重型燃气轮机转子启动过程热弯曲故障实验研究

冯永志，孟凡刚，黄延忠，何 鹏，刘占生

(1.哈尔滨电气集团有限公司中央研究院，黑龙江 哈尔滨 150028;2.哈尔滨工业大学 能源科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

0 引言

热弯曲故障是重型燃气轮机典型且易发生的故障，特别是在装备频繁启停过程，转子上下温度存在差异导致启动过程转子发生弯曲，热弯曲严重的话会导致燃机内部转静子发生碰磨故障，酿成严重事故，所以在转子启动过程要明确热弯曲故障机理和特征，便于实时监测诊断。

国内外对于旋转机械转子热弯曲故障研究较为广泛。王仲平[1]根据现场实践经验初步分析了汽轮机转子热弯曲故障发生的原因，认为除了加工制造导致热应力集中外，与转子热不平衡也相关，并给出了转子热弯曲故障辨识方法；张连祥[2]对航空发动机转子热弯曲故障典型特征进行了相关研究，给出转子热弯曲故障具有明显的时间特征，建议发动机在连续启动前做一次冷运行可以有效降低热弯曲引起的转子振动；P.Pennacchi等人[3]对旋转机械的热弯曲故障预估准确性进行了相关研究，以某型发电机转子为例，采用基本统计信息方法评估了热弯曲故障识别结果的准确性；西安交通大学的M Zhuo等人[4]提出了一种可以预测复杂转子热弯曲故障的分析方法，认为通过齿轮来使转速平稳过渡从而降低热弯曲引起的转子振动，并且给出了恰当的操作时间；Qilong Hu等人[5]考虑了由轴承中油膜温差导致的转子热弯曲问题，并认为转子振动是由于热和初始不平衡引起的，减小初始不平衡量会降低轴承表面温差，从而降低热弯曲引起的转子振动；He Peng等人[6]基于实验测得的转子振动位移以及温度变化实现对热弯曲故障的预测，提出了多个拟合模型来描述转子弯曲挠度分布，实验研究表明采用强制冷却方式可以有效缓和转子热弯曲的发生；卓明等人[7]以重型燃气轮机为研究对象，分析了停机过程自然对流下转子截面的温度分布，发现转子停机静止时间足够长温差趋于0，并且探究了停车后最佳静止时间，为燃机启停提供了一定的指导意义；雪伟[8]以实际发电机转子为对象，给出了热弯曲故障分析和处理过程，提供了现场实际解决故障的典型案例；文献[9-11]都针对旋转机械的热弯曲故障特征进行了研究，明确了热弯曲故障诊断依据，提供了可以用于实际工业领域的故障治理对策。

本文以某型实际重型燃气轮机转子为对象，模化设计了拉杆转子，搭建了模化拉杆转子热弯曲故障实验台，获得了转子的一二阶临界转速，采集了存在热弯曲故障时，转子在3 500 r/min下不同运行时间的转子振动数据，对实际机组运行过程热弯曲故障诊断及监测有一定指导意义及参考价值。

1 重型燃气轮机转子模型及模化

本文以某型真实重型燃气轮机为研究对象，见图1所示，整段重燃转子为拉杆结构，两端支承结构等效为弹簧系统，转子共计两部分，分别为前端压气机部分与尾端涡轮部分，其中前端压气机由多个叶片等效轮盘通过拉杆连接，压气机与涡轮两个整体由拉杆连接固定，后端涡轮有三个等效叶片轮盘，两两之间通过螺杆相连。

图1 某型重型燃气轮机转子简化前模型

针对实际模型，进行实验台模化转子的设计，开展重型燃气轮机热弯曲故障实验研究，见图2所示，整个转子为非连续拉杆转子。

图2 实验模化的重型燃气轮机转子

2 重型燃气轮机转子热弯曲故障实验台及实验开展过程

2.1 热弯曲实验台介绍

对于模化的重燃转子来说，两端支承采用滑动轴承结构，利用联轴器与驱动端增速齿轮箱连接，增速齿轮箱由驱动电机驱动，拉杆转子与增速齿轮箱采用柔性连接，形成完整的转子实验台。

图3 重型燃气轮机转子热弯曲故障实验台

为模拟实际重型燃气轮机转子热弯曲故障，人为制造转子热弯曲状态。所使用的加热装置为加热瓦，将加热瓦均匀的贴到加热桶内壁上，如图4所示。

图4 转子热弯曲加热桶(上)及加热桶内部加热瓦局部放大图(下)

实验过程中可由加热控制箱(图5)控制加热温度。加热控制箱有温度反馈系统，当加热温度达到预制温度后停止。实验中将重型燃气轮子放置加热桶中，为实现模拟转子热弯曲状态，只开启加热桶上半部分的加热瓦片，预制温度为120 ℃。当温度达到预制温度后，直接启动电机。

