分析和处理国产600MW发电机汽端水平振动大资料.docx
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分析和处理国产600MW发电机汽端水平振动大资料
分析和处理国产600MW发电机汽端水平振动大
摘要：
1#机发电机汽端轴承水平振动逐渐增大成为两个多月以来一直困扰XX电厂汽机、电气两个专业的难题，严重影响机组的安全运行。
通过大量监测和试验，在实施临时旋紧发电机两侧台板顶丝处理方案后，发电机定子刚度得以提高，最终降低了汽端轴承水平振动，保障了机组一段时间来的安全稳定运行。
关键词：
汽端；水平振动；结构共振；定子台板；刚度
XXXXXX发电有限责任公司一期安装两台国产亚临界600MW引进型汽轮机组。
其中，1#汽轮机系引进美国西屋公司技术，由哈尔滨汽轮机厂制造的国产首台600MW考核机组。
汽轮机型号为N600-170/537/537，单轴、四缸、四排汽、再热冷凝式，于1989年11月投入商业运行。
1轴系构成及存在问题
1.1轴系构成
XX电厂1#汽轮发电机轴系是由1根高压转子、1根中压转子、2根低压转子、1根发电机转子和1根励磁机转子构成，除励磁机转子为单轴承支撑外，其余转子均为两轴承支撑。
发电机汽、励两端为端盖支撑式可倾轴承，下半轴承通过球面支撑在下半支撑环上，下半支撑环通过圆柱面支撑在发电机下半端盖上，汽端为9#轴承。
1.2存在问题
自发现1#发电机汽端轴承即9#轴承振动放大以来，汽机、电气专业一直进行连续跟踪、测量、监视，力图寻找振动变化规律，并召集技术人员分析讨论。
在没有找出行之有效的措施之前，通过变氢温、氢压等方法，改善振动情况，得以使机组在线运行。
提前对因轴承振动大而引起的油管磨损、松动、泄漏等风险作出预想，检查处理了许多风险较大的缺陷。
收集整理的大量试验数据和现象分析为专家的分析诊断奠定了很好地基础，使专家没有再次启停机而能够进行准确的诊断。
2振动情况和分析
2.1自发现发电机汽端振动变大以来，瓦振大都大于轴振运行，瓦振、轴振不符合载荷分配。
主要是水平振动，垂直振动也偏大，轴系上振动可以接受，轴振虽偏大，因为机组检修后转子存在着不平衡力，但不是主要问题。
2.2运行中轴振没有变化，转子与密封瓦、油挡的碰摩可能性不大。
2.3通过变励磁电流试验，轴振没有变化，振动成分也不是二倍频，可以排出发电机发生电磁激振、轴向磁力不对中、转子线圈匝间短路等电气原因。
2.4低负荷运行振动大，随高负荷运行时间的增加，振动有下降。
2.5氢温、氢压变化对端盖振动有影响，轴振基本无变化。
氢温、氢压降低，振动减小，最大影响幅度有20μm；随时间变化，振动又缓慢上升。
最低的振动幅值仍在100μm以上，参数变化对振动的影响可以忽略不计。
2.6升速到2500rpm以上时，振幅增加较大，出现峰值。
降转速时，振动迅速减小。
转速越高，瓦振的增大率远大于轴振的增大率，两者之比从3降到1。
机组运行两个月后，在一次升速过程中，2500rpm以下，瓦振基本没有变化，小于20μm；在2500rpm以上瓦振迅速增大，3000rpm时达75μm，持续约5min后升至100μm，前后共15min左右。
打闸后，再次冲转，现象相同，只是第二次振幅较小一点，并网前85μm。
降转速时，水平振动快速下降，2950rpm有一小的峰值，2500rpm以下20μm左右，轴振和瓦振没有明显的对应关系，也能验证，这种振动的现象重复性很好。
振动的非临界峰值只发生在接近工作转速的一定转速范围内。
2.7发电机励端轴承即10#轴承瓦振、轴振不因参数、负荷变化而变化，升降转速也未发现有非临界峰。
2.8大振幅时的振动成分主要是工频，且相位稳定。
2.9通过临检检查，可以排出9#轴承松动和瓦盖共振。
轴承支承球面进行修研后，振动没有发生本质的改观，即使是支撑系统刚度降低，也不是轴承支撑刚度引起的。
