黃琪，陳淼，廖輝，羊小軍，李錄平

（1.東方電氣集團東方汽輪機有限公司，四川 德陽，618000；2.長沙理工大學(xué)，湖南 長沙，410114）

0 前言

近年來隨著節(jié)能減排、靈活調(diào)峰的要求，我國燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組得到快速發(fā)展，根據(jù)發(fā)改委規(guī)劃，到2020年，全國聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組裝機容量將達到5 500萬千萬，是2000年之前50年已建成的同類裝機容量的25倍。由此可見，燃氣輪機發(fā)電機組裝機容量在電力行業(yè)的份額在逐步增大，燃氣輪機的安全穩(wěn)定運行也對電力生產(chǎn)具有越來越重要的意義。

火力發(fā)電機組轉(zhuǎn)子外伸端不平衡或利用外伸端進行跨內(nèi)平衡多有介紹[1-2]，燃氣輪機軸系突然失衡特征也有介紹[3]，但燃氣輪機發(fā)電機組的發(fā)電機與集電環(huán)采用整鍛轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)外伸端的活動性失衡還未見文獻介紹。本文將介紹某燃氣輪機發(fā)電機組軸系外伸端活動性失衡的案例，總結(jié)失衡的特點，找出故障的原因。

1 燃氣輪發(fā)電機組軸系結(jié)構(gòu)特點分析

1.1 軸系結(jié)構(gòu)

某燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠的燃氣輪機發(fā)電機組與蒸汽輪機發(fā)電機組采取“一拖一”分軸結(jié)構(gòu)，1臺燃氣輪機配置1臺蒸汽輪機，其中燃氣輪發(fā)電機組的功率為324 MW，蒸汽輪機發(fā)電機組的功率為150 MW，燃氣輪機與蒸汽輪機軸系分開設(shè)置。在燃氣輪機發(fā)電機組軸系中，燃機轉(zhuǎn)子與發(fā)電機轉(zhuǎn)子剛性連接，發(fā)電機轉(zhuǎn)子與集電環(huán)為整鍛式轉(zhuǎn)子，集電環(huán)與盤車裝置采用SSS離合器連接，整個軸系采用5個油膜滑動軸承支承，在2#支承軸承處設(shè)置推力軸承。燃氣輪機發(fā)電機組軸系及其支承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 機組軸系結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 SSS離合器結(jié)構(gòu)

在盤車電機與燃氣輪機發(fā)電機組轉(zhuǎn)子之間設(shè)置了1個同步自換檔離合器（Synchro-Self-Shifting，簡稱SSS）。目前，應(yīng)用在燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組上的的SSS離合器主要有兩類[4]：一類是連接盤車與轉(zhuǎn)子之間的離合器（基本離合器）；另一類是連接汽輪機低壓轉(zhuǎn)子與高中壓轉(zhuǎn)子的SSS離合器（繼動離合器）。

基本型SSS離合工作的基本原理：當輸入端轉(zhuǎn)動后，棘爪棘輪嚙合，滑動組件向左移動，彈簧壓縮，直至輸入端與輸出端嚙合齒嚙合，帶動輸出端轉(zhuǎn)動；當輸出端轉(zhuǎn)速高于輸入端轉(zhuǎn)速時，棘爪收起，輸出端嚙合齒帶動輸入端嚙合齒右移，滑動組件受力往右側(cè)移動，嚙合脫開?；拘蚐SS離合器的結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

圖2 基本型SSS離合器結(jié)構(gòu)示意圖

2 振動故障發(fā)生與發(fā)展過程

該機組于2017年6月調(diào)試后投運，軸系振動均在合格值范圍內(nèi)，隨著啟停次數(shù)增多，2017年7月某次啟動后發(fā)現(xiàn)5#軸振大（最大到160μm），圖3為某次運行中測量的3～5#軸振X向的時域波形圖及頻譜圖，從圖3中可以看出，5X振動時域波形曲線光滑，無毛刺，是比較規(guī)則的正弦波曲線，頻率主要為工頻量，其他頻率成份非常小，就地測量軸承蓋振（落地式軸承）振幅僅15μm，表明軸承支撐系統(tǒng)無異常，振動是由于不平衡量偏大造成的；后續(xù)運行中分3次測量了工作轉(zhuǎn)速下的幅值相位數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)幅值相位數(shù)據(jù)變化大（見表1），平衡無法解決該振動問題。

