羅日榮，秦俊明，董 芳

(91663部隊(duì)，山東青島 266012)

作為電力生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，汽輪發(fā)電機(jī)組朝著大型化、復(fù)雜化、大容量、高參數(shù)等方向不斷發(fā)展。

機(jī)組的機(jī)械結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，不同部分之間聯(lián)系更加緊密，一旦某個(gè)部件發(fā)生故障，不僅影響機(jī)組本身的運(yùn)行，還會(huì)對(duì)后續(xù)設(shè)備產(chǎn)生影響，引發(fā)二次故障和連鎖反應(yīng)，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起災(zāi)難性的人員傷亡事故。因此開(kāi)展汽輪發(fā)電機(jī)組的故障診斷研究是十分必要的［1］。

軸系是汽輪發(fā)電機(jī)組的主要部件之一，轉(zhuǎn)子的不良運(yùn)轉(zhuǎn)往往造成機(jī)組的故障。振動(dòng)技術(shù)是十分有效的旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷的方法，將振動(dòng)技術(shù)應(yīng)用到汽輪發(fā)電機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷中，必將實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組的有效監(jiān)控。

1 汽輪發(fā)電機(jī)組的故障類(lèi)型

汽輪發(fā)電機(jī)組是典型的旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)機(jī)械，同時(shí)包含了齒輪嚙合、滑動(dòng)和滾動(dòng)軸承等旋轉(zhuǎn)機(jī)械。因此在機(jī)組故障類(lèi)型中有旋轉(zhuǎn)機(jī)械最常見(jiàn)的故障，如不平衡振動(dòng)、轉(zhuǎn)子不對(duì)中、機(jī)械松動(dòng)、轉(zhuǎn)子碰摩、滑動(dòng)軸承的半速渦動(dòng)和油膜振蕩等［2］。

1.1 不平衡

轉(zhuǎn)子不平衡是旋轉(zhuǎn)機(jī)械的常見(jiàn)故障之一。在制造與維修過(guò)程中，雖然都要對(duì)轉(zhuǎn)子作平衡，使不平衡量小于限定值。但經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行，由于諸如轉(zhuǎn)子彎曲、熱態(tài)不平衡、部件脫落、轉(zhuǎn)子結(jié)垢等原因，不平衡量會(huì)逐漸增大。由于轉(zhuǎn)子處于高速運(yùn)行狀態(tài)，偏心量的少許增加都會(huì)使慣性離心力劇增，使機(jī)器的功能下降，甚至無(wú)法繼續(xù)運(yùn)行。

當(dāng)不平衡重量只存在于一個(gè)平面內(nèi)時(shí)，這種不平衡稱(chēng)為靜不平衡;而當(dāng)在多個(gè)平面內(nèi)有不平衡情況時(shí)，就是動(dòng)不平衡［3］。

1.2 不對(duì)中

不對(duì)中也稱(chēng)為不同軸，是指用聯(lián)軸節(jié)連接起來(lái)的兩根軸的中心線有偏移，如圖1。軸承兩端的中心線有偏移，如圖2。存在不同軸時(shí)，容易發(fā)生軸向振動(dòng)，使轉(zhuǎn)子發(fā)生暫時(shí)或永久變形，使軸承和聯(lián)軸節(jié)工作情況惡化、機(jī)械壽命縮短等。不同軸較輕時(shí)，其頻率成分為旋轉(zhuǎn)基本頻率;不同軸嚴(yán)重時(shí)，會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)基頻的高次成分。造成不同軸的主要原因有制造精度差、安裝不良、熱變形不均勻、聯(lián)軸節(jié)松動(dòng)、地基下沉等。

圖1 聯(lián)軸器不對(duì)中

圖2 軸承不對(duì)中

1.3 機(jī)械松動(dòng)

松動(dòng)現(xiàn)象是由于螺栓緊固不牢或由于基礎(chǔ)松動(dòng)、過(guò)大的軸承間隙等引起的。松動(dòng)會(huì)使轉(zhuǎn)子發(fā)生嚴(yán)重振動(dòng)。

