周清武， 付烈坤， 杜 軒， 董 勤

(1.中國東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司， 四川 德陽 618000；2.華能瀾滄江水電股份有限公司， 昆明 650214)

引 言

水輪發(fā)電機(jī)組在調(diào)試、運行、維護(hù)參數(shù)的穩(wěn)定性中，各部位測點振動擺度為機(jī)組工作性能的重要指標(biāo)，導(dǎo)軸承處擺度值異常增大是機(jī)組參數(shù)不正常現(xiàn)象，此現(xiàn)象發(fā)生的原因比較復(fù)雜，有單個原因的情況，也有多個原因共同作用。新機(jī)啟機(jī)的調(diào)試機(jī)組出現(xiàn)該現(xiàn)象與機(jī)組結(jié)構(gòu)安裝、瓦塊間隙大小調(diào)整、推力頭鏡板平面度、機(jī)組軸線盤車、軸系不同心、滑轉(zhuǎn)子熱套緊量[1]、大軸加工精度、軸領(lǐng)處的大軸表面熱彎曲變形[2]、質(zhì)量偏心及整個旋轉(zhuǎn)部件動不平衡[3]等因素有關(guān)。當(dāng)正常運行工況下的機(jī)組突然出現(xiàn)此現(xiàn)象，與機(jī)組長期運行導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)性松動、瓦塊松動、動靜摩擦(包括接觸式油擋與大軸摩擦、支柱螺栓斷裂[4]或油位過低及循環(huán)油中有夾渣導(dǎo)致瓦塊與大軸干摩擦[5])、疲勞斷裂導(dǎo)致結(jié)構(gòu)支撐剛度不對稱、軸線偏差等原因有關(guān)。李剛[6]針對擺度增大、導(dǎo)軸承溫度[7]升高的現(xiàn)象主要對安裝技術(shù)、動靜摩擦和導(dǎo)瓦間隙大小調(diào)整等方面進(jìn)行了分析。陳一銘[8]提出的擺度異常主要分析的是接觸式密封油擋發(fā)生動靜摩擦局部發(fā)熱，產(chǎn)生溫度升高導(dǎo)致的結(jié)果。齊宏芳[9]對導(dǎo)致水輪發(fā)電機(jī)振擺[10]偏大的原因進(jìn)行了梳理，并對軸承缺陷、機(jī)組軸線不正、轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡[11]、動靜摩擦以及支撐系統(tǒng)剛度不足所導(dǎo)致的水輪發(fā)電機(jī)振擺偏大問題進(jìn)行了分析，探究了具體的解決方法，為水輪發(fā)電機(jī)振擺偏大問題提供有效的防范措施。李華[12]重點介紹了下導(dǎo)擺度增大的故障查找、分析，并提出了可靠的解決方案及合理化建議，對后續(xù)機(jī)組類似問題處理有著重要的參考價值。以上文獻(xiàn)均提出有關(guān)水輪發(fā)電機(jī)組擺度增大分析各種原因：包括導(dǎo)瓦間隙調(diào)整、安裝技術(shù)及動靜摩擦發(fā)熱[13]或碰磨發(fā)熱[14]引起擺度增大，而且對振動時域傅里葉變換[15]的頻率成分、產(chǎn)生機(jī)理做出比較詳細(xì)的分析，但是對現(xiàn)場出現(xiàn)此現(xiàn)象沒有具體的預(yù)判方法，只能在幾種可能情況下進(jìn)行逐一排除，而實際工程應(yīng)用過程中往往需要快速找出確切的問題癥結(jié)點，直接迅速處理問題，為生產(chǎn)任務(wù)爭取更多時間。為了研究該現(xiàn)象產(chǎn)生的根本原因，本文分析下導(dǎo)擺度異常增大與導(dǎo)軸承處摩擦發(fā)熱現(xiàn)象有關(guān)并可能是幾種問題的綜合，明確闡述工程中具體應(yīng)用方法和實際解決問題，結(jié)合機(jī)組當(dāng)時運行工況，現(xiàn)場進(jìn)行振動測試分析數(shù)據(jù)，同時首次運用溫度干預(yù)方法，精準(zhǔn)排除故障原因，并在后續(xù)檢修過程中重點檢查和排查部位，予以對比、驗證，通過故障診斷[16]達(dá)到解決問題的目的。

1 問題背景描述

某電廠水輪發(fā)電機(jī)組在正常運行工況下，下導(dǎo)擺度出現(xiàn)異常增大現(xiàn)象，運行一段時間后下導(dǎo)擺度值慢慢地爬升增大，經(jīng)過幾天增長，增長到超過報警值，過后開始緩慢下降，并逐漸恢復(fù)正常，此時的油溫正常，局部幾塊瓦溫略有增長，其他參數(shù)均正常，此情況在下次冷態(tài)開機(jī)又重復(fù)出現(xiàn)。本文針對此現(xiàn)象進(jìn)行了現(xiàn)場振動擺度測試分析，對下導(dǎo)處的大軸和滑轉(zhuǎn)子擺度值進(jìn)行比較測試。