圖3 機組定速時，3～5#軸振X方向時域波形及頻譜圖

表1 3次運行中測量的5#軸振數(shù)據(jù)

由于每次測量的數(shù)據(jù)均為運行中測量，每次測量之間經(jīng)歷了機組啟停工況，而現(xiàn)場無TDM系統(tǒng)，故無法調(diào)取歷史數(shù)據(jù)進行分析。本文結(jié)合某次啟停和第2次的啟動過程對振動的升速特性進行了數(shù)據(jù)采集與分析。

3 振動分析

圖4為8月2日測取的升速-停機-升速過程的4～5#軸振幅相頻特性圖，從圖4中可以看出，該振動故障具有以下特點：

圖4 啟停過程4～5#軸振幅頻、相頻圖

（1）2次升速過程，5X振動在轉(zhuǎn)速2 000～2 100 r/min幅相頻特性均發(fā)生了階躍，階躍后，曲線光滑，但定速后的幅值、相位偏差很大；

（2）停機過程5X幅相頻無階躍現(xiàn)象；

（3）4X幅相頻也與5X幅相頻變化有類似的規(guī)律，但表現(xiàn)不顯著；

（4）發(fā)生階躍的轉(zhuǎn)速有降低的趨勢。

為查明振動故障的發(fā)生、發(fā)展過程，調(diào)取了首次啟動至第6次沖轉(zhuǎn)的過程數(shù)據(jù)，見圖5。從圖5可以看出，5X振動階躍在首次啟動過程就出現(xiàn)了，只是階躍后，又基本回落至原來水平，但第2次啟動及之后，存在階躍幅值增大的趨勢，且?guī)状味ㄋ俸蟮姆颠M行比較，無重復(fù)性，或大或小。

圖5 首次啟動至第6次啟動的升速過程5X通頻幅值升速特性圖

根據(jù)以上振動特點及歷史數(shù)據(jù)分析，判斷5#軸頸的外伸端存在活動部件。

4 故障機械原因分析及處理

4.1 解體檢查情況

機組在停機后，對外伸端的SSS離合器進行檢查，發(fā)現(xiàn)SSS離合器的輸入端棘輪有1個齒崩落一小塊，懷疑之前存在過載現(xiàn)象，且SSS離合器輸入端在運行中是與軸系脫開的，不會影響軸振，因此進一步對SSS離合器脫開檢查處理。

解開SSS離合器與發(fā)電機集電環(huán)軸的靠背輪對輪螺栓，用頂絲頂開輸出端時，聽到叮咚一聲，檢查發(fā)現(xiàn)輸入端的滑動組件限位環(huán)，約2．8 kg掉落入護罩，限位環(huán)與輸入端配合面有摩擦的痕跡及被滑動組件齒咬合的痕跡，限位環(huán)上的8個螺栓孔臺階不同程度的崩掉，殘余部分被螺栓緊固在輸入軸上，同時限位環(huán)變形嚴重。

4.2 故障原因分析

通過解體的情況分析，由于安裝原因，定位尺寸偏差15 mm，導(dǎo)致輸入端的滑動組件行程受限15 mm。

SSS離合器工作正常時，當輸出端轉(zhuǎn)速（發(fā)電機）增加后，帶動滑動組件移動，輸出端轉(zhuǎn)速高于輸入端轉(zhuǎn)速時，此時滑動組件脫開與輸出端的嚙合，但實際由于行程受限15 mm，導(dǎo)致嚙合無法脫開，輸出端施加在滑動組件上的軸向力作用于限位環(huán)上，導(dǎo)致限位環(huán)崩落，而后輸出端與輸入端脫開嚙合。

