何斌，楊璋，李誠(chéng)

（1．東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽(yáng)，618000；2．福建寧德核電有限公司，福建 寧德，352000）

1 前言

某核電汽輪發(fā)電機(jī)組為單軸三缸四排汽沖動(dòng)凝汽式半轉(zhuǎn)速機(jī)組。采用彈簧隔振基礎(chǔ)，軸系由汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子、2根低壓轉(zhuǎn)子與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子構(gòu)成，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸端懸掛有旋轉(zhuǎn)整流器的無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)。機(jī)組共8個(gè)支撐軸承，均為三瓦塊結(jié)構(gòu)的可傾瓦，推力軸承位于2號(hào)軸承座內(nèi)，采用彈性隔振基礎(chǔ)。各軸承處安裝有互成90°的相對(duì)軸振測(cè)點(diǎn)，V指豎直方向，H指水平方向。軸系支撐如圖1所示。

圖1 機(jī)組軸系示意圖

2015年6月機(jī)組完成“168試運(yùn)”，投運(yùn)后軸系振動(dòng)幅值呈現(xiàn)周期性變化現(xiàn)象，其中5～8號(hào)軸振波動(dòng)最為顯著。分析判斷軸系周期性波動(dòng)屬于軟性摩擦引起，無(wú)法確定根本原因。經(jīng)過(guò)近3個(gè)換料循環(huán)連續(xù)運(yùn)行，對(duì)可能原因進(jìn)行了逐一分析排查，確定發(fā)電機(jī)密封瓦浮動(dòng)受阻是引發(fā)振動(dòng)異常的主要原因，從而解決了機(jī)組軸系振幅周期性波動(dòng)問(wèn)題。

2 振動(dòng)現(xiàn)象

在機(jī)組帶負(fù)荷運(yùn)行期間，低壓轉(zhuǎn)子及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的各軸瓦均存在振幅周期性波動(dòng)現(xiàn)象，圖2是5個(gè)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)幅值趨勢(shì)圖，波動(dòng)周期約5 h。最大波動(dòng)幅度為6H測(cè)點(diǎn)，即6瓦水平方向，表1是某時(shí)段各軸振測(cè)點(diǎn)幅值波動(dòng)范圍統(tǒng)計(jì)，6H波動(dòng)幅度達(dá)36μm。

圖2 振動(dòng)幅值趨勢(shì)圖

表1 機(jī)組軸振幅值波動(dòng)范圍統(tǒng)計(jì)

多次對(duì)機(jī)組運(yùn)行參數(shù)與振動(dòng)波動(dòng)的相關(guān)性分析，并采用專業(yè)振動(dòng)設(shè)備收集各軸振、瓦振的特征數(shù)據(jù)，總結(jié)出以下特征：

（1）低壓Ⅱ轉(zhuǎn)子與電機(jī)轉(zhuǎn)子軸振波動(dòng)幅度最為顯著，其中6H測(cè)點(diǎn)波動(dòng)幅度最大。

（2）各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)均以工頻成份為主，工頻振動(dòng)變化導(dǎo)致了振動(dòng)周期性變化。

（3）工頻振動(dòng)相位也呈現(xiàn)周期性變化。

（4）振動(dòng)波動(dòng)周期基本在4．5～5 h。

（5）軸承座振動(dòng)和軸振動(dòng)的趨勢(shì)保持一致。

（6）電機(jī)密封瓦油流量、冷卻氫壓差也存在周期性波動(dòng)，周期與振動(dòng)變化周期一致，見(jiàn)圖3。

圖3 軸振與電機(jī)密封油流量及冷卻氫壓差趨勢(shì)圖

3 振動(dòng)分析

從機(jī)組振動(dòng)特征看電機(jī)密封瓦油流量、冷卻氫壓差參數(shù)與振動(dòng)周期性波動(dòng)相關(guān)。密封油參數(shù)的波動(dòng)問(wèn)題在其他機(jī)組上也曾發(fā)生，其原因是密封油系統(tǒng)工作異常[1～2]，但并未引起機(jī)組軸振跟隨大幅度波動(dòng)。密封油作用是為發(fā)電機(jī)兩端的密封瓦提供壓力油，該機(jī)密封油參數(shù)雖有波動(dòng)但在正常范圍內(nèi)，僅密封油參數(shù)的波動(dòng)并不影響密封瓦的正常工作特性。密封油流量與油的進(jìn)出口壓差、密封瓦間隙相關(guān)，密封瓦間隙變化會(huì)引起密封油流量的變化，密封油參數(shù)波動(dòng)與振動(dòng)波動(dòng)也可能都是故障結(jié)果的表象。

