热传递理论下转子失稳故障诊断与处理

热传递理论下转子失稳故障诊断与处理

摘要:汽轮机支撑轴承温度与静态载荷分布具有较强的相关性,基于热传递理论,分析了汽轮机支撑轴承温升的机理,并通过几起汽轮机转子失稳的案例分析与治理,表明以汽轮机支撑轴承金属温度为参考依据,可以准确识别由于静态载荷过轻导致的转子失稳故障,对于机组的检修具有非常重要的指导价值。

关键词:支撑轴承;温度;静态载荷;转子失稳

汽轮发电机组经长周期运行后,由于基础沉降不均或其他因素,会导致支撑轴承静态载荷发生变化,支撑轴承静态载荷过轻会引起转子失稳,引起汽流激振、油膜振荡等振动故障[1~4]。因此支撑轴承静态载荷调整是汽轮发电机组在检修过程中一项非常重要的工作,而当机组检修调整载荷分布后,如何验证静态载荷调整的合理性,往往是困扰技术人员的一个难题。为了提升汽轮发电机组运行可靠性,需通过支撑轴承的金属温度,对静态载荷分布的合理性进行分析,探讨支撑轴承温度对转子失稳的影响,以提升机组的安全可靠性。

1支撑轴承温升机理

当前汽轮机普遍采用滑动轴承支撑,当汽轮机旋转时,润滑油流入到轴颈与轴瓦之间,起到润滑作用,将两者的表面分离开,防止壁面直接碰摩。在轴颈旋转作用下,油膜受到壁面的剪切力同时,将对轴颈产生摩擦阻力并产生摩擦热,其为汽轮机支撑轴承温升的主要来源,产生的热量等于摩擦力矩和转速的乘积[5~6]。楠ᲮĨ(1)轴承总的摩擦力矩M由润滑油粘性产生的摩擦力矩M0和载荷作用下产生的摩擦力矩M1两部分组成:Ხ楠Ĩ(2)Ხ楠勸(3)式中:为与轴承设计和润滑有关的系数;为润滑油黏度,cSt;Ĩ为汽轮机转速,r/s;为轴承座直径,mm;为与轴承结构和载荷有关的系数;为轴承静态载荷,N;为轴承额定静态载荷,N;为轴承动态载荷,N。由式(1)和式(2)可知,当系统稳定运行,汽机转速稳定在3000r/min时,润滑油温保持在稳定状态,润滑油黏度基本不变,由润滑油粘性产生的摩擦力矩M0基本处于稳定状态,此时摩擦产生的热量与轴承的静态载荷和动载荷有关。轴承的动载荷主要取决于转子自身的平衡精度,如果不考虑非对称进汽对动载荷的影响,摩擦产生的热量只与轴承的静态载荷有关,当静载荷发生改变时,静态载荷越大,产生热量越多,支撑轴承金属温度越高。由上述机理分析可知,汽轮机转子支撑轴承温度与静态载荷分布具有正向相关性,支撑轴承金属表面温度能验证轴承静态载荷调整的合理性,转子失稳故障往往可通过支持轴承温度反映出来,支持轴承温度对载荷调整具有重要意义。

2转子失稳故障治理

某厂2号机组为上海汽轮机有限公司设计制造的660MW超超临界、一次中间再热、单轴、四缸四排汽、双背压、反动凝汽式汽轮机,机组轴系支撑简图如图1所示。该机组自2017年3月开始,高压转子#1、#2支撑轴承处发生异常振动波动,主要以#1轴承处振动波动为主,振幅改变较大,#2轴承处振动改变较小,具体振动数据和轴承金属温度见表1。查阅机组运行历史数据,该机组在启动定速在3000r/min时,高压转子振动基本稳定在35μm左右,无明显波动现象。在升负荷调整过程中,高中压转子振动出现大幅波动,以#1轴承处波动最为明显,波动幅值最高达70μm,相位变化范围在70°左右,#2轴承处振动的振幅和相位也呈现小幅度波动。由表1数据可知,#1轴承振动的改变量以工频分量为主,且正常运行中#1支撑轴承的金属表面温度较#2轴承大幅偏低。由支撑轴承金属温度分析,该支撑轴承的静态载荷偏轻,转子处于失稳状态,在负荷调整过程中,轻微的汽流扰动就能够造成#1轴承处振动幅值和相位的大幅度波动。为了消除#1轴承振动异常波动对机组安全运行的影响,利用检修机会,对#1轴承和#2轴承进行了翻瓦检查并重新调整了静态载荷,上抬#1轴承标高500μm。调整后,#1轴承异常振动波动现象彻底消失,#2轴承振幅较修前有轻微上升,振动相位基本稳定,#1轴承金属温度由59℃上升至78℃,说明本次轴承静态载荷调整对高压转子失稳故障治理效果显著,检修后振动和轴承金属温度见表2。

