#3瓦轴振为（X：103.2μm;Y：55.0μm）和#4瓦轴振为（X：139.5μm;Y：90.0μm），情况没有任何改观，振动仍有上升趋势。

8月25日#2机发电机返制造厂，9月25日#2发电机转子返厂回来，第八次启动。定速初期，整个轴承系统各瓦振动良好（比初次启动要好，同时在升速过程中发电机热临界2400r振动突变也没有出现），加励过程中也未见振动有明显变化。但6小时后#3和#4瓦轴振动又开始缓慢增大。

2 汽轮发电机组常规振动类型及产生的原因

引起汽轮发电机组异常振动的主要原因是多方面的，本文仅罗列了可能与本项目机组振动现象相关的原因。主要包括：轴瓦自激振动力、发电机电磁力、转子不平衡及制造缺陷等。

2.1 轴瓦自激振动

轴瓦自激振动是现场较常见的一种振动现象，主要发生在机组启动升速过程中，当转速上升到某一值时，突然发生轴瓦振动增大。

轴瓦自激振动主要表象为发生强烈振动时，振幅突然增加，振动频率为组合频率，次谐波较丰富，且与转子的一阶临界转速相等的频率的振幅接近或超过基频振幅。工作转速高于第一临界转速的2倍时才发生强烈振动，振荡频率等于转子的第一临界转速，并且不随工作转速的变化而变化，只有工作转速低于2倍第一临界转速后，剧烈振动才消失。

2.2 发电机电磁力诱发的振动

发电机电气电磁力原因引起的振动主要分为两类，一类是由于电磁热原因引发的发电机转子热变形，此类原因会使机组产生1倍频振动;另一类是不对称电磁力激起的振动，表现为随着励磁电流的增加而增大，此类原因会使机组产生2倍频振动。常见的不对称电磁力振动主要有匝间短路、冷却回路不畅、三相负荷不对称、线圈膨胀受阻、电磁谐振及定子铁心振动。

匝间短路主要会引起不对称电磁力，从而激发出1倍频、2倍频及4倍频振动;冷却回路不畅会使转子产生1倍频振动;三相负荷不对称会引发二倍工频振动;线圈膨胀受阻引发的振动会迅速增大，振动随着电流增加而增大，但如果电流继续增加且膨胀达到一定程度时，振动反而会下降。电磁谐振的现象是转子振动幅度随着有功功率和励磁电流的增减而增减，且对负荷的变化非常敏感。定子铁心振动特点是如果去除励磁，定子振动随即消失。

2.3 转子质量不平衡引起的振动

转子质量不平衡是指在制造和使用中，由于材料的不均匀和设计、制造及安装的偏差，转子的惯性主轴与旋转轴线不在同一中心上。在转子转动中，偏心质量产生的离心力传递到转子的支撑轴承上将产生振动[1]。

转子质量不平衡振动在运行过程主要表现以基频（1X）为主，同时伴有较小的高次谐波，整个频谱呈所谓的“枞树形”。当转速不变时，其振幅和相位是稳定的，且不随负荷变化而变化。转子质量不平衡振动现场，在多次启动过程中振动有再现性。

2.4 轴瓦刚度不够引起的振动

汽轮发电机轴瓦承担转子重量和不平衡重量产生的离心力，保证转子中心与汽缸中心的一致，保持动静部分正常的间隙。

轴承刚度分为连接刚度和结构刚度，一般成熟机组结构钢度不会有太大的问题，而连接刚度是引起轴瓦振动的主要原因，包括基础、台板及基础连接螺栓的钢度不够都会引起的振动[2]。

3 故障分析及处理

在多次启动试运过程中，都出现不同的振动现象，可以說明引起振动的原因是多面的，现场从各种现象中分离出可能的引发的原因，按下面方法逐一处理，最终解决了相关的问题。

3.1 消除转子匝间短路处理措施

匝间短路会引起磁通的不对称，从而使转子受力不平衡引起转子振动。试运期间几次启动升速开始过程中振动变化均不太大，都在合格范围内，但启动定速后只要开始升压加励，振动值就会明显升高。根据以上现象，现场主要采用动态交流阻抗法检查了匝间是否有短路[3]，同时更换了新的旋转二极管，为了排除热态时匝间短路，在发电机转子返厂期间，将转子加热到了工作温度，再次测试，并未发现转子匝间短路现象。调整后机组重新启动，轴振动仍偏高，问题没有得到解决。

3.2 消除转子质量不平衡处理措施

在机组几次冷态启动过程中，开始并网阶段轴的振动值还在合格范围内，但随着机组运行时间的增长，机组的轴振动值会逐步升高，直到最终被迫停机。鉴于以上现象，现场主要从消除转子热变形或质量不平衡来解决问题。在第六次启动前，在检查了平衡块是否有松动后，现场进行了转子动平衡试验，并调整了部分平衡块。为了彻底杜绝不平衡的影响，对发电机进行了返厂，分别做了冷态和热态动力平衡，并把相关数值调整到优秀范围内。调整后机组启动，轴振动情况确定有所好转，但没有根本解决问题。

3.3 消除轴瓦刚度不够的因素

汽轮机轴瓦及支持结构刚度不够，也会引起振动。本项目汽轮发电机组是某汽轮机厂成熟产品，同类机组均采用相同的制造图纸，且有多台机组运行的业绩，可以排除由产品刚度不足的因素引起的机组振动。

3.4 消除安装引起的因素

根据上面监测的各种图形可以看出，时域波形为正弦波，径向振动较大。轴心轨迹为椭圆形。频普波形图中基频有稳定的波峰，谐波能量主要集中于基频，其它X倍频振幅较小。在振动频率小于固有频率时，基频振幅随转速增加而增大;当振动频率大于固有频率时，转速增加但振幅逐渐趋于一个相对较小的稳定值。

综合以上波形特征，振动主要产生于基频，可以判断轴与轴承间隙较大，有轻微的不对中;转速上升到某一值时，振动突然增大，可能有轴瓦自激振动现象;热态时，振动又存在不确定性，说明轴瓦调整不够，承载后有变形的可能。

根据每次启动出现的不同振动现象，而且振动现象随着启动时间及启动条件的不同而改变，最终确定的对安装质量进行全面复核检查，主要从以下几个方面来处理和调整：

（1）检查发电机的定、转子安装尺寸及间隙;（2）检查各轴承层结合面的接触面积是否符合要求，确保径向轴承两球面接触面积≥70%，轴承中分面间隙≤0.05;（3）复核调整轴承的紧力间隙，固定螺钉松动，基础不牢固等;（4）复核联轴器的中心。

通过对以上各项调整，恢复后机组冲转启动并网，各项指标良好，达到安全运行的要求，问题得到解决。

4 结语

单一因素引起的机组振动都比较容易处理，但多因素引起，甚至是微小因素叠加引起的机组振动处理起来比较困难，需要花费大量的人力和财力。因此注重全过程质量管理可防患于未然，在设备的设计、制造、安装及试运过程中严格质量控制，确保设计、制造及安装参数正负误差满足相应的要求，才能为机组一次启动成功奠定基础。

参考文献

[1] 程珩.旋转机械轴心轨迹故障诊断[J].太原理工大学学报，2003，34（5）：552-554.

[2] 王进.由于轴瓦支撑刚度低造成的汽轮机过临界振动大[J].科技信息，2012，17：85-86.

[3] 张宁.汽轮发电机转子绕组动态匝间短路的检测[J].东方电机，2010，3：69-73.