2 試驗數(shù)據(jù)分析

振動測試系統(tǒng)[17]為ZonicBook618e信號分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)可直接與振動位移傳感器、速度傳感器及加速度傳感器連接，具有1次、2次積分功能。對不同類型傳感器輸入不同的靈敏度，該測試系統(tǒng)具有跟蹤濾波功能，可測量振動通頻值，1次諧波振動幅值及相位及2次諧波振動幅值及相位?；诳焖俑道锶~變換原理和數(shù)字信號處理技術(shù)，分析系統(tǒng)對輸入的模擬信號進(jìn)行抗混濾波[18]及防泄漏技術(shù)，經(jīng)采樣保持和模數(shù)轉(zhuǎn)換等初步處理后，按不同要求對信號進(jìn)行時域分析、頻域分析和幅值分析等。

2.1第一組數(shù)據(jù)測量，開機(jī)并網(wǎng)

20分鐘后機(jī)組帶穩(wěn)定負(fù)荷270 MW，此時測量第一組振動、擺度數(shù)據(jù)，得到振動棒圖及振動數(shù)據(jù)分別如圖1、圖2所示，并由此獲得振動擺度值，見表1。下導(dǎo)大軸處的擺度二倍頻比一倍頻大近兩倍(主軸表面加工精度不高所致)，下導(dǎo)滑轉(zhuǎn)子處擺度主要是一倍頻，下機(jī)架振動很小。

根據(jù)該工況下的測量數(shù)據(jù)，排除了機(jī)組機(jī)械質(zhì)量方面的動不平衡因素；同時頻譜中未見100 Hz頻率成分，排除了定子圓度與轉(zhuǎn)子圓度以及其同心度導(dǎo)致的偏心磁拉力不平衡因素；頻譜中未見低頻成分，排除了水力不平衡因素。

從表1中的振擺數(shù)據(jù)來看，各測點振擺值都達(dá)到優(yōu)良；擺度頻譜成分中，上導(dǎo)主要是一倍頻和二倍頻。

圖2振動數(shù)據(jù)

表1開機(jī)20分鐘后振動擺度值(帶負(fù)荷270 MW)

從整個測試數(shù)據(jù)來看，下導(dǎo)滑轉(zhuǎn)子處擺度x方向的相位角基本穩(wěn)定在160°左右，y方向的相位角基本穩(wěn)定在70°左右，說明整個下導(dǎo)軸徑向振動穩(wěn)定，鏡板水平度很好。

開機(jī)后下導(dǎo)擺度變化趨勢如圖3所示。從圖3的曲線上可見(箭頭指處),開機(jī)后下導(dǎo)擺度已經(jīng)呈現(xiàn)上升趨勢。

圖3開機(jī)后下導(dǎo)擺度變化趨勢

2.2 第二組數(shù)據(jù)測量

機(jī)組運行17小時，負(fù)荷220 MW，下導(dǎo)擺度已經(jīng)上升至380 μm。此時采集了第二組數(shù)據(jù)，見表2。

表2開機(jī)17小時后振動擺度值(單位：μm)

從表2中數(shù)據(jù)來看，上導(dǎo)擺度、下機(jī)架振動變化量均較?。幌聦?dǎo)擺度主軸、滑轉(zhuǎn)子處均有較大幅度的上升，主軸增量約為160 μm，滑轉(zhuǎn)子增量約為280 μm；主軸與滑轉(zhuǎn)子測點安裝高程差約30 cm，變化幅值理論上應(yīng)基本一致。

主軸、滑轉(zhuǎn)子擺度增量部分主要集中在一倍頻和二倍頻，且與第一組采集數(shù)據(jù)一致：頻譜成分中沒有100 Hz頻率成分出現(xiàn)，下導(dǎo)滑轉(zhuǎn)子處擺度相位角較第一組采集無明顯變化，說明機(jī)組轉(zhuǎn)動部分旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定、未發(fā)生偏移。

機(jī)組運行時轉(zhuǎn)動部件的不平衡、偏心不會無故發(fā)生改變，轉(zhuǎn)速為固定轉(zhuǎn)速75 rpm，因此機(jī)組實際擺度不應(yīng)在一倍頻和二倍頻出現(xiàn)大幅度的變化。