軸系振動(dòng)幅值周期性變化的特征與拍振類似，是否因其他震源傳遞到本機(jī)基礎(chǔ)及軸系呢？若是2個(gè)頻率相近的簡(jiǎn)諧振動(dòng)的合成，那么它們的頻率差值Δf=1／T，則Δf=1／（4．5×3 600～5×3 600）=0．055 6～0．061 7 mHz。實(shí)際機(jī)組運(yùn)行轉(zhuǎn)速跟隨電網(wǎng)頻率波動(dòng)，該機(jī)從歷史數(shù)據(jù)看運(yùn)行轉(zhuǎn)速范圍為1 499～1 501 r/min，工頻變化33．3 mHz。機(jī)組工頻變化值遠(yuǎn)大于計(jì)算所得的拍振信號(hào)的頻差，若是拍振引起的機(jī)組振幅波動(dòng)，那么網(wǎng)頻的波動(dòng)會(huì)顯著改變軸振變化周期。實(shí)際上機(jī)組幅值波動(dòng)周期沒(méi)有跟隨工頻明顯改變，通過(guò)對(duì)可能的外圍震源巡查分析，也未發(fā)現(xiàn)可疑的激振來(lái)源，因此，排除拍振故障的可能性。

機(jī)組振動(dòng)主要以工頻分量為主，可以確認(rèn)該異常振動(dòng)是屬于強(qiáng)迫振動(dòng)性質(zhì)。機(jī)組軸振幅值主要受激振力與支承系統(tǒng)動(dòng)特性影響。機(jī)組額定工況運(yùn)行時(shí)，軸承載荷以及基礎(chǔ)標(biāo)高處于穩(wěn)定狀態(tài)，支承系統(tǒng)各參數(shù)都是基本穩(wěn)定的。因而，軸系振動(dòng)幅值周期性變化是源于激振力的變化。

低壓Ⅱ轉(zhuǎn)子與電機(jī)轉(zhuǎn)子軸振波動(dòng)幅度最為顯著，其中6號(hào)、8號(hào)軸振的波動(dòng)幅度大。對(duì)機(jī)組一段時(shí)期內(nèi)軸振數(shù)據(jù)提取分析，分析表明6號(hào)、8號(hào)軸振旋轉(zhuǎn)變量大于穩(wěn)定分量（視均值為穩(wěn)定分量），見(jiàn)表2；其工頻相位變化范圍有360°，見(jiàn)圖4。振動(dòng)變化特征符合旋轉(zhuǎn)性熱不平衡故障。

表2 軸振變量統(tǒng)計(jì)

圖4 軸振工頻幅值及相位趨勢(shì)圖

從結(jié)構(gòu)分析看，汽輪機(jī)與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上都不可能有部件能周期性移動(dòng)。引起轉(zhuǎn)子不平衡量周期性變化的可能性有：動(dòng)靜部件摩擦、軸承及密封瓦處的莫頓效應(yīng)。這2種故障引起轉(zhuǎn)子不平衡量周期性變化的機(jī)理類似。對(duì)于動(dòng)靜部件摩擦故障，轉(zhuǎn)子振動(dòng)高點(diǎn)較原始不平衡力方位有滯后，高點(diǎn)處因與靜止部件摩擦，該點(diǎn)的溫度較轉(zhuǎn)子表面其他點(diǎn)溫度高，簡(jiǎn)稱熱點(diǎn)；而與高點(diǎn)對(duì)應(yīng)直徑方向的另一端摩擦程度最輕溫度相對(duì)低，從而使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生沿圓周方向分布不均的熱梯度，轉(zhuǎn)子出現(xiàn)熱彎曲不平衡。對(duì)于莫頓效應(yīng)故障，與摩擦相似，高點(diǎn)處是以最小高度略過(guò)油膜最薄處，因油膜的黏性剪切能量該點(diǎn)的溫度較轉(zhuǎn)子表面其他點(diǎn)溫度高；而與高點(diǎn)對(duì)應(yīng)直徑方向的另一端距離軸承內(nèi)表面最遠(yuǎn)，溫度相對(duì)低，從而使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生沿圓周方向分布不均的熱梯度，轉(zhuǎn)子出現(xiàn)熱彎曲不平衡。