2.10基于上述试验和测量，专家分析：
瓦振、轴振的比例肯定是刚性问题，因素有轴承球面和定子刚度，定子加筋板来调频，提高刚度，对于如此重的结构上很不容易。
垂直方向振动大是力的原因，与10#轴承比较，有一定的不平衡量。
最好的方法是动平衡，轴振降下来，瓦振自然会下来。
作为试验需要，定子台板螺栓可以紧固检查。
3现场处理
经过多方多次讨论，最终确定按照从汽端向励端、先右侧后左侧再右侧的顺序逐个旋紧发电机定子两侧台板顶丝的处理方案。
在旋紧的过程中连续测量9#轴承水平、垂直振动。
随着顶丝旋紧数量的增加，水平振动逐渐下降。
左侧未紧固到发电机定子台板中部，少于右侧；右侧紧固位置到定子台板中部后振动有上升时停止。
顶丝旋紧后，对应处的发电机定子台板联系螺栓已无间隙，即发电机定子底脚螺栓均受力，相当于发电机定子台板被螺栓紧固。
此时发电机汽端振动表现为水平振动下降的同时，垂直振动有上升。
最终结果：
9#轴承水平/垂直振动约为57/52μm，轴振略降；定子壳体侧面和氢冷器位置振动大幅降低；#10轴承瓦振、轴振未发现变化。
机组运行一段时间后，水平/垂直振动基本稳定在55μm以下，并随负荷变化不大。
所有处理测量的数据见下表
1#发电机变参数试验及处理对振动的影响
时间
有功
无功
励磁电流
氢温
氢压
9#轴振
9#瓦振
#10轴振
#10瓦振
备注
10-278：
40
512
61.5
41.5/40.3
0.495
74/100
A108/39E116/32
A20/13E19/13
10-2714:
17
478
75.2
41.6/40.5
0.5
A107/47E108/38
E23/25
10-289:
30
458
51
41.4/40.3
0.518
75/100
A109/47E114/28
55/47
A19/17E19/10
10-2810:
30
463
54.2
45.4/44.2
0.518
73/97
57/47
升氢温
10-2814:
10
482
75.2
41.6/40.5
0.518
75/99
A97/44E101/33
53/47
A19/10E18/13
氢温稳定后测量
10-2815:
45
483
68
41.7/40.6
0.468
75/98
A96/41E99/32
52/46
A20/11E19/13
降氢压后时间不长
10-2817:
25
511
64.5
40/41.3
0.466
A97/44E101/34
A23/9E23/13
降氢压后稳定
10-319:
35
403
52.7
41.4/40.2
73/99
A109/44E113/28
无功变动前
10-3110:
10
33
144.3
同上
无变化
A108/44E114/35
A16/18E15/9
变无功
10-3110:
37
452
33
144
同上
无变化
A108/44E114/35
A14/17E13/7
变无功稳定
10-3111:
05
464
59
173.6
同上
无变化
A104/46E104/38
变无功稳定
11-220：
05
453
63
41.6/40.3
0.454
无变化
A95/42E96/38
A19/12
滑停前
11-221：
50
324
41.1/40.2
0.489
A105/49E105/34
11-222:
45
323
40/45
同上
78/93
A114E1147
62/54
11-088:
15
300
39.6/40
0.47
78/102
A128/36E131/40
A18/21E16/6
11-0811:
40
575
81
42.5/43.3
0.484
77/101
A119/49E122/26
A16/10E15/18
负荷稳定后
11-0816:
45
551
40
A119/39E122/28
E18/24
11-0817:
35
