柳　磊，馬國(guó)偉

(國(guó)電科學(xué)技術(shù)研究院 銀川電力技術(shù)分院，寧夏銀川750001)

600 MW汽輪發(fā)電機(jī)軸瓦振動(dòng)分析

柳磊，馬國(guó)偉

(國(guó)電科學(xué)技術(shù)研究院 銀川電力技術(shù)分院，寧夏銀川750001)

摘要：某廠600 MW火電汽輪發(fā)電機(jī)存在瓦振大、軸振小的問(wèn)題。為解決此問(wèn)題，應(yīng)用振動(dòng)力學(xué)理論建立大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸承-轉(zhuǎn)子-支撐系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型，結(jié)合該機(jī)組啟動(dòng)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究。結(jié)果表明，在柔性支撐系統(tǒng)下，軸振、瓦振關(guān)系受支撐動(dòng)力特性影響較大，二者大小關(guān)系不再是簡(jiǎn)單的比例關(guān)系；軸、瓦振動(dòng)均反映機(jī)組的振動(dòng)性能，都應(yīng)引起足夠的重視，單獨(dú)考慮其中一個(gè)都不合理；在升速過(guò)程中，機(jī)組軸振、瓦振大小變化比較復(fù)雜，其幅值大小及相位隨轉(zhuǎn)速增加而變化。最終得出，支撐剛度較弱是引起該機(jī)組出現(xiàn)瓦振大、軸振小現(xiàn)象的主要原因。

關(guān)鍵詞：發(fā)電機(jī)組；振動(dòng)；支撐；剛度

中圖分類號(hào)：TK268

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2015.06.011

收稿日期：2015-04-08。

作者簡(jiǎn)介：柳磊(1986-)，男，工程師，主要從事旋轉(zhuǎn)機(jī)械強(qiáng)度振動(dòng)技術(shù)研究及電廠節(jié)能診斷工作，E-mail:441693868@qq.com。

Abstract：The bearing vibration is greater than shaft vibration in one 600 MW turbine generator. In order to solve this problem, we apply the vibration mechanics theory to build the simplified model of Bearing-Rotor-Support system, and use the start-up of the unit vibration data to analyze this problem. The results show that in the flexible-supporting system, the relationship between shaft vibration and bearing vibration is influenced by supporting dynamic characteristics, the size relation of them is not a simple proportional relationship; they all reflect the vibration performance of the unit, which should be aroused enough attention. Besides, it is not reasonable to consider only one aspect. It is concluded that the size change of shaft vibration and bearing vibration is more complex in the process of raising speed, their amplitude and phase are changing with the raising speed. Finally, the resulte show that this vibration phenomenon is mainly caused by the bearing stiffness.

Keywords：turbo-generator; vibration; support; stiffness

0引言

目前，隨著火電汽輪機(jī)組容量的增大，汽輪發(fā)電機(jī)組軸系的不穩(wěn)定性表現(xiàn)的更加突出[1]。軸系的不穩(wěn)定性，通過(guò)機(jī)組的振動(dòng)情況表現(xiàn)出來(lái)。振動(dòng)作為影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要參數(shù)，直接反映機(jī)組的健康狀況[2，3]。由此，各級(jí)技術(shù)人員對(duì)振動(dòng)問(wèn)題均非常重視。

某廠600 MW火電汽輪機(jī)組，汽輪機(jī)為東方汽輪機(jī)廠生產(chǎn)，型式為亞臨界、中間再熱、單軸、兩缸兩排汽、直接空冷凝汽式汽輪機(jī)，發(fā)電機(jī)為東方電機(jī)股份有限公司引進(jìn)日本日立公司(HITACHI)技術(shù)制造的。機(jī)組采用高、中壓合缸結(jié)構(gòu),低壓缸為雙流反向布置，運(yùn)轉(zhuǎn)層標(biāo)高13.7 m,總長(zhǎng)19.48 m(包括罩殼),軸系總長(zhǎng)33 m(包括罩殼、發(fā)電機(jī))。該型汽輪發(fā)電機(jī)組軸系共安裝7個(gè)軸承， 1、2號(hào)軸承采用可傾瓦式軸承，3～7號(hào)軸承采用橢圓形軸承。

