基于單軸布置的聯(lián)合循環(huán)電站軸承振動(dòng)研究

劉 楊，鄒 東，馮 利，許永強(qiáng)

(1.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450011;2.華能河南中原燃?xì)獍l(fā)電有限公司，河南 駐馬店 463000)

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基于單軸布置的聯(lián)合循環(huán)電站軸承振動(dòng)研究

劉 楊1,2，鄒 東2，馮 利1，許永強(qiáng)1

(1.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450011;2.華能河南中原燃?xì)獍l(fā)電有限公司，河南 駐馬店 463000)

V94.3A型燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)機(jī)組采用單軸布置，汽輪機(jī)運(yùn)行時(shí)高壓缸前軸承振動(dòng)較大。對(duì)此借助汽輪機(jī)TDM在線監(jiān)測系統(tǒng)分析振動(dòng)頻譜圖和軸心軌跡圖，發(fā)現(xiàn)軸承存在半速油膜渦動(dòng)現(xiàn)象。依據(jù)現(xiàn)場布置狀況研究振動(dòng)產(chǎn)生原因，探討軸承振動(dòng)危害，并結(jié)合機(jī)組實(shí)際情況，提出控制軸承振動(dòng)的合理措施，為類似發(fā)電機(jī)組振動(dòng)處理和研究提供借鑒。

振動(dòng)；油膜渦動(dòng)；原因分析；危害；控制措施

燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)具有高效清潔等特點(diǎn)，在我國發(fā)展十分迅速。某電站燃?xì)廨啓C(jī)為SGT5-4000F型單軸、單缸、軸向排汽、簡單循環(huán)機(jī)組，由德國SIEMENS公司制造；汽輪機(jī)型號(hào)為TCF1，額定功率為135.8 MW，型式為雙缸軸向排汽，由上海汽輪機(jī)有限責(zé)任公司生產(chǎn)；發(fā)電機(jī)型號(hào)為THDF108/53，采用水—?dú)洹獨(dú)淅鋮s方式，由上海電氣集團(tuán)股份有限公司生產(chǎn)。機(jī)組軸系由燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、汽輪機(jī)高壓轉(zhuǎn)子、中低壓轉(zhuǎn)子以及8個(gè)支持軸承組成。汽輪機(jī)采用三支撐結(jié)構(gòu)，燃?xì)廨啓C(jī)和發(fā)電機(jī)采用雙支撐結(jié)構(gòu)，汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子之間采用SSS離合器連接。軸系簡圖如圖1所示。

油膜渦動(dòng)是一種自激振動(dòng)，維持振動(dòng)的能量由轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)(含潤滑油)在自身旋轉(zhuǎn)中產(chǎn)生，不斷提供能量且與外界無關(guān)。機(jī)組軸系6號(hào)軸承是汽輪機(jī)高壓缸前軸承，軸承內(nèi)含有5塊瓦?？蓛A瓦軸承主要由軸承體、兩側(cè)油封和瓦塊構(gòu)成。當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速或負(fù)荷等運(yùn)行條件變化時(shí)，瓦塊在軸承體支撐面上自由擺動(dòng)，形成最佳潤滑油楔。

圖1 機(jī)組軸系簡圖

可傾瓦軸承理論計(jì)算表明，在忽略瓦塊質(zhì)量和支點(diǎn)摩擦力情況下，其交叉剛度為零，不可能產(chǎn)生油膜渦動(dòng)。瓦塊可自由搖擺，油膜力能自動(dòng)調(diào)整通過軸心與載荷共線，消除切向油膜分力，從根本上鏟除渦動(dòng)產(chǎn)生的推動(dòng)力。但是，實(shí)際使用中往往出現(xiàn)某些與設(shè)計(jì)條件不符的情況，如支點(diǎn)摩擦力、軸承緊力不當(dāng)及潤滑油粘度過大等，可傾瓦軸承也可能發(fā)生油膜渦動(dòng)。自電站投產(chǎn)運(yùn)行以來，6號(hào)軸承振動(dòng)一直異常，有時(shí)在離合器嚙合后振動(dòng)急劇增大，有時(shí)在運(yùn)行中突然惡化[1]。分析汽輪機(jī)TDM系統(tǒng)，振動(dòng)特征主要表現(xiàn)為半速油膜渦動(dòng)現(xiàn)象，對(duì)機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行造成威脅。