图5 转子热弯曲故障加热控制箱

2.2 热弯曲故障实验

首先将转子放置加热桶中，形成转子热弯曲故障实验台。将加热桶中上半周的加热瓦片通电，设定温度为120 ℃。加热桶中有热电偶温度反馈传感器，待加热温度达到设定温度后，停止加热。

其中转子前后轴承座附近利用电涡流位移传感器采集转子振动时的响应，工控机11、12通道接入的是靠近齿轮箱轴承座附近的传感器，通道13、14对应的是尾端轴承座的传感器。

给轴承通油后立即启动电机，转子转速从0 r/min升至3 500 r/min，得到瞬时达到3 500 r/min时通道11的振动数据，而后维持转子3 500 r/min的转速不变，始终采集转子振动响应，记录转子振动幅值。

3 实验结果分析

3.1 转子升速实验三维谱图

实验过程中利用工控机采集了通道11～14的升速结果，如图6中的(a)、(b)、(c)和(d)所示，记录了不同通道模化的拉杆转子从0 r/min升到3 500 r/min，然后在3 800 r/min附近维持一定时间，最后逐步降速直至转子停止整个过程的三维谱图，其中只关注前5阶的振动响应。从图中可以清晰看出，转子在转1 070 r/min与3 180 r/min附近分别出现了基频峰值，对应该模化转子的一、二阶临界转速，且一阶临界附近的基频振动峰值要高于二阶临界转速附近的基频峰值，之后的二、三、四和五阶均出现较小的振动峰值，表明转子安装对中状态较好。

图6 实验过程四个监测通道三维谱图

3.2 热弯曲实验不同时间采集的振动数据

由于通道11～14振动规律变化相同，所以此处以实验台前轴承座(靠近齿轮箱)的通道11数据为例，给出转子在3 500 r/min附近不同运行时间下的振动响应，这里为了后续更好地描述解释转子热弯曲故障现象，将转子转速达到3 500 r/min瞬时时刻记为转子在3 500 r/min运行0 s的工况。

图7～图10表示转子在3 500 r/min分别运行0 s、120 s、150 s和360 s的结果，其中每个图中的(a)、(b)分别表示转子对应运行时间下的时域和频域的振动响应，由图可知，3 500 r/min运行0 s时转子振动幅值最大，随着运行时间延长，基频幅值逐渐降低，且转子振动时域结果均为正弦波形，且其他倍频成分很小或几乎没有，表明转子运行过程中仅存在热弯曲与不平衡故障共同存在。

图7 3 500 r/min运行0 s时转子振动结果

图8 3 500 r/min运行120 s时转子振动结果

图9 3 500 r/min运行150 s时转子振动结果

图10 3 500 r/min运行360 s转子振动结果

由于在3 500 r/min附近运行时间较短，转子振动幅值降低不明显，提取了11通道通频振动幅值与基频幅相等参数，见表1所示。

表1 3 500 r/min运行不同时间下转子振动幅相数据

转子振动的通频与基频幅值随运行时间变化规律见图11，转子发生热弯曲故障后，主要故障识别参数是转子振动通频和基频幅值变化，由图可知，随着转子在3 500 r/min运行时间增加，转子振动的基频与通频幅值均下降，且基频幅值降低先快后慢，而通频幅值降低先慢后快。

图11 转子振动的通频与基频幅值

4 结论

本文针对实际某型重型燃气轮机转子模型，模化加工了用于热弯曲故障实验的拉杆转子，采用滑动轴承支承形式，转子从0 r/min升至3 500 r/min，然后在3 500 r/min附近运行一定时间，用电涡流位移传感器采集转子振动响应，获取热弯曲故障典型特征，获得主要结论如下：

(1)从三维谱图中可以看出，模化的拉杆转子的一阶临界转速为1 070 r/min左右，二阶临界转速约为为3 180 r/min；

(2)转子频繁启停过程易发生热弯曲故障，转子升至最高转速3 500 r/min瞬时时刻转子振动最大，随着在3 500 r/min附近运行时间增加，转子温度分布梯度效应逐渐减弱，基频与倍频振动逐渐下降，实际机组运行时出现上述现象表明转子出现了热弯曲故障；

(3)机组实际运行过程中，尽量避免频繁快速启停，或者启动过程适当增加暖机时间，可以有效降低热弯曲故障带来的危害，另外对转子启停过程进行振动监测，如果随着运行时间振动逐渐降低，振动在允许范围内也是可以的；

由于本文开展的是针对某型重型燃气轮机热弯曲故障的模化转子实验，所以实验温度及转速及最高转速运行条件与实际机组存在差异，但是该模化转子实验结果规律也可以对实际重型燃气轮机机组运行过程中热弯曲故障诊断及监测有一定参考价值。