熱彎曲不平衡量與轉(zhuǎn)子原始不平衡量合成，因不平衡量變化轉(zhuǎn)子振幅出現(xiàn)變化，即振動(dòng)軌跡發(fā)生變化；合成不平衡力的方位較原始不平衡量方位有變化，振動(dòng)高點(diǎn)隨之逆轉(zhuǎn)。在新的振動(dòng)高點(diǎn)處形成新的熱點(diǎn)，如此循環(huán)變化，從而，轉(zhuǎn)子的振動(dòng)幅值與相位循環(huán)變化。轉(zhuǎn)子不平衡量變化過(guò)程示意見(jiàn)圖5。

圖5 轉(zhuǎn)子不平衡量變化過(guò)程示意圖

干摩擦振動(dòng)因摩擦的非線性，熱彎曲不平衡量的大小較難保持穩(wěn)定，導(dǎo)致振動(dòng)變化量的幅值不穩(wěn)定，表現(xiàn)為幅值與相位的重復(fù)性差；而莫頓效應(yīng)線性較好，轉(zhuǎn)子振動(dòng)幅值與相位重復(fù)性較好。從實(shí)際案例看，機(jī)組轉(zhuǎn)子與軟性物體摩擦或與剛度較小物體摩擦，長(zhǎng)期不能脫離，不造成轉(zhuǎn)子過(guò)大熱變形，也可能出現(xiàn)軸振長(zhǎng)期周期性波動(dòng)。如：轉(zhuǎn)軸與塑料或毛氈、電機(jī)滑環(huán)、碳刷等[3～8]。

因此，該機(jī)振動(dòng)周期性波動(dòng)可能是動(dòng)靜部件間軟性摩擦或軸承及密封瓦處的莫頓效應(yīng)所導(dǎo)致。為了不遺漏可能的故障源，對(duì)機(jī)組動(dòng)靜部件摩擦、軸承及密封瓦處的莫頓效應(yīng)故障都逐一排查。

4 故障部位排查

該機(jī)低壓Ⅰ與低壓Ⅱ的實(shí)測(cè)臨界轉(zhuǎn)速分別是1 133 r/min、1 150 r/min，計(jì)算表明兩低壓轉(zhuǎn)子振型藕合明顯。由于異常振動(dòng)主要在低壓Ⅱ轉(zhuǎn)子與電機(jī)轉(zhuǎn)子部分，因而，故障源應(yīng)是在低壓Ⅱ或電機(jī)部分，低壓Ⅰ轉(zhuǎn)子振幅波動(dòng)是被帶動(dòng)起來(lái)的。

從機(jī)組結(jié)構(gòu)看，低壓部分靜止部件與轉(zhuǎn)子間可能摩擦點(diǎn)有：隔板徑向汽封、軸封、平衡輪轂處的真空密封膠墊。電機(jī)部分可能摩擦點(diǎn)有：電機(jī)轉(zhuǎn)子汽機(jī)側(cè)的接地電刷。可能發(fā)生莫頓效應(yīng)的位置有：5～8號(hào)軸承處，電機(jī)轉(zhuǎn)子兩端密封瓦處。