1.4 轉(zhuǎn)子碰摩

隨著機(jī)組參數(shù)的不斷提高，動(dòng)靜間隙的不斷縮小，以及運(yùn)行過(guò)程中不平衡、不對(duì)中、熱彎曲等的影響，經(jīng)常發(fā)生轉(zhuǎn)子碰摩故障。根據(jù)摩擦部位不同，碰摩分兩種情況:轉(zhuǎn)子外緣與靜止件接觸而引起的摩擦，稱(chēng)為徑向碰摩;轉(zhuǎn)子在軸向與靜止件接觸而引起的摩擦，稱(chēng)為軸向碰摩。從不同的角度，摩擦還可分為局部摩擦和全周摩擦;早期、中期和晚期碰摩等。

1.5 自激振動(dòng)

自激振動(dòng)的產(chǎn)生不是由于機(jī)械受到外來(lái)周期性持續(xù)激振力，而是由于機(jī)械內(nèi)部運(yùn)動(dòng)本身所產(chǎn)生的交變力。一旦振動(dòng)停止，交變力自然消失。與強(qiáng)迫振動(dòng)相比，自激振動(dòng)出現(xiàn)比較突然，振動(dòng)強(qiáng)度比較嚴(yán)重，短時(shí)間內(nèi)就會(huì)對(duì)機(jī)械造成嚴(yán)重破壞。

1.6 油膜渦動(dòng)和油膜振蕩

油膜渦動(dòng)是一種在某突然開(kāi)始的轉(zhuǎn)速下，在軸承中發(fā)生的一種流體力不穩(wěn)定現(xiàn)象。其特點(diǎn)是振動(dòng)頻率約為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的一半，故又稱(chēng)為半速渦動(dòng)。隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的上升，油膜渦動(dòng)頻率也隨之上升，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速上升到臨界轉(zhuǎn)速2倍以上時(shí)，渦動(dòng)頻率不再上升，而始終為臨界轉(zhuǎn)速頻率，并出現(xiàn)強(qiáng)烈振動(dòng)，這就是油膜振蕩。油膜振蕩的原因是油膜渦動(dòng)與轉(zhuǎn)子共振二者相互作用的結(jié)果，因而也稱(chēng)為共振振蕩。根據(jù)線性化理論，一旦這種振動(dòng)出現(xiàn)，就會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的共振振幅，增加轉(zhuǎn)子中心與軸承中心的偏離程度，容易導(dǎo)致轉(zhuǎn)子疲勞破壞［4］。

2 某汽輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)監(jiān)測(cè)

某汽輪發(fā)電機(jī)組自投入使用后，操作人員一直反應(yīng)機(jī)組振動(dòng)較大，因此在日常工作中對(duì)該機(jī)組采用振動(dòng)監(jiān)測(cè)手段，判斷機(jī)組整體的工作狀態(tài)。根據(jù)振動(dòng)測(cè)試的要求，選擇在堅(jiān)實(shí)的機(jī)體上，如機(jī)腳、軸承座、設(shè)備機(jī)體頂部等能反映振動(dòng)全貌的位置處，避免在罩殼、蓋板、懸臂、薄殼結(jié)構(gòu)等具有明顯局部振動(dòng)處布置測(cè)點(diǎn)。通過(guò)對(duì)機(jī)組振動(dòng)烈度值的計(jì)算，掌握機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)。

為了解決機(jī)組整體振動(dòng)偏大原因，在該機(jī)組進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)時(shí)，對(duì)機(jī)組進(jìn)行振動(dòng)頻譜分析。汽輪發(fā)電機(jī)組測(cè)點(diǎn)位置如圖3所示。

圖3 測(cè)點(diǎn)位置

其中汽輪機(jī)1、2測(cè)點(diǎn)，齒輪箱的3、4、5、6測(cè)點(diǎn)為滑動(dòng)軸承;發(fā)電機(jī)的7、8測(cè)點(diǎn)為滾動(dòng)軸承。