本文針對(duì)該機(jī)組出現(xiàn)的發(fā)電機(jī)兩端軸振小、瓦振大的現(xiàn)象，應(yīng)用振動(dòng)力學(xué)理論建立大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸承-轉(zhuǎn)子-支撐系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型，研究了發(fā)電機(jī)軸承出現(xiàn)的軸振小、瓦振大的故障機(jī)理，并結(jié)合機(jī)組啟動(dòng)數(shù)據(jù)，闡述故障機(jī)理。

1機(jī)組振動(dòng)情況

該機(jī)組軸系由高中壓轉(zhuǎn)子、低壓轉(zhuǎn)子、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子組成，軸系布置如圖1所示。發(fā)電機(jī)兩端軸承編號(hào)為5、6號(hào)。

圖1　機(jī)組軸系布置圖

該機(jī)組正常帶負(fù)荷運(yùn)行過(guò)程中，各軸承振動(dòng)數(shù)據(jù)如表1所示(其他各軸承振動(dòng)優(yōu)良，無(wú)此現(xiàn)象)。發(fā)電機(jī)兩端瓦振較大，軸振較小。5號(hào)軸承瓦振與其X，Y方向軸振的比值分別為2.13∶1和1.48∶1號(hào)、6號(hào)軸承瓦振與其X，Y方向軸振的比值分別為3.6∶1和1.87∶1。5號(hào)、6號(hào)軸承瓦振均大于其軸振，兩側(cè)振動(dòng)特性表現(xiàn)一致。

表1　機(jī)組振動(dòng)數(shù)據(jù)

2軸承-轉(zhuǎn)子-支撐系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型分析

汽輪機(jī)組采用的滑動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有可傾瓦軸承、三油楔軸承、橢圓軸承等。早期由于汽輪機(jī)組單機(jī)功率小，軸承多為不落地式軸承。隨著單機(jī)容量的增加，現(xiàn)有300 MW及以上機(jī)組均采用落地式軸承[4]。本文研究即為落地式軸承。

為了分析該發(fā)電機(jī)出現(xiàn)的軸振小、瓦振大的原因，建立軸承-轉(zhuǎn)子-支撐系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，如圖2所示。

圖2　軸承-轉(zhuǎn)子-支撐系統(tǒng)模型

2.1　簡(jiǎn)化模型建立

該模型僅考慮垂直方向的振動(dòng)，它將轉(zhuǎn)子-軸承簡(jiǎn)化為油膜剛度ks、阻尼cs和轉(zhuǎn)子質(zhì)量ms，將軸承-支撐簡(jiǎn)化為支撐剛度kb、阻尼cb和質(zhì)量mb，簡(jiǎn)化后模型是一個(gè)兩自由度系統(tǒng)[5，6]。

假設(shè)該模型系統(tǒng)在頻率為ω的不平衡力作用下，轉(zhuǎn)子和軸承座垂直方向上的振動(dòng)幅值分別ys，yb，轉(zhuǎn)子偏心為e，則簡(jiǎn)化系統(tǒng)振動(dòng)方程為：

聯(lián)立以上兩式，在忽略阻尼cs，cb時(shí)，可得出轉(zhuǎn)子和軸承座的絕對(duì)振動(dòng)幅值Ys，Yb，滿足：

由于通常測(cè)量所得的軸振為相對(duì)于軸承座的振動(dòng)，所以軸振的相對(duì)振動(dòng)可以表示為Y，滿足：

Y=Ys-Yb

2.2　支撐剛度對(duì)軸振、瓦振大小的影響

在振動(dòng)分析時(shí)，通過(guò)增大軸承座的支撐剛度kb，使支撐系統(tǒng)的固有頻率增大。在相同的工作轉(zhuǎn)速下，增大支撐系統(tǒng)的固有頻率，能很好地避免出現(xiàn)支撐系統(tǒng)與汽缸共振的現(xiàn)象。同樣，減小軸承座支撐剛度kb到一定值時(shí)，支撐系統(tǒng)固有頻率下降，在轉(zhuǎn)子升速時(shí)，就有可能出現(xiàn)支撐系統(tǒng)與汽缸共振的現(xiàn)象。

一般觀點(diǎn)認(rèn)為，瓦振是由于軸振引起的，所以軸振應(yīng)該大于瓦振，瓦振是軸振的放大。但是，隨著機(jī)組容量的增大，汽輪機(jī)組支撐系統(tǒng)不再是簡(jiǎn)單的剛性支撐,而是柔性支撐，不應(yīng)再用剛性支撐理論去研究柔性支撐系統(tǒng)。在柔性支撐系統(tǒng)下，軸振、瓦振的大小關(guān)系不在是簡(jiǎn)單的比例關(guān)系[7]。通過(guò)上述模型計(jì)算得出：