4.1 動(dòng)靜摩擦

從機(jī)組首次檢修結(jié)果看，低壓Ⅱ部分平衡輪轂處的真空密封膠墊磨損，與轉(zhuǎn)子間隙最小部位膠墊中部破損；5～6號(hào)軸承附近的軸封下部磨損明顯，特別是6號(hào)軸承端較重，磨損量0．67～1．15 mm。檢測(cè)發(fā)現(xiàn)軸封底部磨損與機(jī)組抽真空后端部軸封上抬有關(guān)。在檢修中將5～6號(hào)軸封下部間隙放大，拆除了平衡輪轂處的真空密封膠墊，但檢修后機(jī)組軸振周期性波動(dòng)沒(méi)有明顯改善。

現(xiàn)場(chǎng)多次進(jìn)行了變化低壓排汽壓力試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，低壓排汽壓力變化對(duì)振動(dòng)波動(dòng)影響較小，有時(shí)振動(dòng)波動(dòng)幅度略有變化，有時(shí)沒(méi)有明顯變化，見(jiàn)圖6。

圖6 低壓排汽參數(shù)與振動(dòng)趨勢(shì)圖

因此，排除低壓部分動(dòng)靜摩擦引起軸振周期波動(dòng)的可能性。

該機(jī)接地電刷處于電機(jī)轉(zhuǎn)子汽機(jī)側(cè)的外伸軸段處，圓周上半布置有4個(gè)電刷，電刷與轉(zhuǎn)子間有一定緊力。若電刷與轉(zhuǎn)子間緊力過(guò)大造成轉(zhuǎn)子熱變量，則低壓Ⅱ轉(zhuǎn)子與電機(jī)轉(zhuǎn)子軸振變化量較大，與該機(jī)的故障特征相似。據(jù)查詢，機(jī)組運(yùn)行期間要求電刷輪流定期更換，電刷被多次更換過(guò)，按程序文件控制電刷壓緊力。未發(fā)現(xiàn)該機(jī)組電刷磨損有異于其它軸振正常機(jī)組；也未發(fā)現(xiàn)機(jī)組軸振波動(dòng)變化的歷史趨勢(shì)與電刷更換有關(guān)聯(lián)。因此，接地電刷是故障源的可能性極小。

4.2 莫頓效應(yīng)

現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了變化潤(rùn)滑油溫度試驗(yàn)。潤(rùn)滑油溫度從44．5℃提高到47．5℃，5H、6H波動(dòng)幅度減小約3μm，均值減小有4～6μm，見(jiàn)圖7。

圖7 潤(rùn)滑油供油溫度與振動(dòng)趨勢(shì)圖

從歷史數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，該機(jī)一段時(shí)間曾發(fā)生潤(rùn)滑油供油溫度頻繁波動(dòng)問(wèn)題，潤(rùn)滑油供油溫度有約3℃的波幅，但機(jī)組軸振周期性變化特征在油溫波動(dòng)與油溫穩(wěn)定期間沒(méi)有明顯改變，見(jiàn)圖8。軸承潤(rùn)滑油溫度變化，則潤(rùn)滑油黏度改變，必然引起軸心位置的波動(dòng)，圖9是5～8號(hào)軸心平均位置的水平和垂直方位位移趨勢(shì)圖。從圖可見(jiàn)，因油溫波動(dòng)，5～8號(hào)軸承處軸心位置存在明顯波動(dòng)，波動(dòng)量約20μm；當(dāng)油溫穩(wěn)定后軸心位置也就變?yōu)榉€(wěn)定。這表明軸承處軸心位置的變化并沒(méi)有明顯改變軸振變化的周期與波幅。若軸承處發(fā)生莫頓效應(yīng)，振動(dòng)響應(yīng)理應(yīng)對(duì)軸心位置的變化較為敏感，顯然，該機(jī)特征與之不同。

圖8 軸振與潤(rùn)滑油溫度軸承金屬溫度的趨勢(shì)圖

圖9 軸振傳感器與轉(zhuǎn)子間間隙趨勢(shì)圖

表3是該機(jī)軸承金屬溫度與同類型機(jī)組的數(shù)據(jù)比較，該機(jī)軸承金屬溫度處于中間水平狀態(tài)，軸承兩端溫差較小，軸承金屬溫度正常。沒(méi)有證據(jù)表明軸承瓦面存在過(guò)高溫度區(qū)域。