1 油膜受力狀況

軸在軸承內(nèi)作偏心旋轉(zhuǎn)，攜帶潤滑油流動(dòng)的流速緩慢下降，軸頸從油楔中間隙大的地方帶入的油量大于從間隙小的地方帶出的油量。由于液體不可壓縮，多余的油將推動(dòng)軸頸前進(jìn)，形成與軸旋轉(zhuǎn)方向相同的渦動(dòng)運(yùn)動(dòng)，渦動(dòng)速度即是油楔本身前進(jìn)的速度。軸頸渦動(dòng)軌跡方程如下：

x=asinωt

(1)

y=bsin(ωt+φ)

(2)

式中：a為在x方向上的幅值，m；b為在y方向上的幅值，m；ω為角速度，rad/s；t為時(shí)間，s；φ為相位角，rad。

軸承的油膜可視為彈性體，具有剛度和阻尼。油膜剛度為轉(zhuǎn)子單位位移變化所引起的油膜力變化，有4個(gè)剛度系數(shù)kxx,kxy，kyy和kyx；油膜阻尼為轉(zhuǎn)子單位速度變化所引起的油膜力變化，也有4個(gè)阻尼系數(shù)cxx，cxy，cyy和cyx。其中，kxy和kyx稱為交叉剛度，是引起油膜渦動(dòng)的根本原因。油膜力方程如下：

fx=kxxx+kxyy+cxxx&+cxyy&

(3)

fy=kyxx+kyyy+cyxx&+cyyy&

(4)

油膜渦動(dòng)是由徑向滑動(dòng)軸承油膜力產(chǎn)生的一種渦動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子軸頸在動(dòng)壓滑動(dòng)軸承中穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，軸承的油膜力R與載荷W相互平衡，轉(zhuǎn)子軸心處于某一平衡位置O1。若轉(zhuǎn)子受到擾動(dòng)離開平衡位置移動(dòng)到O2，變化后的油膜力R′與載荷W的合力F不再為零。合力F可分解為徑向與切向上的2個(gè)分力，徑向分力Fx與軸頸位移方向相反，將軸頸推回到原平衡位置O1處，是一種彈性恢復(fù)力；切向分力Fu與軸頸位移方向垂直，推動(dòng)軸頸圍繞平衡位置O1繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生渦動(dòng)趨勢，這種渦動(dòng)稱為油膜渦動(dòng)，F(xiàn)u稱為渦動(dòng)力。

2 振動(dòng)原因分析

機(jī)組安裝由VM公司生產(chǎn)的汽輪機(jī)安全保護(hù)系統(tǒng)(TSI系統(tǒng))，監(jiān)測1—8號(hào)軸承X、Y方向的相對(duì)軸振動(dòng)[2]。對(duì)于可傾瓦軸承，如果軸頸受到的渦動(dòng)力小于油膜阻尼力，軸心渦動(dòng)所形成的軸心軌跡收斂，渦動(dòng)減??；如果渦動(dòng)力等于油膜阻尼力，軸心軌跡不再擴(kuò)大并成為封閉圖形，渦動(dòng)穩(wěn)定；如果渦動(dòng)力超過阻尼力，軸心軌跡發(fā)散，渦動(dòng)不穩(wěn)定。借助汽輪機(jī)TDM在線監(jiān)測系統(tǒng)，對(duì)高壓缸前軸承振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與分析，發(fā)現(xiàn)其振動(dòng)特征表現(xiàn)為存在一定基頻和較大的半倍頻成分，可判斷軸系6號(hào)軸承存在油膜渦動(dòng)現(xiàn)象[3]。

