绝缘垫片引起的发电机异常振动分析及处理

李立波，闫 青，陆 源，李 帅

(1.大唐东北电力试验研究院，吉林 长春 130012；2.辽宁大唐国际沈东热电有限责任公司，辽宁 沈阳 110172；3.大唐黄岛发电有限公司，山东 青岛 266000；4.大唐东营发电有限公司，山东 东营 257000)

0 前言

振动超标是影响汽轮发电机本体安全运行的关键问题之一，针对该问题的研究也一直受到学者的关注[1-2]。实际上，造成汽轮发电机振动异常的原因有很多，如转子匝间短路故障[3-4]，质量不平衡[5]，动静碰磨[6]等。针对此类故障的检测及解决方法也较为成熟。然而，受限于机组设计的差异性，同型机组发电机振动故障原因多存在一定的相似性，这本身是设计造成的[7]。例如上海电气生产制造的亚临界600 MW机组还在国内很多电厂服役。据不完全统计，70%以上机组都出现过发电机或励磁机转子异常振动情况。其振动原因多为热态弯曲、质量不平衡、支撑刚度差等。但由绝缘垫片引起的异常振动并不多见，在国内已经见刊的论文中也很少有相关方面的研究和报道[8]。

本文从某发电机组7瓦轴振随机组负荷波动入手进行分析和相关实验，最终通过多次实验和分析，找出了振动产生的原因为绝缘垫片老化，更换绝缘垫片后发电机振动恢复正常。

1 发电机振动情况介绍

1.1 轴系简介

某厂汽轮发电机组为上汽厂生产的600 MW等级亚临界机组，为N630-17/541/538型亚临界、一次中间再热、三缸四排汽、双背压、凝汽式汽轮机，机组轴系由一个高中压转子，两个低压转子，一个发电机转子和一个励磁机转子组成，发电机和励磁机为三支撑结构。高中压转子轴承为落地式轴承，低压轴承坐落于低压排汽缸上，发电机轴承为端盖式轴承。图1所示为汽轮发电机组轴系简图，其中，1～9为轴瓦位置。

图1 轴系简图

1.2 发电机振动情况

该机组于2019年4月份出现7瓦X和Y向轴振随负荷波动发生变化的情况。2019年3月24日之前，7X和7Y振动相对比较平稳，3月28日开始，振动出现波动和上涨，至4月4日机组停机前，7X最大波动到116 μm，7Y最大波动到157 μm，已经超过报警值125 μm。4月7日机组再次启动，定速后7瓦轴振基本能够恢复至上次启动时的幅值，随负荷增加，100 MW时7X振动达到82 μm，7Y振动达到100 μm，至4月20日停机前，7X和7Y分别上涨到119 μm和167 μm，如图2所示。

图2 7瓦轴振故障前、后振动趋势图

通过查阅TDM振动历史数据，发现7瓦轴振始终都是一倍频占主导，其它频率成分占比很小，基本可以忽略，如图3所示。

图3 7瓦全息谱图

2 绝缘垫片故障原因分析及处理

2.1 振动原因分析

一般来说，引起轴振超标的因素主要来自轴系或者轴承[1]。其中，轴系因素有转子不对中、动静碰摩、质量不平衡等；轴承因素有轴瓦损坏、油膜振荡、轴承座松动、轴瓦支撑失稳、汽流激振等。发电机的振动主要是基频成分，属于质量不平衡引起的强迫振动范畴，振动的变化说明转子的平衡状态发生变化，或者转子的支撑刚度发生变化。

根据停机后再次启动发电机振动幅值能够基本恢复的现象，说明转子本身的平衡质量没有发生变化。因此，发电机转子的支撑刚度发生了变化是造成振动出现波动的根本原因。支撑刚度主要由基础刚度和轴承刚度构成，通过进行现场差别振动测试，基础与台板之间差别振动不超过5 μm，台板与发电机底座之间的差别振动不超过4 μm，因此排除了基础刚度的问题，但轴承刚度方面还不能排除，必须通过查阅相关参数和进行相关的试验来进一步验证和判断。

2.2 轴系动平衡

由于7瓦轴振最大振幅已经超过报警值，严重影响机组的安全稳定运行。4月20日利用机组临停机会进行了现场动平衡配重，目的是降低发电机转子的激振力，使7瓦轴振的幅值降至报警值以下。鉴于7瓦轴振频谱中一倍频占比较大，通过现场配重的方式能够降低7瓦的振动幅值。假设7瓦的油膜刚度是动态降低的，在不考虑油膜刚度的情况下，如果激振力足够小，那么7瓦的振动幅值也可以控制在安全范围内。