表3 4臺(tái)同型機(jī)組軸承金屬溫度數(shù)據(jù)℃

因此，可排除軸承處發(fā)生莫頓效應(yīng)的疑點(diǎn)。

從2次檢修期間檢查結(jié)果看，電機(jī)密封瓦處都存在明顯的卡涉痕跡。由于半速機(jī)組密封瓦尺寸大剛性不強(qiáng)，可能出現(xiàn)翹曲變形。檢修中雖重點(diǎn)對(duì)密封瓦間隙進(jìn)行了檢查調(diào)整，但第2次檢修中仍發(fā)現(xiàn)密封瓦局部存在摩擦痕跡；密封瓦徑向間隙偏?。幻芊馔咻S向、徑向配合面粗糙度大，存在局部高點(diǎn)。從同型機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡數(shù)據(jù)看，電機(jī)轉(zhuǎn)子風(fēng)扇環(huán)處加重平衡量對(duì)6號(hào)軸振的影響系數(shù)幅值略大于電機(jī)軸振，因而，密封瓦處引起的熱不平衡故障與該機(jī)軸振異常特征吻合。

綜上分析，認(rèn)為該機(jī)軸系振動(dòng)周期性波動(dòng)是由于電機(jī)密封瓦卡涉導(dǎo)致的莫頓效應(yīng)引起的。

5 試驗(yàn)與處理

2017年7月9日，冷氫溫度上調(diào)，軸振波動(dòng)周期由5.5 h變長(zhǎng)為8 h，機(jī)組振動(dòng)波幅變化明顯。2017年10月27日，將機(jī)組發(fā)電機(jī)冷氫溫度從44.5℃調(diào)整到38℃，軸振周期性波動(dòng)幅度逐漸減弱，6H軸振波動(dòng)幅度小于4μm，見(jiàn)圖10。冷氫溫度降低，電機(jī)轉(zhuǎn)子軸頸平均溫度有所下降，轉(zhuǎn)子熱膨脹量減小，按軸頸平均溫度場(chǎng)降低6℃計(jì)算，密封瓦處軸頸直徑為800 mm，膨脹量減小約0.06 mm。從而使轉(zhuǎn)子密封瓦間隙增大，有利于消除密封瓦的卡涉。

圖10 冷氫溫度與振動(dòng)趨勢(shì)圖

在機(jī)組第3次大修中，對(duì)密封瓦按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行了仔細(xì)檢查及修復(fù)。在胎具上檢查密封瓦對(duì)縫接觸情況，在機(jī)床上進(jìn)行平面度檢查與研修，以保證接觸面的質(zhì)量。密封瓦空側(cè)與氫側(cè)間隙按設(shè)計(jì)上限調(diào)整。經(jīng)本次處理后，機(jī)組帶負(fù)荷運(yùn)行期間軸振周期性波動(dòng)現(xiàn)象消失，機(jī)組運(yùn)行期間負(fù)荷和軸振的趨勢(shì)見(jiàn)圖11。

圖11 運(yùn)行期間負(fù)荷和軸振趨勢(shì)圖

6 總結(jié)

對(duì)機(jī)組軸系振動(dòng)周期性波動(dòng)的原因分析，判斷故障系動(dòng)靜間軟性摩擦或軸承及密封瓦處的莫頓效應(yīng)引起。經(jīng)過(guò)故障排查后，確認(rèn)了電機(jī)密封瓦卡涉是引起振幅周期性波動(dòng)的根源。通過(guò)大修期間對(duì)電機(jī)密封瓦檢查修復(fù)，徹底解決了機(jī)組軸振周期性波動(dòng)故障。從該百萬(wàn)半轉(zhuǎn)速核電機(jī)組的振動(dòng)故障處理經(jīng)驗(yàn)看，電機(jī)密封瓦尺寸大剛性不強(qiáng)，裝配貼合面接觸狀態(tài)不好，可能造成密封瓦卡涉，引起振動(dòng)故障，因此，檢修期間需嚴(yán)格控制此處的安裝質(zhì)量。