孔 源，田國成

（1.華能山東分公司，山東 濟(jì)南 250025；2.山東電力研究院，山東 濟(jì)南 250002）

0 引言

某電廠5號機(jī)組由N670-24.2/566/566型汽輪機(jī)和QFSN-670-2型發(fā)電機(jī)組成，由高中壓轉(zhuǎn)子、低壓轉(zhuǎn)子、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和集電環(huán)轉(zhuǎn)子組成軸系，轉(zhuǎn)子間為剛性聯(lián)軸器連接，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和集電環(huán)轉(zhuǎn)子為三支撐結(jié)構(gòu)，9號瓦為四塊均布式可傾瓦。該機(jī)在試運(yùn)及試生產(chǎn)期間，機(jī)組尾部9號瓦的振動(dòng)一直惡變，最大軸振振幅曾超過500mm，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，多臺660MW系列機(jī)組該處存在振動(dòng)或瓦溫異常，屬共性問題，應(yīng)引起設(shè)計(jì)制造、安裝、調(diào)試以及檢修人員的高度重視。

1 集電環(huán)轉(zhuǎn)子的安裝與找正技術(shù)

1.1 集發(fā)對輪初找正與二次灌漿

1.1.1 就位前的準(zhǔn)備和檢查

1）按配對標(biāo)記分組放好墊片,就位前在基架與底板間平均抽去兩張0.15mm左右的墊片，作為二次灌漿后最終找正時(shí)的調(diào)節(jié)余量。

2）在底板上平直放置集電環(huán)裝置，檢查轉(zhuǎn)子兩端相對于基架的平行度以及轉(zhuǎn)子相對軸承座的垂直度。平行度＜0.075mm，超差時(shí)可通過調(diào)節(jié)運(yùn)輸托架下的墊片進(jìn)行調(diào)整；垂直度＜0.13mm，超差時(shí)需要與制造廠聯(lián)系進(jìn)行處理。

3）按“軸系找中圖”將轉(zhuǎn)子初步找正到標(biāo)高,方法見圖1。

圖1 確定轉(zhuǎn)子標(biāo)高

4）控制對輪瓢偏度在0.013 mm范圍內(nèi)，若超差可現(xiàn)場鏟刮處理。止口徑向須留間隙但不超過0.05mm，若超差應(yīng)與制造廠聯(lián)系；軸向只要有間隙即可；凹凸止口倒角不可相碰，防止配合失效。

5）逐一檢查與集發(fā)對輪螺栓孔的配合尺寸與精度，將剪切套筒按編號一一推入聯(lián)軸器的孔內(nèi)，檢查剪切套筒的頸、孔配合應(yīng)滑爽，精度應(yīng)合格，然后全部取下妥善保存待用。

6）集電環(huán)轉(zhuǎn)子做第一次頂載試驗(yàn)，方法參見二次頂載試驗(yàn)。

1.1.2 集電環(huán)二次灌漿前的裝配

集電環(huán)基架按要求初找正完畢，將轉(zhuǎn)子向9號瓦移動(dòng)，按圖2測取X值，計(jì)算δ=X-Y（設(shè)計(jì)值），作為集發(fā)對輪端面間的開口值，δ應(yīng)大于聯(lián)軸器耦合止口的深度。然后按δ值進(jìn)行集電環(huán)軸向就位。

張延青等[30]通過A/0工藝研究了直接利用排放后的城市海水對污水處理廠中生物處理系統(tǒng)造成的影響。證明當(dāng)海水含有的鹽濃度過高時(shí)，生物處理體系嚴(yán)重受到高鹽度水平的影響限制，并且生物的活性很難再次恢復(fù)到正常水平，氨氮和COD的減除效率顯著降低很多，并且出水質(zhì)量完全達(dá)不到城市污水廠二級出水排放水質(zhì)的國家規(guī)定。

圖2 集電環(huán)轉(zhuǎn)子軸向位置的確定及聯(lián)軸器找正

1.1.3 集發(fā)對輪的找正方法及要求

按圖2，盤轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)子測取集電環(huán)轉(zhuǎn)子同心度，通過調(diào)整底板使同心度達(dá)到要求，并在維持這個(gè)同心度的前提下找正聯(lián)軸器端面。需要調(diào)整基架相對底板的高度時(shí)，可采用事先取出的兩只0.15mm的墊片。預(yù)找正后，復(fù)測集電環(huán)各部位的軸向和徑向間隙，若與就位前相比變動(dòng)較大，則必須重新復(fù)原并找正。