3油膜振荡故障治理

某厂1号汽轮发电机组为630MW的单轴、四缸、四排汽、一次中间再热、冷凝式汽轮机,包括1个反向单流的高压缸,1个分流的中压缸,2个分流的低压,轴系支撑简图如图2所示。该机组自投产以来,前低压缸5号和8号轴承处轴振经常发生振动失稳情况,经振动监测,该振动改变量为25Hz的半倍频低频振动,从频谱分析可以肯定该振动不属于强迫振动,应该是由于自激振动引起的。大型汽轮发电机组的常见自激振动故障主要有汽流激振和油膜振荡。汽流激振是由于汽流作用力引起的,主要出现在高中转子上,与负荷有比较明确的关系,本机组异常振动发生于低压转子,与汽流激振不符,因此从油膜振荡方面进行考虑。结合该机组运行数据,在正常运行状态下,5号和8号轴承轴瓦金属温度较6号和7号轴承偏低约10℃左右,初步判断为5号和8号轴承载荷偏低,导致油膜承载压力较小,引起油膜振荡而造成的转子失稳。由机组转子结构分析,该机组5号和8号轴承安装在低压排汽缸上,机组抽真空后,会导致低压缸变形,引起5号和8号轴承标高变化,冷态下虽然对中良好,但热态时轴承标高的相对降低,破坏了原来良好的载荷分配,引起了油膜振荡故障的发生。结合5号和8号支撑轴承的金属温度,利用检修机会,对轴系标高进行了调整,在机组处于冷态时,将5号轴承相对4号轴承抬高0.6mm,8号轴承相对9号轴承抬高0.3mm,并保证了合理的扬度曲线。调整开机后,低压缸4个支撑轴承金属温度相对一致,无明显偏低现象,且机组低频振动现象消失,油膜振荡问题得到解决。

4励端小轴摆尾故障治理

某厂6号机组为1000MW级超超临界、一次中间再热、单轴、四缸四排汽、双背压、反动凝汽式汽轮机,轴系支撑简图如图3所示。该机组从2019年2月开始,在一次负荷增加过程中,励端小轴处8号轴承振动突然爬升,随负荷下降呈轻微的下降趋势。为了掌握振动异常爬升机理,为机组检修提供技术支撑,在现场进行了数据采集分析,于2月13日14时左右,开始对机组进行振动监测,2月14日11时左右结束监测。试验过程中,进行了发电机变氢温试验,变励磁电流试验,以及变负荷试验。在变负荷试验过程中,励端小轴8X、8Y振动与有功负荷存在一定联系,随着负荷变化而缓慢变化,幅值改变约20μm,相位变化约12°。振动数据见表3。结合该机组转子结构,发电机和励端小轴是双轴三支撑结构,励端小轴相对较轻且细长,且8号轴承处基础振动值就已经近180μm,稍一扰动,就会引起振动的改变,该处轴振对扰动的响应较高,随负荷变动时,发电机与励磁刷架对轮的连接情况及轴系标高的变化,都会引起8号轴承振动的变化。对机组运行参数进行分析,励端小轴处8号支撑轴承金属温度仅为52℃,较同类型机组处于偏低水平,初步分析是该处轴承载荷较轻,导致转子失稳所引起的摆尾故障,。2019年12月在机组检修期间,对励端小轴中心数据进行复测,该处轴承标高下沉较多,励端小轴中心由上次检修时的下张口,变成了现在的上张口。该处转子载荷明显偏低,处于失稳状态,与前期诊断基本吻合。于检修期间重新调整了该轴承的静态载荷(轴承整体上抬70丝),机组于2020年1月启动,启动后8号轴承金属温度由检修前52℃上升至75℃,轴振明显下降,各负荷阶段振动无明显变化,本次励端小轴摆尾故障处理至此结束,检修后振动数据见表4。

5结论

通过分析汽轮机支撑轴承温升机理,汽轮机转子支撑轴承温度与静态载荷分布具有正向相关性,支撑轴承金属表面温度能直接验证轴承静态载荷调整的合理性。当汽轮机轴承振动发生异常时,可以参考支撑轴承金属温度判断是否是由于转子失稳而引起,当支撑轴承金属温度明显偏低时,可重点考虑转子载荷偏低的问题。现场专业技术人员应该对轴承金属温度有一定的敏感性,当金属温度明显偏低时,要利用检修窗口予以重新调整,避免转子由于载荷过轻导致的各种转子失稳故障的发生。

作者:徐威 王乃斌 李国庆 单位:中电华创电力技术研究有限公司