某燃气轮机发电机组轴系外伸端活动性失衡振动特性分析及处理

黄琪，陈淼，廖辉，羊小军，李录平

（1.东方电气集团东方汽轮机有限公司，四川 德阳，618000；2.长沙理工大学，湖南 长沙，410114）

0 前言

近年来随着节能减排、灵活调峰的要求，我国燃气轮机联合循环发电机组得到快速发展，根据发改委规划，到2020年，全国联合循环发电机组装机容量将达到5 500万千万，是2000年之前50年已建成的同类装机容量的25倍。由此可见，燃气轮机发电机组装机容量在电力行业的份额在逐步增大，燃气轮机的安全稳定运行也对电力生产具有越来越重要的意义。

火力发电机组转子外伸端不平衡或利用外伸端进行跨内平衡多有介绍[1-2]，燃气轮机轴系突然失衡特征也有介绍[3]，但燃气轮机发电机组的发电机与集电环采用整锻转子的结构外伸端的活动性失衡还未见文献介绍。本文将介绍某燃气轮机发电机组轴系外伸端活动性失衡的案例，总结失衡的特点，找出故障的原因。

1 燃气轮发电机组轴系结构特点分析

1.1 轴系结构

某燃气-蒸汽联合循环发电厂的燃气轮机发电机组与蒸汽轮机发电机组采取“一拖一”分轴结构，1台燃气轮机配置1台蒸汽轮机，其中燃气轮发电机组的功率为324 MW，蒸汽轮机发电机组的功率为150 MW，燃气轮机与蒸汽轮机轴系分开设置。在燃气轮机发电机组轴系中，燃机转子与发电机转子刚性连接，发电机转子与集电环为整锻式转子，集电环与盘车装置采用SSS离合器连接，整个轴系采用5个油膜滑动轴承支承，在2#支承轴承处设置推力轴承。燃气轮机发电机组轴系及其支承系统结构见图1。

图1 机组轴系结构示意图

1.2 SSS离合器结构

在盘车电机与燃气轮机发电机组转子之间设置了1个同步自换档离合器（Synchro-Self-Shifting，简称SSS）。目前，应用在燃气—蒸汽联合循环机组上的的SSS离合器主要有两类[4]：一类是连接盘车与转子之间的离合器（基本离合器）；另一类是连接汽轮机低压转子与高中压转子的SSS离合器（继动离合器）。

基本型SSS离合工作的基本原理：当输入端转动后，棘爪棘轮啮合，滑动组件向左移动，弹簧压缩，直至输入端与输出端啮合齿啮合，带动输出端转动；当输出端转速高于输入端转速时，棘爪收起，输出端啮合齿带动输入端啮合齿右移，滑动组件受力往右侧移动，啮合脱开。基本型SSS离合器的结构示意图见图2。

图2 基本型SSS离合器结构示意图

2 振动故障发生与发展过程

该机组于2017年6月调试后投运，轴系振动均在合格值范围内，随着启停次数增多，2017年7月某次启动后发现5#轴振大（最大到160μm），图3为某次运行中测量的3～5#轴振X向的时域波形图及频谱图，从图3中可以看出，5X振动时域波形曲线光滑，无毛刺，是比较规则的正弦波曲线，频率主要为工频量，其他频率成份非常小，就地测量轴承盖振（落地式轴承）振幅仅15μm，表明轴承支撑系统无异常，振动是由于不平衡量偏大造成的；后续运行中分3次测量了工作转速下的幅值相位数据，发现幅值相位数据变化大（见表1），平衡无法解决该振动问题。

图3 机组定速时，3～5#轴振X方向时域波形及频谱图

表1 3次运行中测量的5#轴振数据

由于每次测量的数据均为运行中测量，每次测量之间经历了机组启停工况，而现场无TDM系统，故无法调取历史数据进行分析。本文结合某次启停和第2次的启动过程对振动的升速特性进行了数据采集与分析。

3 振动分析

图4为8月2日测取的升速-停机-升速过程的4～5#轴振幅相频特性图，从图4中可以看出，该振动故障具有以下特点：

图4 启停过程4～5#轴振幅频、相频图

（1）2次升速过程，5X振动在转速2 000～2 100 r/min幅相频特性均发生了阶跃，阶跃后，曲线光滑，但定速后的幅值、相位偏差很大；

（2）停机过程5X幅相频无阶跃现象；

（3）4X幅相频也与5X幅相频变化有类似的规律，但表现不显著；

（4）发生阶跃的转速有降低的趋势。

为查明振动故障的发生、发展过程，调取了首次启动至第6次冲转的过程数据，见图5。从图5可以看出，5X振动阶跃在首次启动过程就出现了，只是阶跃后，又基本回落至原来水平，但第2次启动及之后，存在阶跃幅值增大的趋势，且几次定速后的幅值进行比较，无重复性，或大或小。