因此，限位環(huán)在第1次沖轉(zhuǎn)的時候就已經(jīng)崩落，SSS離合器正常脫開時，受軸向彈簧的作用，滑動組件與輸出端的軸向尺寸為20 mm，經(jīng)檢查，限位環(huán)最大軸向尺寸為16．5 mm，加上變形及崩落時增加的軸向尺寸，導(dǎo)致變形后的限位環(huán)軸向尺寸微大于空間軸向尺寸，SSS離合器脫開時，滑動組件施加力頂住限位環(huán)，使得限位環(huán)貼緊輸出端隨電機一起相對轉(zhuǎn)動，當發(fā)電機轉(zhuǎn)速持續(xù)增大時，由于泊松效應(yīng)，發(fā)電機轉(zhuǎn)子收縮，空間軸向尺寸增大，導(dǎo)致限位環(huán)突然在輸出端腔室徑向滑動，受離心力作用貼緊輸出端腔室外圓隨發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，引起軸振突升。停機時由于離心力的作用，限位環(huán)不會發(fā)生活動，因此振動無突變現(xiàn)象，當發(fā)電機轉(zhuǎn)子惰走到300 r/min時，盤車電機啟動，滑動組件收回至待嚙合狀態(tài)，此時限位環(huán)未受軸向作用力，隨著發(fā)電機轉(zhuǎn)速的持續(xù)降低，離心力不足以限制限位環(huán)位置時，限位環(huán)會在輸出腔室內(nèi)發(fā)生相對運動，可能會掛在輸入端的限位環(huán)螺釘上而靜止，這也是停機后未聽到SSS離合器內(nèi)異音的原因，是后續(xù)重復(fù)發(fā)生升速過程中振動突變的原因。

4.3 故障處理措施及效果

機組后續(xù)更換了崩壞的限位環(huán)，將盤車電機機架地腳孔擴孔，整體前移16 mm，整體調(diào)整盤車電機及輸入端的軸向尺寸后，再次啟動，振動未再發(fā)生升速過程突變現(xiàn)象，未經(jīng)平衡處理，定速時#5軸振在30μm以內(nèi)（見表2）。

表2 處理前后軸振對比μm

5 三支撐外伸端對跨內(nèi)振動的影響

發(fā)電機與集電環(huán)為一體整鍛轉(zhuǎn)子，外帶懸臂的SSS離合器輸出端，每2道支撐軸承內(nèi)的轉(zhuǎn)動部分稱為跨內(nèi)，故該結(jié)構(gòu)為兩跨三支撐帶外伸端結(jié)構(gòu)，振動測點布置在軸承上，測量轉(zhuǎn)軸的相對振動。

此次SSS離合器輸入端掉入輸出端內(nèi)的活動部件，驗證了外伸端不平衡對跨內(nèi)振型的影響。

從圖6可以看出，外伸端不平衡量對跨內(nèi)（集電環(huán)轉(zhuǎn)子）的影響有以下特點：

圖6 處理前后4～5#軸振同反相的幅相頻特性

（1）正常（處理后）時，集電環(huán)轉(zhuǎn)子受發(fā)電機轉(zhuǎn)子振型的影響，有一、二階振型的響應(yīng)；

（2）外伸端不平衡量對跨內(nèi)的一、二階振型響應(yīng)均有較大影響；

（3）同樣的外伸端不平衡量在圓周不同的位置上對跨內(nèi)的一、二階振型影響也不一樣。

6 總結(jié)

本文通過對某燃發(fā)軸系外伸端活動失衡案例的分析和處理，總結(jié)了外伸端活動部件對振動的影響特點：

（1）外伸端活動部件對最近的軸振影響最大；

（2）外伸端活動部件對每次啟停過程中振動的影響均不一樣；

（3）外伸端活動部件受結(jié)構(gòu)影響，有時候會導(dǎo)致機組升速過程中出現(xiàn)振動幅值“階躍”現(xiàn)象；

（4）外伸端活動部件對跨內(nèi)振型有較大的影響，同時活動部件在圓周上的位置不一樣，對振型的影響程度也不一樣。

該故障的診斷方法和處理技術(shù)，對后續(xù)的SSS離合器的安裝及可靠性具有重要指導(dǎo)意義，對解決燃氣輪機發(fā)電機組的同類故障問題有借鑒意義。