图4 7Y振动频谱图

通过在低发对轮处进行配重，降低7瓦的基频幅值是目前在没有足够停机时间彻底处理情况下所采取的临时方案。根据转子动力学特性[1]，其工作转速大于二阶临界转速而小于三阶临界转速，更接近于二阶临界转速，受其影响，7瓦和8瓦轴振的相位以反向分量为主，平衡发电机转子反向的最佳配重平面是发电机转子两侧的跨内加重面，由于发电机结构限制，这两个加重平面位于两侧密封瓦之间，如果在此位置进行配重，需要拆掉发电机端盖和密封瓦，工作量十分巨大。

在经过综合考虑之后，最终选择在发电机对轮上进行配重，此位置加装平衡块方便、快捷，不需要拆卸发电机端盖和密封瓦，而且能够有效降低发电机7瓦的振动幅值，同时对6瓦和8瓦轴振影响有限。经过计算，在低发对轮处配重750 g，将7X和7Y的振幅降低了20 μm。

图5 低发对轮加重示意图

虽然现场动平衡配重达到了预期的目的，但是从振动故障处理角度来说，并没有彻底解决7瓦轴振波动的问题，只是将基础振动幅值降低了一定的幅值，不至于影响机组的安全运行。如果要彻底解决7瓦轴振波动问题，还需要进一步的分析和检查。动平衡前后振动数据如表1所示。

表1 动平衡前后振动幅值(3 000 r/min)μm/°

2.3 绝缘垫片故障的确认

为了进一步确认发电机振动原因，通过TDM历史数据分析，发现7瓦Y方向的间隙电压与初始值相比变化了2.9 V这一异常现象，按照Bently3300系列轴振传感器的灵敏度7.87 mv/μm，换算后相当于7Y方向传感器与转子之间的距离变化了0.371 mm[6]。距离的变化会直接导致7瓦轴振传感器X方向和Y方向的油膜刚度发生变化，从振动数据看，特别是Y方向变化比较明显，进而导致Y方向的轴振发生波动和增大的异常现象。故障前后7瓦轴振间隙电压变化情况如表2所示。

表2 故障前后间隙电压变化情况

图6 更换绝缘垫片后7X和7Y振动趋势图

根据振动现象和测试数据进行分析，判断7瓦Y向绝缘垫片发生老化，导致传感器与轴表面距离增大。停机时，解体7瓦进行全面检查，测量瓦盖紧力，发现Y方向垫铁与瓦盖间隙为0.30 mm，X方向垫铁与瓦盖间隙为0.05 mm。测量数据表明，7瓦在轴承座中的状态发生了改变，Y方向轴瓦下沉较多导致顶部间隙变大。检查绝缘垫片，发现Y方向老化比较明显，垫片出现明显发黑且疏松的现象，X方向老化现象不是很明显，只是有轻微变形。更换发电机全部绝缘垫片后机组再次启动，定速后的7X和7Y振动幅值均在优秀范围内，通过几天带负荷数据的观察，7X和7Y振动幅值稳定在正常范围内，振动波动的现象也没有再次出现。

表3 更换绝缘垫片后振动幅值(3 000 r/min)μm/°

2.4 关于绝缘垫片的再分析

间隙电压是传感器与转子之间距离的最直接反应，他们之间成正比关系，即间隙电压越大，转子与传感器之间的距离越远，此方向的油膜刚度越差，振动幅值也会越大。

7号轴瓦下半部分是依靠2块与水平方向成45°的球面垫铁支撑的，在球面垫铁与轴承之间有L型绝缘垫片，该垫片即为绝缘垫片，其厚度约为2 mm，采用环氧树脂材料制作，具有良好的绝缘性能。绝缘垫片要承受发电机转子传递的变化的激振力，长期使用会使绝缘垫片老化，厚度发生变化必然会造成轴瓦下沉，如果左右两侧绝缘垫片老化程度不一，就会导致轴瓦单侧偏斜，此方向的支撑刚度发生较大变化，进而引起轴振幅值的变化[9-10]。

绝缘垫片作为整个汽轮发电机组轴系中的一小部分，很容易被忽视，但其在汽轮发电机组轴系振动中所发挥的作用是至关重要的。绝缘垫片始终处于比较恶劣的环境下，长期受到润滑油的浸泡容易产生分层、疏松，进而导致绝缘垫片老化，影响轴瓦的支撑刚度发生变化，导致发电机或励磁机产生异常振动。发电企业在环氧树脂材料垫片的选择过程中要充分考虑绝缘性、抗冲击强度、抗水性，并且材料密度要足够高，同时在温度变化时还要有一定的稳定性，这样才能最大程度的避免绝缘垫片导致的发电机振动问题。

3 结论

本文从发电机7号轴承振动异常入手，首先通过动平衡手段降低了振动幅值，然后结合实验数据和理论分析，根据间隙电压的异常变化情况，确认了造成发电机振动异常的根本原因是绝缘垫片老化。更换绝缘垫片后7号轴承振动异常故障得以彻底解决，保障了机组的安全稳定运行。