在集電環(huán)轉(zhuǎn)子盤轉(zhuǎn)180°后復(fù)測不變化的前提下，同心度要求最大值與最小值之差不大于0.05mm。將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子分別盤轉(zhuǎn) 0°、90°、180°、270°時(shí)測量對輪張口值，再將集電環(huán)轉(zhuǎn)子翻轉(zhuǎn)180°后按上述步驟進(jìn)行復(fù)測，在兩次測量值基本不變的前提下，下張口要求在0.06～0.08mm之內(nèi)。

1.1.4 集電環(huán)裝置底板的二次灌漿

因集電環(huán)裝置的底板面積很大，底板上又僅設(shè)一個(gè)軸承座，其支承剛度對轉(zhuǎn)軸的不平衡響應(yīng)非常敏感。因此，建議采用大流動(dòng)度、不收縮、高強(qiáng)度的材料二次灌漿，以保證大底板及砂漿墊層只承受分布均勻的壓力，并使接觸面達(dá)95%以上。

1.2 集電環(huán)裝置的最終安裝

1.2.1 集電環(huán)裝置的底板固定

二次灌漿7天后重新吊出集電環(huán)，用敲擊法檢測底板下是否有空洞發(fā)出的聲音。若發(fā)現(xiàn)局部、小范圍的空洞可用鉆孔法將拌有玻璃纖維的環(huán)氧樹脂漿體進(jìn)行補(bǔ)灌填充；若空洞面積較大，特別是軸承座下部有空殼存在，則必須果斷返工，重新灌漿。灌漿合格后，以820Nm的擰緊力矩將基架通過底板和地腳螺栓固定于砂漿墊層上。

1.2.2 集發(fā)對輪的最終找正與對接

1.2.3 轉(zhuǎn)子晃度的檢查與校正

在軸承座合縫面上安裝測量垂直、水平位移的百分表。用鑲有巴氏合金的托環(huán)托住轉(zhuǎn)子軸肩，用行車懸掛一個(gè)5 t手拉葫蘆掛住托環(huán)，并保證釣鉤正確對中。略微吊起轉(zhuǎn)子0.35mm，翻出下瓦，再緩慢降低將轉(zhuǎn)子降回原始位置，耐心等待垂直表讀數(shù)穩(wěn)定并同時(shí)察看水平表讀數(shù)是否還原，若偏差太大，則應(yīng)糾正釣鉤的對中。

緩慢盤動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，按聯(lián)軸器的螺栓編號讀取每個(gè)晃動(dòng)值，同一測點(diǎn)處的讀數(shù)至少應(yīng)重復(fù)出現(xiàn)兩遍，數(shù)值才有效。按圖3計(jì)算容許晃度值A(chǔ)，以9號瓦軸頸處的讀數(shù)為準(zhǔn)，表計(jì)讀數(shù)最大值減去最小值應(yīng)≯A。若晃度不合格，可增加100～200 Nm的力矩，先從需要借正的一組螺栓開始，對角均勻地緊固一遍聯(lián)軸器螺栓，并保證對輪端面的平行度不變，然后進(jìn)行第二次晃度值測量校正。重復(fù)上述步驟，直至螺栓力矩達(dá)到1 250 Nm左右、晃度值合格。從這時(shí)起，至少盤車半小時(shí)或待晃度達(dá)到穩(wěn)定后，再以不同的力矩分別緊固螺栓，直到最小力矩值大于1 660Nm為止。若此時(shí)晃度不符合要求時(shí)，可使最大力矩達(dá)到1 930Nm，但不能再大，晃度若仍超差，則必須松開聯(lián)接對輪，鏟刮端面后再按上述步驟重新進(jìn)行晃度校正?；味群细窈?，繼續(xù)盤車30min以上并到晃度不再隨時(shí)間變化為止。

圖3 晃度計(jì)算示意圖

1.2.4 集電環(huán)軸承的二次頂載試驗(yàn)

鑒于9號瓦負(fù)載對軸振的影響非常敏感，故必須達(dá)到或稍大于設(shè)計(jì)負(fù)載。第二次頂載試驗(yàn)可以實(shí)現(xiàn)這一目的，但應(yīng)注意頂載試驗(yàn)不能替代晃度校正。

二次頂載試驗(yàn)應(yīng)在發(fā)電機(jī)大齒（或小齒）垂直時(shí)進(jìn)行,0°～360°范圍內(nèi),每隔 90°測量 1 次，得到的負(fù)載值應(yīng)相近，偏差在±157 Nm左右，若偏差太大，則說明轉(zhuǎn)子找正有問題，須重新進(jìn)行找正。此外，在制造廠內(nèi)已采用預(yù)加載工藝的轉(zhuǎn)子，一般可不再在現(xiàn)場進(jìn)行頂載試驗(yàn)，特殊情況時(shí)例外。

