汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子中心孔進(jìn)油引起的振動(dòng)分析
〔摘 要〕 針對(duì)50MW汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子中心孔進(jìn)油的故障事件，通過對(duì)汽輪機(jī)振動(dòng)特點(diǎn)的描述，分析了汽輪機(jī)振動(dòng)和轉(zhuǎn)子中心孔進(jìn)油的原因以及引起振動(dòng)的機(jī)理，提出了該故障的診斷方法和防止轉(zhuǎn)子中心孔進(jìn)油的措施。
〔關(guān)鍵詞〕 汽輪機(jī)；轉(zhuǎn)子；振動(dòng)
2004年河南省電力系統(tǒng)連續(xù)出現(xiàn)2起汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子中心孔進(jìn)油的故障，1臺(tái)為125 MW機(jī)組，1臺(tái)為50 MW機(jī)組。本文針對(duì)其中的1臺(tái)50 MW汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子中心孔進(jìn)油原因進(jìn)行了分析，并提出該故障的診斷方法和解決問題的途徑。
1 振動(dòng)特點(diǎn)
汽輪機(jī)型號(hào)為C50-8.83/0.981，發(fā)電機(jī)型號(hào)為QF-60-2。所示，1，2號(hào)軸承支承汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子，1號(hào)軸承為座落前箱內(nèi)的落地軸承，2號(hào)軸承座落在排汽缸上，3，4號(hào)軸承支承發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，均為落地軸承。汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子以剛性聯(lián)軸器連接。
1.1 配重前啟動(dòng)
2004-06-26，啟動(dòng)升速至過臨界轉(zhuǎn)速的過程中，2號(hào)軸承最大振動(dòng)為39.1 祄，其它軸承振動(dòng)均小于30 祄，說明汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的平衡狀態(tài)良好。
空載3 000 r/min下，除了2號(hào)軸承垂直振動(dòng)39 祄外，其它軸承振動(dòng)均在30 祄以下。帶負(fù)荷到48 MW，2號(hào)軸承振動(dòng)從60 祄很快升至84.5 祄，被迫打閘停機(jī)。降速過臨界轉(zhuǎn)速2號(hào)軸承垂直振動(dòng)達(dá)125 祄。盤車時(shí)，大軸撓度比開機(jī)增大40 祄。從3 000 r/min→帶負(fù)荷→停機(jī)過程的軸承垂直振動(dòng)趨勢(shì)圖可知，振動(dòng)增大的部位主要是2號(hào)軸承，發(fā)電機(jī)的2個(gè)軸承振動(dòng)基本不變，因而可以判定故障存在于汽輪機(jī)側(cè)。
根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，一般存在轉(zhuǎn)子熱變形的機(jī)組，只要把空載3 000 r/min時(shí)的下軸承基頻振動(dòng)降低到20 祄以下，帶負(fù)荷后的振動(dòng)就能維持在50 祄以內(nèi)的合格范圍。所以停機(jī)后在汽輪機(jī)末級(jí)葉輪進(jìn)行配重，以降低2號(hào)軸承的垂直振動(dòng)。
1.2 配重后啟動(dòng)