图5 首次启动至第6次启动的升速过程5X通频幅值升速特性图

根据以上振动特点及历史数据分析，判断5#轴颈的外伸端存在活动部件。

4 故障机械原因分析及处理

4.1 解体检查情况

机组在停机后，对外伸端的SSS离合器进行检查，发现SSS离合器的输入端棘轮有1个齿崩落一小块，怀疑之前存在过载现象，且SSS离合器输入端在运行中是与轴系脱开的，不会影响轴振，因此进一步对SSS离合器脱开检查处理。

解开SSS离合器与发电机集电环轴的靠背轮对轮螺栓，用顶丝顶开输出端时，听到叮咚一声，检查发现输入端的滑动组件限位环，约2．8 kg掉落入护罩，限位环与输入端配合面有摩擦的痕迹及被滑动组件齿咬合的痕迹，限位环上的8个螺栓孔台阶不同程度的崩掉，残余部分被螺栓紧固在输入轴上，同时限位环变形严重。

4.2 故障原因分析

通过解体的情况分析，由于安装原因，定位尺寸偏差15 mm，导致输入端的滑动组件行程受限15 mm。

SSS离合器工作正常时，当输出端转速（发电机）增加后，带动滑动组件移动，输出端转速高于输入端转速时，此时滑动组件脱开与输出端的啮合，但实际由于行程受限15 mm，导致啮合无法脱开，输出端施加在滑动组件上的轴向力作用于限位环上，导致限位环崩落，而后输出端与输入端脱开啮合。

因此，限位环在第1次冲转的时候就已经崩落，SSS离合器正常脱开时，受轴向弹簧的作用，滑动组件与输出端的轴向尺寸为20 mm，经检查，限位环最大轴向尺寸为16．5 mm，加上变形及崩落时增加的轴向尺寸，导致变形后的限位环轴向尺寸微大于空间轴向尺寸，SSS离合器脱开时，滑动组件施加力顶住限位环，使得限位环贴紧输出端随电机一起相对转动，当发电机转速持续增大时，由于泊松效应，发电机转子收缩，空间轴向尺寸增大，导致限位环突然在输出端腔室径向滑动，受离心力作用贴紧输出端腔室外圆随发电机转子转动，引起轴振突升。停机时由于离心力的作用，限位环不会发生活动，因此振动无突变现象，当发电机转子惰走到300 r/min时，盘车电机启动，滑动组件收回至待啮合状态，此时限位环未受轴向作用力，随着发电机转速的持续降低，离心力不足以限制限位环位置时，限位环会在输出腔室内发生相对运动，可能会挂在输入端的限位环螺钉上而静止，这也是停机后未听到SSS离合器内异音的原因，是后续重复发生升速过程中振动突变的原因。

4.3 故障处理措施及效果

机组后续更换了崩坏的限位环，将盘车电机机架地脚孔扩孔，整体前移16 mm，整体调整盘车电机及输入端的轴向尺寸后，再次启动，振动未再发生升速过程突变现象，未经平衡处理，定速时#5轴振在30μm以内（见表2）。

表2 处理前后轴振对比μm

5 三支撑外伸端对跨内振动的影响

发电机与集电环为一体整锻转子，外带悬臂的SSS离合器输出端，每2道支撑轴承内的转动部分称为跨内，故该结构为两跨三支撑带外伸端结构，振动测点布置在轴承上，测量转轴的相对振动。

此次SSS离合器输入端掉入输出端内的活动部件，验证了外伸端不平衡对跨内振型的影响。

从图6可以看出，外伸端不平衡量对跨内（集电环转子）的影响有以下特点：

图6 处理前后4～5#轴振同反相的幅相频特性

（1）正常（处理后）时，集电环转子受发电机转子振型的影响，有一、二阶振型的响应；

（2）外伸端不平衡量对跨内的一、二阶振型响应均有较大影响；

（3）同样的外伸端不平衡量在圆周不同的位置上对跨内的一、二阶振型影响也不一样。

6 总结

本文通过对某燃发轴系外伸端活动失衡案例的分析和处理，总结了外伸端活动部件对振动的影响特点：

（1）外伸端活动部件对最近的轴振影响最大；

（2）外伸端活动部件对每次启停过程中振动的影响均不一样；

（3）外伸端活动部件受结构影响，有时候会导致机组升速过程中出现振动幅值“阶跃”现象；

（4）外伸端活动部件对跨内振型有较大的影响，同时活动部件在圆周上的位置不一样，对振型的影响程度也不一样。

该故障的诊断方法和处理技术，对后续的SSS离合器的安装及可靠性具有重要指导意义，对解决燃气轮机发电机组的同类故障问题有借鉴意义。