燃气轮机发电机组轴承高振动故障机理分析

陈明华，李 政

（中海油能源发展装备技术有限公司，天津 300452）

0 引言

燃气轮机发电机组是海上采油平台核心动设备，是采油平台的主力发电设备，设备价值高、维修周期长，其能否正常运行直接关系采油平台生产稳定性。

某平台发电机组运行过程中电发机非驱动端轴承不稳定振动，持续时间在半年以上，主要表现在轴振与瓦振的振动值大小与运行时间和电发机负载大小相关。期间进行了两次轴承拆检，采集了拆检前后的振动数据。高速涡轮机械转子不稳定振动原因较多，包括不平衡、松动、转子热弯曲等，本文主要通过转子振动数据模型，轴瓦间隙与油膜刚度分析，轴与轴瓦小间隙配合条件下转子热弯曲机理，分析转子在轴瓦小间隙运行条件下不稳定振动的根本原因。

1 设备基本信息

该发电机组是由燃气轮机驱动，通过齿轮箱减速，驱动发电机发电，发电机组基本信息：燃气轮机最大功率31.5 MW，运行转速5109 r/min；发电机额定功率30 MW，额定转速1500 r/min；齿轮箱形式为一级减速齿轮箱。

机组配置了振动在线监测系统，可实时记录发电机转子振动的瞬态与稳态数据。在现场数据采集时，根据数据分析需要，现场离线采集了部分振动数据。

2 设备故障现象及测试数据

2.1 第一次维修前故障现象及振动测试数据

发电机自2022 年初连续几个月非驱动端轴振动偏高，接近机组报警值。随后，对该端轴承进行了拆检，轴承下瓦磨损约100 μm，接触角由60°增加到90°，维修人员认为是轴瓦磨损导致高振动，更换新轴承后设备投入备用。

在线监测系统记录整个过程的振动动数据。机组在启车过程中，非驱动端轴上升量比驱动端多120～130 μm，且轨迹偏转方向异常，与正常偏转方向相反。机组稳态运行时，发电机驱动端轴心轨迹为椭圆形，非驱动端为8 字形。

2.2 第二次维修前故障现象及振动测试数据

第一次维修后，2022 年7 月中旬机组启车运行，振动依然偏高；8 月下旬监测人员到现场进行振动数据测试。分别测取了在8.5 MW/16 MW 负荷下，电机驱动端与非驱动端轴振/瓦振数据（表1、表2）。

表1 电机驱动端与非驱动端轴振数据 μm

表2 电机驱动端与非驱动端瓦振数据

在线监测系统显示，驱动端轴心轨迹如图1 所示，依然为椭圆形，非驱动端轴心轨迹如图2 所示，依然为8 字形。

图1 驱动端轴心轨迹

图2 非驱动端轴心轨迹

3 振动机理分析

通过简化转子数据模型，对振动监测数据进行分析。

对于使用动压滑动轴承的旋转机械，其简单模型中在不平衡力作用下强迫振动的振动响应数学表达式[1]：

其中，Aejα为振动矢量，α 为振动高点位置，δ 为质量重点位置，m 为不平衡质量，r 为不平衡质量距旋转中心距离，Ω 为转速，不平衡质量与转速同步，K 为转子静态刚度，M 为转子质量，D 为转子阻尼常数，λ 为油膜流体周向平均速度比。

由式（1）可知，转子的振动大小取决于不平衡力与转子的动态刚度之比：

设K、D、λ 为常数，则机组稳态运行时，振动矢量大小仅与转子转速相关。

本案例中，机组启动过程中驱动端转速提高，油膜厚度增加，轴心位置抬升，在转子端面两侧压差作用下，向润滑油排出侧偏转，偏转方向正常；非驱动端转子轴心位置在上升过程中却向润滑油进油侧偏转，表明在启车全过程受到定向的强径向载荷力。

由式（1）可知，稳态运行时，发电机驱动端因水平与垂直方向刚度不同，表现为残余不平衡条件下的椭圆形轨迹；发电机非驱动端在残余不平衡与强定向载荷力的共同作用，表现为8 字形振动。

由表2 数据可知，当机组载荷由8.5 MW 提高到16 MW时，非驱动端轴瓦振动上升79.8%，驱动端仅上升40.9%，非驱动端转子X 方向振动上升29.5%，驱动端转子X 方向振动上升13.9%。

第二次启动后转子非驱动端轴心轨迹仍为8 字形，说明转子非驱动端则主要受到是在大径向载荷力作用下的振动。发电机非驱动端没有连接其他设备，可排除气动力、齿轮啮合力、连接件外部不对中，考虑为轴在滑动轴承中内部不对中。

通常大径向载荷会减小油膜厚度，增加油膜刚度，抑制转子振动，增强轴瓦振动。在本案例中的发电机转子高振动部位处于自由端，在大径向载荷力作用下轴瓦振动增强，转子振动没有减弱反而增强，并随机组负载增加而增大。电机非驱动端在大径向载荷力作用下，轴颈高点与轴瓦之间的间隙减小，即油膜厚度减小，轴颈表面与轴瓦之间的速度梯度增大，虽然未出现轴与轴瓦的直接摩擦，但导致油膜内摩擦加剧，产生大量热量，并在轴颈表面出现热点，整周期振动的高点位置固定，转子热点一侧温度相对另一侧升高，内部热应力导致局部膨胀，引起轴颈临时性热弯曲。

转子在第一次轴瓦磨损的条件下，转子轴颈表面有轻微磨损痕迹，没有永久性弯曲；第二次启动后，转子未发生与轴瓦直接磨损，热弯曲程度要小一些，属于临时性（弹性）弯曲。

4 结论与建议

4.1 分析结论

（1）发电机转子非驱动端与轴承内部不对中。

（2）发电机转子非驱动端存在临时性热弯曲。

4.2 维修建议

（1）拆检非驱动端轴承，检查轴瓦间隙，并重新调整转子与轴瓦的配合间隙。

（2）停机后，立即检查轴端跳动情况，验证是否存在热弯曲。

5 维修拆检情况

第二次对非驱动端轴承拆检，未发现轴及轴瓦有磨损痕迹；因不具备低速盘车条件，未能检查热态转子弯曲状态。

重新调整轴与轴瓦配合间隙，纠正电机轴颈与轴瓦的内部不对中状态，再次启车，转子与轴瓦振动均正常。调整后发电机非驱动端轴心轨迹如图3 所示，轨迹形状存在轻微的8 字形，仍存在轻微不对中，但从振动幅值大小情况看，已不影响机组正常运行。

图3 调整后非驱动端轴心轨迹