2.1 設(shè)計(jì)制造

6號(hào)軸承振動(dòng)既有基頻成分也有低頻成分，就振動(dòng)性質(zhì)而言，前者屬于強(qiáng)迫振動(dòng)，與轉(zhuǎn)子平衡狀態(tài)和軸系連接等狀況有關(guān)；后者屬于自激振動(dòng)，與軸承穩(wěn)定性有關(guān)。軸承穩(wěn)定性與其自身安裝參數(shù)有關(guān)，包括軸承尺寸、長徑比、承載和間隙等。若設(shè)計(jì)不當(dāng)，運(yùn)行時(shí)會(huì)發(fā)生強(qiáng)迫振動(dòng)或自激振動(dòng)；若其結(jié)構(gòu)不合理，應(yīng)力會(huì)集中；若熱膨脹量計(jì)算不準(zhǔn)確，會(huì)導(dǎo)致熱態(tài)對(duì)中不良；若零部件加工制造不良、精度不夠、零件材質(zhì)不良或強(qiáng)度硬度等不足，會(huì)形成制造缺陷。

汽輪機(jī)屬雙軸三支撐結(jié)構(gòu)，很難完成各軸承負(fù)荷分配，高壓缸為單缸單軸，質(zhì)量較小且無外掛阻尼。6號(hào)軸承本身油膜阻尼偏低，穩(wěn)定性不足[4]，抗干擾能力差是振動(dòng)大的內(nèi)在原因。西門子公司生產(chǎn)的國內(nèi)同類機(jī)組普遍存在軸瓦垂直剛度與交叉剛度不足及軸瓦穩(wěn)定性余量設(shè)計(jì)不足等問題。

2.2 操作運(yùn)行

轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)受離心力、油膜力和蒸汽力共同作用，蒸汽力是導(dǎo)致汽流激振的主要原因，離心力與轉(zhuǎn)子質(zhì)量分布有關(guān)，油膜力可從壓力表直觀讀出。機(jī)組運(yùn)行過程中，若其工藝參數(shù)(介質(zhì)的溫度、壓力、流量、負(fù)荷等)偏離設(shè)計(jì)值，會(huì)造成機(jī)器運(yùn)行工況不正常[5]。若機(jī)器在超轉(zhuǎn)速、超負(fù)荷下運(yùn)行，會(huì)改變機(jī)器的工作特性，運(yùn)行時(shí)導(dǎo)致振動(dòng)惡化的因素主要如下：運(yùn)行點(diǎn)接近或落入臨界轉(zhuǎn)速區(qū)；潤滑或冷卻不良；轉(zhuǎn)子局部損壞或結(jié)垢；啟停機(jī)或升降速過程操作不當(dāng)，暖機(jī)不夠，熱膨脹不均勻或在臨界區(qū)停留時(shí)間過久。

2.3 設(shè)備劣化

機(jī)組長期運(yùn)行，轉(zhuǎn)子撓度增大或動(dòng)平衡劣化；轉(zhuǎn)子局部損壞、脫落或產(chǎn)生裂紋；零部件磨損、點(diǎn)蝕或腐蝕；配合結(jié)合面受力劣化，產(chǎn)生過盈不足或松動(dòng)；設(shè)備基礎(chǔ)沉降不均勻，部件殼體變形等都會(huì)造成振動(dòng)變大。