3 振動(dòng)數(shù)據(jù)分析

3.1 振動(dòng)烈度值計(jì)算

振動(dòng)烈度主要針對(duì)設(shè)備整機(jī)振動(dòng)狀況作出分析，分為測(cè)量量標(biāo)和評(píng)定量標(biāo)，測(cè)量量標(biāo)一般取為振動(dòng)速度有效值，而評(píng)定量標(biāo)取為“當(dāng)量振動(dòng)烈度”。通過(guò)對(duì)烈度值的計(jì)算，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn) ISO 10816－3－1998(GB/T 6075.3－2001)，可以對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷。

振動(dòng)速度有效值定義為

式中:vrms為振動(dòng)速度有效值，mm/s;v(t)為振動(dòng)速度周期性的時(shí)間函數(shù)，mm/s;T為振動(dòng)速度依時(shí)間變化的周期，s。

代表機(jī)器整體振動(dòng)的量標(biāo)取為“當(dāng)量振動(dòng)烈度”，其定義為

式中:vs為當(dāng)量振動(dòng)烈度，mm/s;vx，vy，vz分別為3個(gè)相互垂直方向上測(cè)得的振動(dòng)速度有效值，mm/s;Nx，Ny，Nz分別為3個(gè)方向上的測(cè)點(diǎn)數(shù)。

按標(biāo)準(zhǔn)ISO 10816－3－1998(GB/T 6075.3－2001)，定期對(duì)該機(jī)組進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)，并計(jì)算機(jī)組振動(dòng)烈度值，發(fā)現(xiàn)機(jī)組振動(dòng)烈度值呈上升趨勢(shì)。該機(jī)組部分振動(dòng)烈度值如表1所示。

表1 某汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)烈度值

雖然振動(dòng)烈度值并沒(méi)有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)界定的臨界狀態(tài)，但其烈度值上升趨勢(shì)仍說(shuō)明整個(gè)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)在逐步惡化。需要采取相應(yīng)的精密診斷措施，確定機(jī)組的故障隱患。

3.2 頻譜分析

某型汽輪發(fā)電機(jī)組簡(jiǎn)圖如圖3所示，汽輪機(jī)與小齒輪連接，發(fā)電機(jī)與大齒輪連接，通過(guò)大小齒輪嚙合實(shí)現(xiàn)減速。其中汽輪機(jī)工頻為141.3 Hz，發(fā)電機(jī)工頻為50 Hz，小齒輪數(shù)n1=23，大齒輪數(shù)n2=130。對(duì)機(jī)組不同負(fù)載情況下進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，每個(gè)工況下，分別設(shè)置采樣頻率1 kHz和10 kHz，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī)輸出端軸承部位徑向振動(dòng)信號(hào)頻譜圖 (圖略)有異常特征頻率出現(xiàn)。當(dāng)機(jī)組負(fù)載分別為560 kW和840 kW時(shí)，在汽輪機(jī)輸出端軸承頻譜圖中，除了出現(xiàn)轉(zhuǎn)子工頻信號(hào)，還出現(xiàn)半倍轉(zhuǎn)速頻率信號(hào)，且幅值高于轉(zhuǎn)子工頻分量。各點(diǎn)幅值如表2所示。

表2 各頻率點(diǎn)振動(dòng)數(shù)值

從頻譜圖中 (圖略)可以看到，振動(dòng)頻率為組合頻率，次諧波非常豐富，異常頻率接近轉(zhuǎn)速頻率的一半，且不隨機(jī)組負(fù)載情況的改變而改變，其他測(cè)點(diǎn)振動(dòng)頻譜圖未見(jiàn)異常特征頻率。汽輪機(jī)輸出端軸承部位的油膜半速渦動(dòng)特征比較明顯，判斷為油膜振蕩導(dǎo)致整機(jī)振動(dòng)過(guò)大。