2.3主軸與滑轉(zhuǎn)子及軸瓦溫度對比分析

機(jī)組開機(jī)前對主軸、滑轉(zhuǎn)子溫度進(jìn)行測量，均為27.5 ℃。開機(jī)后旋轉(zhuǎn)過程中，使用熱成像儀測量溫度場時能明顯看到滑轉(zhuǎn)子、主軸各部位溫度不一致，數(shù)據(jù)對比見表3。成像顯示冷色、熱色交替；且溫度仍在逐漸上升，運行17 h后溫度較其他機(jī)組(已運行36 h)明顯偏大。

滑轉(zhuǎn)子溫度較其他機(jī)組對比結(jié)果可見，測量其他機(jī)組(已運行36 h)滑轉(zhuǎn)子溫度，最高溫度為40.9 ℃，該機(jī)組(運行17 h)最高溫度(61.1 ℃)較另臺機(jī)組(已運行36 h)高20.2 ℃。瓦溫偏差結(jié)果見表4。表4中可見，下導(dǎo)瓦溫最大值與最小值偏差14.5 ℃，軸瓦存在受力不均情況。

表3某機(jī)組主軸與滑轉(zhuǎn)子溫度對比(單位：℃)

表4某機(jī)組最高瓦溫與滑轉(zhuǎn)子溫度對比(單位：℃)

檢修前、后滑轉(zhuǎn)子溫度對比分析分別如圖4和圖5所示。由圖4與圖5可見：(1)滑轉(zhuǎn)子溫度逐漸上升，周向各部位溫度不一致，溫差造成表面膨脹產(chǎn)生偏差，因此出現(xiàn)擺度逐漸上升現(xiàn)象，溫度逐漸上升原因主要在于滑轉(zhuǎn)子與固定部件存在干摩擦[11](如油槽毛氈、軸瓦、絕緣板)、軸瓦受力不均局部摩擦；(2)滑轉(zhuǎn)子溫度較主軸溫度偏高，表面膨脹較大，因此滑轉(zhuǎn)子擺度增幅相對較大；(3)運行17 h后滑轉(zhuǎn)子溫度較瓦溫高9.8 ℃，此時可能滑轉(zhuǎn)子向軸瓦反向傳導(dǎo)熱量，瓦溫與擺度同步出現(xiàn)逐漸上升的現(xiàn)象，也并不能排除單個或數(shù)個軸瓦受力偏大，且與滑轉(zhuǎn)子固定部位產(chǎn)生摩擦造成瓦溫與滑轉(zhuǎn)子溫度同時上升。

圖4檢修前滑轉(zhuǎn)子周向溫度分布(單位：℃)

圖5檢修后滑轉(zhuǎn)子周向溫度分布(單位：℃)

2.4 溫度干預(yù)效果

基于上述分析，造成下導(dǎo)擺度增大的主要原因系溫升和溫差引起，于是采取了壓縮空氣吹氣降溫方式，人為對滑轉(zhuǎn)子進(jìn)行降溫，共計降溫兩次(圖6中箭頭所示)。

圖6兩次溫度干預(yù)降溫后下導(dǎo)擺度變化趨勢

從擺度曲線圖6可以看出，第一次降溫時間較短，未見明顯下降，但趨勢變化明顯；第二次降溫后擺度出現(xiàn)明顯下降趨勢，停止降溫后擺度繼續(xù)上升；上述現(xiàn)象進(jìn)一步驗證了導(dǎo)致下導(dǎo)擺度增加的因素在于溫度和溫差。

2.5 檢修前測試分析

(1)機(jī)組機(jī)械動不平衡分量很小，排除偏心磁拉力對機(jī)組的影響；(2)下導(dǎo)擺度增長與負(fù)荷大小無直接關(guān)聯(lián)；(3)軸瓦溫差較大，下導(dǎo)瓦存在受力不均勻現(xiàn)象；(4)機(jī)組下導(dǎo)滑轉(zhuǎn)子表面溫度相對正常機(jī)組要高，存在局部發(fā)熱現(xiàn)象；(5)下導(dǎo)擺度持續(xù)增大受滑轉(zhuǎn)子局部發(fā)熱及軸瓦受力不均共同作用；(6)熱成像儀中下導(dǎo)滑轉(zhuǎn)子表面溫度冷色與熱色交替出現(xiàn)，說明存在受熱不均問題，使得大軸產(chǎn)生熱彎曲(圖4)，而對表面降溫后擺度明顯下降，說明滑轉(zhuǎn)子局部發(fā)熱對擺度上升的貢獻(xiàn)較大；(7)下導(dǎo)滑轉(zhuǎn)子存在局部發(fā)熱、摩擦發(fā)熱或碰磨發(fā)熱的可能性，重點檢查冷卻系統(tǒng)、毛氈油密封以及可能產(chǎn)生發(fā)熱的各種可能性。