1）取下上半軸瓦，在盡量靠近軸承座的地方安置一臺千斤頂，調(diào)好對中，在軸頸上方安放一只百分表監(jiān)視轉(zhuǎn)子的頂升量。

2）在千斤頂上放置一個(gè)壓力傳感器，配以相應(yīng)的測量儀器。在垂直方向上用千斤頂緩緩頂升轉(zhuǎn)子，每頂升0.02mm從測量儀器上讀取一個(gè)負(fù)載值，直到負(fù)載值不再隨頂升量而上升，即，轉(zhuǎn)子與軸瓦脫離為止。此后，繼續(xù)頂升轉(zhuǎn)子，每升高0.05mm讀一次數(shù)，測試四到五個(gè)點(diǎn)。

3）以頂升位移值為橫坐標(biāo)，以頂起負(fù)載為縱坐標(biāo)，將轉(zhuǎn)子脫離軸瓦前的各點(diǎn)連成一條曲線，再將脫離后的5個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)連成直線，則兩條線段的交點(diǎn)即為脫離前軸承的負(fù)載值F，相應(yīng)的橫坐標(biāo)即為轉(zhuǎn)子脫離前的位移h。后五點(diǎn)連線的斜率Δy/Δx，是轉(zhuǎn)子的剛度系數(shù)。軸承靜止時(shí)的負(fù)載為：PS=F-h（Δy/Δx）。由于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)8號瓦大軸承與9號瓦小軸承的油膜厚度不同，其差為ε，此外，分塊可傾瓦在運(yùn)行中會將轉(zhuǎn)子中心抬高l，故在額定轉(zhuǎn)速時(shí)軸承的動(dòng)負(fù)載為：Pd=F-（h+ε-λ）（Δy/Δx）。若 Pd小于軸承負(fù)荷設(shè)計(jì)值，應(yīng)增加基架與底板間的墊片抬高軸承座，同時(shí)增加對輪的開口量，使其等于第一次預(yù)加載試驗(yàn)得到的原始負(fù)載值±{（0～670）+（聯(lián)軸器下開口值）×（ι/d）×（Δy/Δx）}Nm。其中：ι為 9 號軸承軸頸中點(diǎn)到聯(lián)軸器外端面的長度，mm；d為聯(lián)軸器直徑，mm；下開口值，1/100 mm；Δy/Δx為轉(zhuǎn)軸剛度系數(shù)，N/（1/100mm）。

2 檢修要求及電廠發(fā)現(xiàn)的問題

2.1 集電環(huán)轉(zhuǎn)子的檢修技術(shù)要求

1）集發(fā)對輪下張口 0.08～0.10mm；2）垂直度≤0.08mm；3）與 9 號軸承的同心度 0～0.03mm；4）對輪瓢偏度≤0.02mm；5）9號軸承的頂隙應(yīng)為轉(zhuǎn)子軸頸的1.5‰～1.8‰，制造廠要求控制在0.19～0.28mm范圍內(nèi)；而瓦蓋緊力為0～0.05mm。6）根據(jù)出廠資料及現(xiàn)場實(shí)測知：Λ=0.015mm,L=2160mm，D=650mm，由圖3求得轉(zhuǎn)子的最大容許晃度A=0.05mm。

2.2 5號機(jī)發(fā)現(xiàn)的問題

1）在機(jī)組試生產(chǎn)階段5號機(jī)9號瓦的軸振隨開機(jī)次數(shù)和運(yùn)行時(shí)間的延長逐漸增大，最大≥500μm，在打閘試驗(yàn)、甩負(fù)荷試驗(yàn)、超速試驗(yàn)等特殊工況時(shí)的振幅與增大速率尤其顯著。但該瓦處的瓦溫較低且基本不變；2）第一次大修測量的軸徑晃度為0.09mm，同心度為：水平右偏0.3 mm，垂直上偏1.24 mm；3）集發(fā)對輪連接狀態(tài)下，測得對輪瓢偏為0.05mm；4）翻瓦前測量，軸徑在水平方向右移了0.07 mm，垂直方向下降了0.18mm；5）9號軸承蓋的緊力為：左側(cè)-0.17 mm，右側(cè)-0.33 mm ；6）9號軸承的頂部間隙為：左側(cè)0.82mm，右側(cè)0.38 mm。7）對輪連接螺栓的力矩均＜1 600 Nm，各螺栓之間的力矩偏差均＞160 Nm。8）9號瓦軸承座定位銷處存在6絲左右的徑向間隙。9）復(fù)測二次頂載情況，9號瓦負(fù)載小與設(shè)計(jì)負(fù)載偏差大，不合格。