578
92.3
38.8/38.1
A111E113/39
11-0818:
05
579
82
38.2/37.5
A115/41E114
11-0819:
05
578
79.5
40/35
A136E137
A侧氢温升高5℃后
11-0819:
32
581
82
41/41
A104/34E103/33
氢温稳定10min
11-0819:
55
578
76.7
41.3/40.9
A113E109
11-0820:
30
A110E111
#1、4氢冷器进水关闭
11-098:
15
556
69.3
38.9/38.9
0.449
76/100
A93/48E94/26/7
48/45
A22/5E23/21
11-0912:
00
未变
0.40
A71/51E77/41
A侧台板顶丝初紧6颗后
11-0912:
05
未变
台板A40/32
75/98
A64/52E65/38
E侧台板顶丝紧4颗后
11-0913:
45
未变
0.515
41/41.1
77/97
A71/48E73/37
氢压从0.4升至0.515后
11-0914:
30
未变
76/96
A59/53E57/43
48/50
A22/3E22/18
A侧台板顶丝共紧10颗后
11-118:
35
457
76/92
A57/50E56/41
52/53
11-149:
10
454
66.5
40.1/40.6
0.470
75/96
A53/55E55/42
50/51
A24/2E25/18
11-15
573
69
38.8/38.7
0.473
A52/54E54/41
A25/2E25/17
台板A29/30
11-1612:
00
555
90
41.2/41.5
0.475
76/98
A53/52E54/42
45/47
A30/6E30/21
11-189：
10
452
75/96
（－）51，⊥52
A21/9E20/11
说明：
所有的振动表示方法：
例A52/54/7E54/41—右侧、水平/垂直/轴向、左侧、水平/垂直/轴向。
4刚性对汽端轴承振动的影响
9#轴承为发电机汽端端盖轴承，转子—轴承—支撑端盖—定子—定子底脚台板构成一支撑系统，支撑系统除刚度不足外还可能发生结构共振。
本人看来，此次振动的主要原因不是本身结构刚度不足，而是结构的自振频率与转子激振力一致，发生了结构共振。
4.1结构共振
结构共振机理：
如果结构系统（支撑、缸体或台板）存在和激振力一致的固有频率，在共振放大系数较高的条件下发生共振现象，这就是结构共振。
造成共振的激振力大多数来自于转子的不平衡力，因此共振频率与转速相同，表现为基频或工频，为50Hz。
结构共振是小激振力的输入产生高振幅的输出。
共振时的响应取决于结构系统的频响特性，激振力的大小不起关键作用。
机组结构设计时应使与转子关联的结构自振频率避开50Hz和其它一些特殊频率点，如发电机、励磁机结构应避开100Hz，汽轮机结构应避开25、100Hz。
4.2结构共振的特点
4.2.1如果存在结构共振，缺陷是固有的，共振的现象应该重复性很好，在任何工况下都能测到，可能存在的差别仅仅是量值。
4.2.2观察升降转速和超速过程的波特曲线，在3000rpm附近就有非临界转速的振动峰。
结构共振峰的形状不可太平缓，也不可太尖锐，否则都不是共振峰。
4.3结构刚度不足
结构刚度不足是指机组支撑结构刚度过低，“刚度”是广义的，泛指转子支撑—缸体—基础整个系统的刚度。
发电机转子是端盖轴承，除可能出现端盖的结构共振外，刚度设计不足也可能发生。
一个实际的汽轮发电机组转子—轴承系统，对转轴或轴承振动会有直接影响的只会是“共振”，刚度不足不会成为机组振动的直接原因。
支撑系统刚度低时，只有在其它因素发生变化，如真空、排汽缸温度、支撑系统热态发生变化，引起转子相对静止部件位置发生变化，造成动静碰摩，方可导致大振动，对实际机组，在不平衡量很小的条件下，只要没有发生动静碰摩，即使支撑刚度低，也不会出现振动问题。