2004-06-27，機(jī)組配置后再次啟動(dòng)，在空載3 000 r/min下，2號(hào)軸承的垂直振動(dòng)為15 祄，其它均小于15 祄。帶負(fù)荷20 MW時(shí)振動(dòng)基本不變，負(fù)荷增到30 MW，2號(hào)軸承振動(dòng)增大至40 祄，穩(wěn)定一段時(shí)間后，振動(dòng)稍有降低。接著開始升負(fù)荷至35 MW，振動(dòng)升至46.8 祄。立刻減負(fù)荷至30 MW，振動(dòng)突升至54.1 祄，又升負(fù)荷至37 MW，振動(dòng)繼續(xù)升高。隨即減負(fù)荷，當(dāng)振動(dòng)升到91.7 祄時(shí)，打閘停機(jī)。降速過臨界轉(zhuǎn)速2號(hào)軸承垂直振動(dòng)達(dá)8 祄。盤車時(shí)大軸撓度比開機(jī)增大100 祄。
1.3 第3次啟動(dòng)
前2次啟動(dòng)過程中，后汽封溫度達(dá)300℃，而該汽封設(shè)計(jì)汽源為除氧器汽平衡供汽，溫度在150℃左右，顯然后汽封溫度偏高；另外，前2次啟動(dòng)過程中，本體疏水沒有打開。
為了排除這2個(gè)因素的影響，2004-06-29又開一次機(jī)。在這一次啟動(dòng)過程中，本體疏水全部打開，后汽封溫度控制在160℃以下。這次從啟動(dòng)升速過程到20 MW負(fù)荷，2號(hào)軸承振動(dòng)與上一次差別不大。負(fù)荷到24 MW，2號(hào)軸承振動(dòng)開始快速突升到
90.7 祄，被迫打閘停機(jī)。
3次啟動(dòng)過程的振動(dòng)特點(diǎn)為：
(1) 振動(dòng)主要是基頻成份，其它分量很少，因此屬于不平衡激起的強(qiáng)迫振動(dòng)；
(2) 振動(dòng)隨時(shí)間和啟停機(jī)的次數(shù)增多而顯著增大，振動(dòng)突增負(fù)荷點(diǎn)一次比一次小，說明振動(dòng)故障逐次惡化；
(3) 當(dāng)振動(dòng)突增后，即使減負(fù)荷到0，振動(dòng)亦不會(huì)降低而是繼續(xù)增加。停機(jī)過程中過臨界轉(zhuǎn)速的振動(dòng)值比開機(jī)過程大；
(4) 2號(hào)軸承振動(dòng)一旦開始爬升很快發(fā)散至報(bào)警值，并且沒有盡頭，在這種振動(dòng)狀態(tài)下機(jī)組是無法運(yùn)行的。
2 振動(dòng)原因分析
該機(jī)組振動(dòng)的基本特點(diǎn)是，隨著時(shí)間增加，不穩(wěn)定強(qiáng)迫振動(dòng)增加。造成這種振動(dòng)的故障缺陷可能是：
(1) 汽缸膨脹受阻,使軸承支承剛度降低；
(2) 轉(zhuǎn)子熱彎曲。
通過檢查沒有發(fā)現(xiàn)絕對(duì)膨脹、脹差在啟動(dòng)過程中出現(xiàn)異常，軸承座與臺(tái)板接觸面也沒有出現(xiàn)間隙，膨脹也沒有卡澀跡象，所以可以排除第一項(xiàng)缺陷，因而轉(zhuǎn)子熱彎曲成為主要懷疑對(duì)象。
造成轉(zhuǎn)子熱彎曲的原因如下：
(1) 轉(zhuǎn)軸內(nèi)應(yīng)力過大；
(2) 轉(zhuǎn)軸材質(zhì)不均；
(3) 轉(zhuǎn)軸套裝部件失去緊力；
(4) 高溫轉(zhuǎn)子與冷水、冷汽接觸；
(5) 動(dòng)靜摩擦；
(6) 轉(zhuǎn)子中心孔進(jìn)油。
根據(jù)振動(dòng)的變化特點(diǎn)，可以排除第1～3個(gè)原因，因?yàn)檫@3個(gè)原因引起的振動(dòng)均變化緩慢，而該機(jī)的振動(dòng)會(huì)出現(xiàn)突變，且隨啟停次數(shù)的增加，一次比一次嚴(yán)重。
因試運(yùn)過程中未發(fā)現(xiàn)汽缸和本體疏水情況出現(xiàn)異常，可以排除第4個(gè)原因。
因摩擦振動(dòng)的相位變化較大，而該機(jī)振動(dòng)的相位變化較小(20。左右)，所以可以排除第5個(gè)原因。只有第6個(gè)原因不能排除，有必要對(duì)轉(zhuǎn)子中心孔進(jìn)行檢查。
3 轉(zhuǎn)子中心孔進(jìn)油原因及其引起振動(dòng)的機(jī)理
打開汽輪機(jī)前箱，拆掉調(diào)速器小軸，這時(shí)就從孔中流出重約1 kg的黑色油，經(jīng)化驗(yàn)，與該機(jī)組使用的潤(rùn)滑油相同，說明油是從孔外吸入的。清理干凈孔內(nèi)進(jìn)油，將轉(zhuǎn)子中心孔堵頭上的排氣孔堵死后，重新啟動(dòng)，機(jī)組在50 MW負(fù)荷下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，1～4號(hào)軸承振動(dòng)均在10 祄左右。