3 油膜渦動(dòng)危害

3.1 軸承零部件損壞

汽輪機(jī)運(yùn)行時(shí)，6號(hào)軸承振動(dòng)較大，可傾瓦塊烏金出現(xiàn)碎裂、脫落等現(xiàn)象。軸瓦油壓難以建立，汽輪機(jī)停運(yùn)前后盤車不能正常投入，對(duì)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子和軸頸安全造成嚴(yán)重威脅。軸承振動(dòng)大，可傾瓦塊定位銷折斷、測溫元件被瓦塊錯(cuò)位剪斷，導(dǎo)致部分軸瓦溫度失去監(jiān)控，可能觸發(fā)機(jī)組保護(hù)動(dòng)作。汽輪機(jī)大修時(shí)，發(fā)現(xiàn)7號(hào)軸承下部巴氏合金脫落，軸承內(nèi)表面損壞嚴(yán)重。

3.2 軸端汽封和擋油環(huán)磨損

軸承油膜渦動(dòng)現(xiàn)象會(huì)造成軸端汽封沖蝕、磨損；低壓缸排汽端[6]軸封間隙增大，導(dǎo)致凝汽器真空降低，汽輪機(jī)效率下降。為避免上述問題，將軸封蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)壓力由原設(shè)計(jì)的20 kPa增至50 kPa，低壓缸的軸封供汽量增加。汽輪機(jī)大修時(shí)，發(fā)現(xiàn)中壓缸及高壓缸的軸端汽封磨損非常嚴(yán)重；汽輪機(jī)各軸承外部擋油環(huán)都存在不同程度磨損，其中7號(hào)軸承處磨損最為嚴(yán)重。

3.3 汽輪機(jī)附近設(shè)備振動(dòng)大

振動(dòng)具有可傳遞特性，6號(hào)軸承振動(dòng)較大，引起汽輪機(jī)高壓主汽門和調(diào)門振動(dòng)大，發(fā)生高壓主汽調(diào)門閥桿斷裂和油動(dòng)機(jī)活塞桿斷裂，影響高壓缸進(jìn)汽量調(diào)節(jié)，嚴(yán)重危及汽輪機(jī)安全運(yùn)行。汽輪機(jī)運(yùn)行時(shí)，再熱主汽調(diào)門振動(dòng)較大，振動(dòng)現(xiàn)象在油動(dòng)機(jī)上表現(xiàn)最為明顯。汽輪機(jī)各進(jìn)汽門振動(dòng)較大，造成與之相連的抗燃油管路接頭斷裂、抗燃油泄漏等問題。軸承振動(dòng)大，導(dǎo)致熱工取樣管接頭、熱工或電氣設(shè)備接線松動(dòng)、斷裂，測點(diǎn)發(fā)生故障，使發(fā)電機(jī)勵(lì)磁存在碳刷跳動(dòng)、電流分配不均勻、滑環(huán)超溫等安全隱患。

4 振動(dòng)控制措施

4.1 調(diào)整標(biāo)高，提高軸承穩(wěn)定性

汽輪機(jī)高壓轉(zhuǎn)子、中低壓轉(zhuǎn)子以及6、7、8號(hào)軸承組成“兩軸三支點(diǎn)”型軸系，各軸承負(fù)載由高、中壓轉(zhuǎn)子靠背輪的下張口數(shù)值決定。減小6號(hào)軸承間隙，提高其承載能力，但要把握好調(diào)整量，防止6號(hào)軸承標(biāo)高超過5號(hào)軸承，造成5號(hào)軸承產(chǎn)生油膜渦動(dòng)現(xiàn)象。提高8號(hào)軸承，有效增大高、中壓轉(zhuǎn)子下張口值，最終達(dá)到提高6號(hào)軸承負(fù)載的效果。

7號(hào)軸承箱位于兩汽缸間，運(yùn)行中受熱膨脹較大，7號(hào)軸承標(biāo)高會(huì)提高。若提高量過大，會(huì)造成6號(hào)軸承負(fù)載大幅下降，可采取在7號(hào)軸承箱和汽缸之間加裝保溫護(hù)板、改變潤滑油壓、增設(shè)冷卻風(fēng)機(jī)等措施，減小7號(hào)軸承因受熱膨脹而引起的標(biāo)高變化。