3 問題分析與現(xiàn)場處理

3.1 問題分析

由于是新機(jī)組的首次大修，且機(jī)組試生產(chǎn)期內(nèi)的運(yùn)行操作均符合規(guī)程，因此，可以斷定上述問題源于安裝或制造不良。查閱機(jī)組安裝記錄發(fā)現(xiàn)上述技術(shù)參數(shù)均合格，由此判定參數(shù)是在運(yùn)行過程中“游移”的。由于主要技術(shù)參數(shù)全部超標(biāo)，而發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一切正常，因此判斷集電環(huán)裝置的基準(zhǔn)性結(jié)構(gòu)發(fā)生了故障，分析可知，與安裝參量相關(guān)的基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)主要有兩個(gè)：集發(fā)對輪和9號軸承座。

3.2 現(xiàn)場處理

1）按要求重新找正集電環(huán)轉(zhuǎn)子：水平≤0.07mm，垂直≤0.02mm；2）調(diào)整9號瓦的緊力與間隙，要求：頂部0.20mm，左右兩側(cè)0.11mm；瓦蓋緊力0.03mm；3）找正集發(fā)對輪中心：圓周≤0.02mm，左右≤0.02mm，下開口0.08mm；4）加工修正剪切套筒的長度配合尺寸及精度，其它配合尺寸、精度保持原始加工狀態(tài)；5）調(diào)整螺栓緊力：首先控制在1 200Nm以下，然后根據(jù)晃度調(diào)整力矩，在晃度合格的基礎(chǔ)上，控制最大力矩1 900～2 000 Nm，最小力矩1 600Nm。6）晃度合格后，根據(jù)頂載試驗(yàn)復(fù)查結(jié)果，決定將9號軸承座抬高0.20mm。

4 修后開機(jī)的振動(dòng)故障及處理

4.1 大修后的開機(jī)情況

修后首次開機(jī),9號瓦軸振最大為0.101mm，3 000 r/min時(shí)逐漸降至0.056mm。打閘試驗(yàn)后,第二次啟動(dòng)時(shí)波德圖見圖4，3 000 r/min時(shí)，9X、9Y軸振分別為136mm、135mm，定速后隨著時(shí)間的增加軸振迅速爬升。25 min后，9X、9Y分別增至251mm、236mm，再次打閘停機(jī)。取掉轉(zhuǎn)子的全部整流碳刷，第三次啟動(dòng)并加強(qiáng)暖機(jī)時(shí)間，升速至3 000 r/min時(shí),振動(dòng)基本不變，決定停機(jī)檢查9號瓦。軸瓦解體后發(fā)現(xiàn)：上瓦瓦蓋緊力分別為：左側(cè)-0.05mm，右側(cè)-0.20mm。頂部間隙：左側(cè)0.48mm，右側(cè)0.27mm；二者均發(fā)生了很大變化。測量9號軸徑晃度為0.07mm，也發(fā)生了較大變化。由前述分析認(rèn)為，上述變化是由打閘試驗(yàn)導(dǎo)致對輪螺栓力矩變化引起的。以1 800Nm的力矩將聯(lián)軸器螺栓全部重緊一遍，測量晃度為0.06mm；再用1900Nm的力矩復(fù)緊后晃度變?yōu)?.02mm；最后用2 000Nm的力矩全緊一遍，晃度最大0.03mm，證明了緊力變化且影響晃度的判斷。重新按標(biāo)準(zhǔn)安裝找正后第四次開機(jī)，9號瓦軸振及爬升情況與首次啟動(dòng)時(shí)基本相同。

4.2 9號瓦的振動(dòng)特征

1）打閘試驗(yàn)后再次達(dá)到3 000 r/min時(shí)，9X、9Y同時(shí)增大，爬升快、幅度大，但瓦溫低。8X軸振與9號瓦振幅值均較小，分別為43mm、9mm,且二者基本無變化。2）取掉全部整流碳刷后9號瓦的軸振特征基本不變，降速過程中軸振明顯比升速時(shí)大，臨界對軸振影響大。3）隨9號瓦軸振的爬升，其軸心軌跡不斷外延，但形狀基本不變，9X、9Y分別為248mm、228mm時(shí)的軸心軌跡圖，見圖5。4）3 000 r/min時(shí)9號軸振的主要成分為工頻，其它分量很小。（5）軸承座各連接部分及其與基架、底板、基礎(chǔ)間的垂直方向差別振動(dòng)很小。