3.1 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子中心孔進(jìn)油原因
轉(zhuǎn)子中心孔進(jìn)油的原因，一是探傷時(shí)中心孔內(nèi)涂的油沒有清理干凈。就該機(jī)而言，安裝前已對(duì)中心孔進(jìn)行檢查，未發(fā)現(xiàn)存油。另一個(gè)原因是中心孔端部堵頭上的排氣孔未封嚴(yán)，運(yùn)行中，孔內(nèi)的空氣受熱膨脹逸出，停機(jī)后轉(zhuǎn)子冷卻，孔內(nèi)的空氣也冷卻收縮，外界的空氣就會(huì)通過鍵與聯(lián)軸器的間隙和中心孔堵頭上的排氣孔進(jìn)入轉(zhuǎn)子中心孔。停機(jī)后機(jī)組進(jìn)行盤車，來自噴油管的潤(rùn)滑油對(duì)盤車大齒輪進(jìn)行潤(rùn)滑，此時(shí)，該股潤(rùn)滑油也隨外界空氣進(jìn)入轉(zhuǎn)子中心孔。隨著機(jī)組啟停次數(shù)增加，進(jìn)入中心孔的潤(rùn)滑油也越積越多。
3.2 轉(zhuǎn)子中心孔進(jìn)油引起振動(dòng)的機(jī)理
在汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子中心孔內(nèi)存油而未充滿時(shí)，在高速旋轉(zhuǎn)的離心力作用下，油被甩到孔壁上形成油膜。由于轉(zhuǎn)子存在一定的撓度，致使中心孔的幾何中心和轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)中心不重合，因而孔壁上的油膜厚度不同，當(dāng)轉(zhuǎn)子溫度升高時(shí)，油與孔壁間產(chǎn)生熱交換，油吸熱而氣化。由于不同厚度的油膜與孔壁間的熱交換的程度不同，使轉(zhuǎn)子徑向產(chǎn)生溫差，引起轉(zhuǎn)子熱彎曲。熱彎曲不但隨著機(jī)組有功負(fù)荷的增大而加大，而且在暖機(jī)和升速過程中也能明顯反映出來。暖機(jī)時(shí)間較長(zhǎng)會(huì)引起過大振動(dòng)，甚至使機(jī)組不能升速到滿轉(zhuǎn)。并且，開停機(jī)次數(shù)愈多，被吸進(jìn)轉(zhuǎn)子中心孔的油愈多，振動(dòng)現(xiàn)象愈明顯。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，轉(zhuǎn)子中心孔進(jìn)油達(dá)0.15 kg，就會(huì)使機(jī)組振動(dòng)發(fā)生明顯的變化。
氣化的油有2種去向：一是逸出轉(zhuǎn)子中心孔外，二是在轉(zhuǎn)子低溫段凝結(jié)，放出凝結(jié)熱，這同樣會(huì)引起不均勻的熱交換。
油與孔壁的熱交換隨著轉(zhuǎn)子溫度的升高而加快，使轉(zhuǎn)子熱彎曲逐漸增大，由于汽輪機(jī)缸內(nèi)動(dòng)靜間隙小，還可能引起動(dòng)靜摩擦，導(dǎo)致振動(dòng)持續(xù)增加或突變。
4 防止轉(zhuǎn)子中心孔進(jìn)油的措施
(1) 對(duì)轉(zhuǎn)子中心孔探傷時(shí)，里面涂的油一定要清理干凈，并把堵頭堵好。
(2) 由于汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子中心孔堵頭上的排氣孔與外界相通是發(fā)生轉(zhuǎn)子中心孔進(jìn)油的主要原因，因此在安裝時(shí)應(yīng)進(jìn)行檢查，若發(fā)現(xiàn)有排氣孔就應(yīng)把它堵死。制造廠應(yīng)取消汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子中心堵頭的排氣孔或者采用實(shí)心轉(zhuǎn)子。
(3) 有些轉(zhuǎn)子中心孔進(jìn)油是從轉(zhuǎn)子前面吸入的，所以安裝時(shí)還要檢查調(diào)速器小軸是否存在進(jìn)油的隱患。
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