4.4共振和刚度低的振动表现形式
共振呈现在整个转速范围内的某一点或几点瓦振绝对值偏大，相对轴振和瓦振之比减小；刚度低的振动表现为在整个可变化的转速范围内振动值偏大，但一般偏大的量不明显，刚度低同样可能使瓦振接近或大于轴振，加重的影响系数偏高，而且它应该是同一类型机组的通病。
刚度低的振动还表现为真空、排汽缸温度、支撑系统热态等参数变化时，轴承座绝对标高或转轴相对轴瓦垂直位置的变化。
处理方法不一样。
提高支撑系统的刚度主要提高静刚度，增加支撑筋板或支柱；改变支承的共振特性则要从调整相应频率的动刚度着手。
5汽端振动大的结论
那么，此次结构共振是如何发生的呢？
笔者认为，机组小修前可能已经发生了共振响应。
因为在小修时已经发现有台板垫片在机组停运前振出，说明发电机承载分配不好，修前9#轴承水平振动也已达70μm左右，只是放大系数不同。
经过检查，可以认为小修前后轴承支撑球面和端盖紧固情况没有变化，因调整中心，发电机横向移动0.30mm，也不足以改变发电机的承载分配，况且，0.30mm相对于台板垫片的接触宽度完全可以忽略不计。
最可能的原因是氢冷器支撑方式的改变，虽然不会改变定子刚度，但可以改变定子的频响特性；发电机内部风道密封也存在大的间隙，会增加不对称的扰动力，改变静子部分的固有频率，使得结构共振时幅值有很大的增加，但结构共振的质的问题没有改变。
实际上9#轴承的振动现象完全与结构共振吻合，与刚度不足的特点有较多差异；而刚度不足是在设计和制造时固有的，虽然，连接在定子上的氢冷器进行过改造，但开孔位置、尺寸、重量均未变，不应影响定子刚度，在与制造厂哈尔滨电机厂的咨询答复中也验证了这一点；包括专家在内均排除机组动静摩擦的可能性，运行中振动不应突然放大；9#轴振表明转子没有出现大的不平衡量，没有剧增的扰动力；值得提醒的是，转子出现新的质量不平衡主要可能来自转子上部件的移位，护环在大修中的重新套装、线棒的更换等，应对转子进行跟踪。
实际处理中紧固了发电机定子底脚台板，应是改变了支承的动刚度。
因此可以排除结构刚度不足。
虽然现场未实测发电机台板的固有频率，不知是否落入50Hz的共振区，但亦足以可下结论，9#轴承的振动主要是因为支撑系统发生了结构共振。
6遗留问题
目前的处理虽稳定了#9轴承振动，使机组在此振动下可以连续运行，但改变了发电机定子台板的设计思路。
设计上发电机定子可以在台板上滑动，机组运行中允许定子自由膨胀、收缩。
定子台板紧固后，胀缩受阻，改变了定子和转子的胀差，在参数大幅变化的情况下，轴向动静有无碰摩风险？
还得与制造厂和专家咨询讨论。
7改进措施
目前9#轴承水平和垂直方向振动仍然偏大，汽端右侧台板水平振动仍有30μm，受力载荷不均匀，治标未治本。
需在停机后，重新检查调整台板底部载荷分配，不能托空，定子底脚四个角均要承受重量；另一种方法就是做转子动平衡，氢冷发电机转子配重非常不易，可在大修前测量数据，大修中提前向好的方向配重，以减少停机次数；针对1#机实际情况也可在汽发对轮上实施配重方案，因8#、9#轴承振动相位差160°，8#轴承在配重后振动可能会有小幅攀升。
8结束语
影响发电机振动的因素很多，分析问题的难度也较大，笔者通过此次发电机振动大处理的实践活动对振动的形成因素有了一定的了解，积累了经验，并为彻底解决发电机振动大的问题指明了方向，希望能给国内同类型的机组提供些许参考。
参考文献：
[1]张正松等.旋转机械振动监测及故障诊断.北京：
机械工业出版社，1991
[2]刘习军等.工程振动与测试技术.天津：
天津大学出版社，1999
[3]庄肖曾、高继鸣、刘卫.汽轮机本体检修.北京：
中国电力出版社，1999
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