(1)支撐剛度kb較大或者ω較小，使得kb-ω2mb>ks,Y>Yb。此時(shí)，軸振大于瓦振，當(dāng)轉(zhuǎn)速升高時(shí)，軸振、瓦振同相；

(2)當(dāng)ω和kb變化，使kb-ω2mb≈0，Y≈0,此時(shí)，軸振近似等于0，瓦振遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于軸振；

(3)支撐剛度kb較小或者ω較大，使得kb-ω2mb0軸振、瓦振同相，當(dāng)kb-ω2mb<0軸振、瓦振反相。

3汽輪發(fā)電機(jī)振動(dòng)分析

圖3～5給出了該機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中，5號(hào)、6號(hào)軸承軸振、瓦振隨轉(zhuǎn)速變化關(guān)系曲線。從圖中可以看出：

圖3　5X/Y軸振伯德圖

圖5　5號(hào)、6號(hào)瓦振伯德圖機(jī)組啟動(dòng)伯德圖

(1)升速過(guò)程中，5號(hào)，6號(hào)軸振隨轉(zhuǎn)速變化明顯，在臨界轉(zhuǎn)速附近有較大峰值變化。

(2)在整個(gè)升速過(guò)程中，軸振、瓦振大小變化比較復(fù)雜。大致可以分為兩個(gè)過(guò)程：0～1 500r/min，軸振大于瓦振，1 500～3 000 r/min，瓦振大于軸振。3 000 r/min定速帶負(fù)荷后，瓦振軸振差基本維持在20 μm左右。

結(jié)合模型分析的結(jié)果，該機(jī)組出現(xiàn)瓦振大、軸振小的故障現(xiàn)象是由于支撐系統(tǒng)剛度較小造成的?？紤]到機(jī)組帶負(fù)荷正常運(yùn)行時(shí)，振動(dòng)值不大。建議對(duì)支撐基礎(chǔ)進(jìn)行加固，以增加系統(tǒng)剛度。

4結(jié)論

(1)對(duì)于現(xiàn)行的大容量、高參數(shù)汽輪發(fā)電機(jī)組，支撐系統(tǒng)已不局限于剛性支撐。在研究柔性支撐系統(tǒng)時(shí)，軸振、瓦振大小關(guān)系變得復(fù)雜，以往簡(jiǎn)單的比例關(guān)系已經(jīng)不再適用。

(2)軸振、瓦振都反映機(jī)組的振動(dòng)性能，兩者都應(yīng)該引起足夠的重視，單獨(dú)考慮軸振大小或瓦振大小都不合理。

(3)模型研究結(jié)果表明，在機(jī)組升速過(guò)程中，軸振和瓦振的幅值大小以及相位都是隨轉(zhuǎn)速變化的。

參考文獻(xiàn):

[1]施維新，石靜波.汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)及事故[M].北京：中國(guó)電力出版社,2008.

[2]孫慶，李汪繁，王秀瑾.600 MW超臨界空冷機(jī)組基礎(chǔ)及軸承座剛度研究[J].發(fā)電設(shè)備, 2012,26(4):217-221.

[3]楊群發(fā).600 MW汽輪機(jī)軸瓦溫高的動(dòng)態(tài)調(diào)整研究[J].電力科學(xué)與工程,2014,30(11):68-72.

[4]單世超，陳伯樹(shù)，平路光.大型汽輪機(jī)軸承支撐剛度研究[J].汽輪機(jī)技術(shù), 2012,54(3):201-203.

[5]倪守龍，唐貴基，張文德.某引進(jìn)型600 MW超臨界汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)故障分析與處理[J].電力科學(xué)與工程,2013,29(7):54-57.

[6]楊建剛.旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)分析與工程應(yīng)用[M].北京：中國(guó)電力出版社,2007.

[7]田永偉，楊建剛.大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸振瓦振比例關(guān)系的深入研究[J].振動(dòng)與沖擊, 2008,27(S):82-84.

Analysis of Bearing Vibration Fault for the 600 MW Turbo-generator

Liu Lei, Ma Guowei

(Yinchuan Power Technology Branch of Guodian Science and Technology Research Institute, Yinchuan 750001,China)