3 后續(xù)檢修結(jié)果

3.1檢修中檢查情況

(1)下導(dǎo)軸瓦球面支柱螺栓斷裂：下導(dǎo)軸承球面支柱螺栓有5顆斷裂，如圖7所示，其中有兩處出現(xiàn)如下情況：一塊瓦螺栓斷裂后向相鄰?fù)咭苿涌拷?，均沿機(jī)組旋轉(zhuǎn)順時針方向滑動。(2)軸瓦間隙測量：相對的兩個軸瓦之間總間隙為0.258 mm，較上次檢修后(0.62 mm)變化較大，檢查軸瓦、滑轉(zhuǎn)子均無明顯的高點、毛刺。其中一處軸瓦夾板球面支柱頂點的痕跡已明顯偏心，如圖8所示，導(dǎo)致軸瓦總間隙變小。(3)各部位間隙檢查：絕緣板與滑轉(zhuǎn)子最小間隙為0.65 mm，且無明顯摩擦痕跡。(4)接油槽與主軸間隙最小為0.8 mm，無明顯摩擦痕跡。(5)檢修前毛氈與滑轉(zhuǎn)子之間使用0.5 mm塞尺，約2/3圓周方向不能通過；檢修中毛氈拆卸后部分段存在明顯發(fā)黑的摩擦痕跡。(6)軸瓦檢查情況：部分瓦有較為明顯的磨損，其中一處瓦的磨損最為嚴(yán)重。

圖7球面支柱夾板螺栓斷裂情況

3.2 檢修中處理和調(diào)整方案

(1)更換高強度的球面支柱螺栓；(2)對磨損較為嚴(yán)重的4塊軸瓦進(jìn)行挑花刮瓦；(3)調(diào)整軸瓦間隙；(4)更換毛氈及調(diào)整間隙。

3.3 修后啟動試驗情況

(1)檢修后空轉(zhuǎn)運行，下導(dǎo)最大擺度X:179 μm,Y:161 μm，擺度無明顯上升趨勢。升流試驗，最大擺度X:124 μm,Y:167 μm，擺度無明顯上升趨勢。

圖8軸瓦夾板球面支柱頂點錯位

(2)機(jī)組各部位振動擺度情況：修后首次開機(jī)，各部位擺度、振動穩(wěn)定后記錄數(shù)據(jù)見表5。由表5可見，發(fā)電機(jī)上導(dǎo)、下導(dǎo)擺度均未超過標(biāo)準(zhǔn)(上導(dǎo)300 μm、下導(dǎo)375 μm、設(shè)計總間隙的75%)。

(3)滑轉(zhuǎn)子溫度：機(jī)組升壓試驗機(jī)組停機(jī)后滑轉(zhuǎn)子圓周方向溫度較均衡，以同一平面周向溫度介于30 ℃～34 ℃之間,與圖5中溫度分布一致。

表5啟動試驗各部位振動擺度

4 結(jié)束語

從檢修前專項測試和溫度干預(yù)后的擺度變化情況來看，能夠確定下導(dǎo)擺度異常上升與滑轉(zhuǎn)子溫度有直接聯(lián)系。專項測試工作結(jié)束，機(jī)組停機(jī)后測量的滑轉(zhuǎn)子最高溫度60 ℃，溫差為17.9 ℃(此時用0.05 mm塞尺測量滑轉(zhuǎn)子與主軸間隙，均不能通過)，滑轉(zhuǎn)子各部位溫度不均勻造成表面熱膨脹不均勻，開機(jī)后滑轉(zhuǎn)子溫度和溫差變大是一個緩慢變化過程，反應(yīng)為下導(dǎo)擺度緩慢上升。結(jié)合檢修中下導(dǎo)軸承檢查情況發(fā)熱源可能存在于三個方面：(1)軸瓦受力不均，兩塊軸瓦因球面支柱螺栓斷裂脫離原安裝位置，緊靠相鄰軸瓦；(2)造成相鄰軸瓦進(jìn)油不暢[19]，冷卻降溫效果不佳瓦溫上升，同時滑轉(zhuǎn)子與瓦的摩擦部位局部溫度上升；(3)毛氈間隙過小，毛氈與滑轉(zhuǎn)子局部存在摩擦，摩擦產(chǎn)生熱量造成滑轉(zhuǎn)子摩擦部位局部溫度上升?；D(zhuǎn)子溫度和溫差變大可能受軸瓦受力不均和毛氈局部摩擦共同作用，造成擺度異常上升,因此針對該現(xiàn)象，采用人為溫度干預(yù)方法的效果明顯，從而找出了問題癥結(jié)所在。