圖4 9X（左）、9Y（中）軸振升降速波德圖以及9Y軸振爬升真趨勢圖

圖5 定速時(shí)9號軸振心軌跡圖

4.3 振動(dòng)原因分析

由特征1）可見軸振對造成軸系外力（矩）突變的運(yùn)行工況非常敏感，瓦的負(fù)荷較輕，振動(dòng)與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子無關(guān)；2）、3）、4）可排除動(dòng)靜碰磨原因，但 3）表明9號軸頸的水平晃度大、水平瓦隙大，水平剛度弱。5）可排除垂直安裝剛度弱的原因；4）則表明9號軸振屬普通強(qiáng)迫振動(dòng)，轉(zhuǎn)子存在一定的質(zhì)量不平衡。

由此可見，9號瓦軸振增大與爬升的主要原因是：機(jī)組在甩負(fù)荷、打閘試驗(yàn)、超速等可使軸系產(chǎn)生較大外力（矩）突變的工況下，由于剪切套筒或?qū)喡菟ù嬖谥圃旎虬惭b不良等缺陷，導(dǎo)致對輪各連接螺栓與螺栓孔之間的配合與連接力矩不均勻，部分螺栓產(chǎn)生松弛誘發(fā)對輪螺栓連接力矩發(fā)生動(dòng)態(tài)改變，使轉(zhuǎn)子晃度發(fā)生“漂移”?；味茸兓纬赊D(zhuǎn)子附加不平衡質(zhì)量，由于9號瓦軸振對動(dòng)不平衡響應(yīng)的敏感性，必然形成較大的轉(zhuǎn)子振動(dòng)；而9號瓦負(fù)荷較輕，瓦的間隙和緊力不合理等安裝缺陷，致使轉(zhuǎn)子的外部約束對振動(dòng)響應(yīng)失去有效性；同時(shí)，軸承座定位銷處的徑向間隙又導(dǎo)致其橫向連接剛度大幅降低，使振動(dòng)幅度在水平方向進(jìn)一步放大。缺乏約束又存在放大因素的轉(zhuǎn)子振動(dòng)必然反過來使螺栓緊力更加松弛，形成力矩松弛—晃度改變—附加不平衡—振動(dòng)—振動(dòng)放大—力矩更加松弛的惡性循環(huán)，使9號軸振急劇衍化，從而在很短時(shí)間內(nèi)形成振動(dòng)攀升和振動(dòng)故障跳機(jī)。

4.4 振動(dòng)處理

重新修配定位銷，緊固9號軸承座地腳螺栓并在第四次開機(jī)的基礎(chǔ)上對集電環(huán)轉(zhuǎn)子進(jìn)行高速動(dòng)平衡，處理后，第五次開機(jī)時(shí)9X軸振的升速波德圖，見圖6，其軸振不再變化并達(dá)到優(yōu)良。

圖6 動(dòng)平衡后9X軸振的升、降速波德圖

5 結(jié)論

1）9號瓦軸振對轉(zhuǎn)子的質(zhì)量不平衡響應(yīng)敏感，主要原因是由于其特殊的三支撐結(jié)構(gòu)對軸承負(fù)荷、安裝剛度等響應(yīng)敏感，振動(dòng)容易被放大或不能得到有效限制。因此應(yīng)嚴(yán)格按要求進(jìn)行9號瓦加載試驗(yàn)，對已經(jīng)采用預(yù)加載工藝的轉(zhuǎn)子，若發(fā)現(xiàn)瓦溫偏低、晃度變化并軸振異常時(shí)，建議增加二次加載試驗(yàn)。

2）重視螺栓剪切套筒的形式、加工精度和裝配質(zhì)量。建議采用錐形等新型結(jié)構(gòu)的套筒或螺栓，保證螺栓與螺栓孔間的接觸均勻性和脹緊可靠性，增強(qiáng)對輪連接剛度，以防止對輪連接再次松弛引發(fā)振動(dòng)。

3）對集電環(huán)轉(zhuǎn)子的異常軸振分析和處理，應(yīng)同時(shí)兼顧軸承座或軸瓦的支撐剛度、對輪連接剛度以及轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡三個(gè)方面。在保證晃度合格的基礎(chǔ)上應(yīng)盡量采用上限力矩連接對輪。