4.2 提高軸承自位能力，增加穩(wěn)定性

可傾瓦軸承瓦塊可在軸承內(nèi)部自由移動(dòng)，以提高油膜穩(wěn)定性。軸承瓦枕底部球面接觸情況對(duì)于軸瓦的自位非常重要，要保證球面中間均勻接觸、兩側(cè)微接觸，接觸面積為70%左右。若軸承長期振動(dòng)較大，瓦塊的背弧面可能會(huì)出現(xiàn)磨損而導(dǎo)致其自由擺動(dòng)能力下降以及軸向不均勻等問題。降低軸承頂隙是抑制油膜渦動(dòng)的常用手段，可采用較厚的非標(biāo)瓦塊減小軸承頂隙，提高軸承穩(wěn)定性。若振動(dòng)較大，可調(diào)整頂軸油壓力，增加軸承比壓，提高軸承油膜剛度，改善振動(dòng)情況。減小軸承瓦塊軸向尺寸和瓦塊與軸頸的接觸面積，增大軸瓦比壓，提高油膜穩(wěn)定性。

4.3 降低轉(zhuǎn)子、軸瓦本身激振力

汽輪機(jī)運(yùn)行時(shí)，若軸系[7]轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡不良，可增加6號(hào)軸承振動(dòng)的工頻分量，大大降低轉(zhuǎn)子本身給6號(hào)軸承的激振力。在6號(hào)軸承處適當(dāng)擴(kuò)大其浮動(dòng)擋油環(huán)的徑向、軸向間隙，保證軸瓦自位時(shí)不與軸頸卡澀，避免軸頸與油環(huán)發(fā)生動(dòng)靜摩擦?xí)r引起的工頻振動(dòng)對(duì)軸瓦產(chǎn)生擾動(dòng)。6號(hào)可傾瓦軸承的5個(gè)瓦塊厚度都要一致，保證各瓦塊形成的油膜合力在一個(gè)幾何中心上，有利于軸承穩(wěn)定性。機(jī)組軸系中心應(yīng)符合實(shí)際要求，避免因數(shù)據(jù)不良而影響轉(zhuǎn)子對(duì)中狀況。

5 結(jié)束語

燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)電站作為調(diào)峰機(jī)組，其軸承振動(dòng)對(duì)機(jī)組安全運(yùn)行造成嚴(yán)重威脅。文中結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際布置及運(yùn)行狀況，借助汽輪機(jī)振動(dòng)故障診斷系統(tǒng)，分析頻譜和軸心軌跡等圖形特征，發(fā)現(xiàn)高壓缸前軸承存在油膜[8]渦動(dòng)現(xiàn)象。針對(duì)存在的振動(dòng)問題，探究其產(chǎn)生原因和帶來的危害，并依據(jù)實(shí)際情況提出可控措施，為電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。

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Research on Bearing Vibration of Combined Cycle Power Plant Based on Single Axle Arrangement

LIU Yang1,2, ZOU Dong2, FENG Li1, XU Yongqiang1

(1. North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou Henan 450011,China;2. Huaneng Henan Zhongyuan gas power generation Co., Ltd., Zhumadian Henan 463000, China)

V94.3A type gas-steam combined cycle unit adopts single shaft arrangement.When steam turbine running，the front bearing of high pressure cylinder is vibrating high.With help of the TDM on-line monitoring system, the vibration frequency spectrum and the axis trajectory are analyzed.It is found that the bearing has half-speed oil film eddy phenomenon. According to the layout of the scene to study the causes of vibration and exploring the hazards of bearing vibration,it iscombined with the actual situation of the unit.This paper puts forward some reasonable measures to control the vibration of the bearing，for similar collocation of generator sets provide reference vibration treatment and research.

vibration; oil film eddy; reason analysis; harm; control measures

TM621

A

1004-7913(2017)06-0012-03

劉 楊(1990)，男，碩士，研究方向?yàn)槿細(xì)狻羝?lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)。

2017-02-24)