3.3 振動(dòng)性質(zhì)與振動(dòng)分析

油膜振蕩是由于滑動(dòng)軸承中的油膜作用而引起的旋轉(zhuǎn)軸的自激振蕩，可產(chǎn)生與轉(zhuǎn)軸達(dá)到臨界轉(zhuǎn)速時(shí)同等的振幅或更加激烈。油膜振蕩不僅會(huì)導(dǎo)致高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障，有時(shí)也是造成軸承或整臺(tái)機(jī)組破壞的原因［5］。

1)油膜振蕩的原因。

(1)軸系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。影響轉(zhuǎn)軸的載荷分布及軸的撓曲程度，轉(zhuǎn)軸在工作過(guò)程中偏心率的大小會(huì)影響軸承的工作條件，導(dǎo)致軸承的工作性能下降。

(2)軸承負(fù)載。在運(yùn)行過(guò)程中，由于機(jī)組的熱變形，轉(zhuǎn)子在油膜中浮起，以及真空度、地基不均勻下沉等因素的影響，軸系對(duì)中情況將發(fā)生變化。因此，在熱態(tài)下，機(jī)組軸承的負(fù)荷將重新分配，有可能使個(gè)別軸承過(guò)載，出現(xiàn)溫升過(guò)高和燒瓦，個(gè)別軸承的負(fù)荷偏低，產(chǎn)生油膜振蕩或其它異常振動(dòng)。

(3)軸承進(jìn)油溫度?；蜏囟冗^(guò)高時(shí)，其粘度會(huì)下降，最小油膜厚度變小，軸承的工作點(diǎn)、油膜剛度和阻尼系數(shù)都將發(fā)生變化。

(4)軸瓦間隙。軸瓦間隙會(huì)影響軸承運(yùn)行的最小間隙，導(dǎo)致軸承工作穩(wěn)定性發(fā)生變化。

由于工作需要，該汽輪發(fā)電機(jī)組啟用至今，并沒(méi)有全時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，經(jīng)常停機(jī)，軸系轉(zhuǎn)子在經(jīng)常性的啟停機(jī)過(guò)程中，其對(duì)中情況發(fā)生變化，導(dǎo)致機(jī)組在運(yùn)行后會(huì)發(fā)生油膜半速渦動(dòng)現(xiàn)象，隨著時(shí)間累計(jì)，半速渦動(dòng)現(xiàn)象愈加明顯，振動(dòng)烈度值也進(jìn)一步增大，到達(dá)報(bào)警限度值。

2)解決油膜振蕩的方法。

(1)在振蕩發(fā)生時(shí)，提高油溫，降低潤(rùn)滑油的粘度。

(2)使軸頸處于較大的偏心率下工作，利用上瓦油壓，使下瓦的載荷加大，從而提高軸瓦的穩(wěn)定性。

(3)調(diào)整軸承的相對(duì)高度。

3.4 處理措施和結(jié)果

根據(jù)以上分析，解決軸承問(wèn)題是消除油膜振蕩最基本和最有效的方法，在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試工期比較緊張的情況下，采取了現(xiàn)場(chǎng)檢修的辦法，通過(guò)調(diào)整汽輪機(jī)輸出端軸承部位的軸瓦位置，解決油膜振蕩問(wèn)題。在軸瓦位置調(diào)整后，通過(guò)連續(xù)振動(dòng)監(jiān)測(cè)，該部位轉(zhuǎn)子頻率無(wú)低頻成分出現(xiàn)，振動(dòng)基本以轉(zhuǎn)子頻率為主，油膜振蕩已經(jīng)得到有效控制。

4 小結(jié)

汽輪發(fā)電機(jī)組是一個(gè)復(fù)雜的、大型設(shè)備，其組成部件的異常狀態(tài)，往往會(huì)導(dǎo)致機(jī)組的運(yùn)行異常，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致機(jī)組損壞、造成人員損傷。利用振動(dòng)技術(shù)，加強(qiáng)汽輪發(fā)電機(jī)組日常運(yùn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)于掌握機(jī)組狀態(tài)是非常有效的，另外通過(guò)振動(dòng)頻譜分析技術(shù)，對(duì)于分析機(jī)組故障隱患、排除故障原因，也會(huì)起到事半功倍的作用。

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