三支承結(jié)構(gòu)的發(fā)電機-勵磁機不穩(wěn)定振動問題分析及治理

應(yīng)光耀，吳文健，童小忠

（浙江省電力試驗研究院，杭州 310014）

上電集團引進美國西屋公司技術(shù)生產(chǎn)的亞臨界300 MW和600 MW機組，其發(fā)電機-勵磁機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)采用三支承結(jié)構(gòu)，即發(fā)電機轉(zhuǎn)子由2只重載瓦支撐，勵磁機轉(zhuǎn)子一端由1只輕載瓦支撐。這類機組一直存在著勵磁機末端瓦不穩(wěn)定振動問題。上電集團進行了2次勵磁機系統(tǒng)改造，采用靜態(tài)勵磁后，解決了勵磁機臨界轉(zhuǎn)速裕度不夠?qū)е碌牟环€(wěn)定振動問題[1-2]，但是不穩(wěn)定振動問題在剛投產(chǎn)的機組中仍然存在[3-6]，需加以研究并進行有效治理。

1 振動問題概況

浙江電網(wǎng)2004年以后投產(chǎn)的上電集團生產(chǎn)的發(fā)電機-勵磁機三支撐結(jié)構(gòu)機組有：嘉興發(fā)電廠5號和6號、寧海發(fā)電廠1號和2號600 MW機組，樂清發(fā)電廠1號、浙能長興發(fā)電廠3號及溫州發(fā)電廠5號300 MW機組。其中300 MW機組勵磁機末端瓦為7號瓦，高中壓分缸600 MW機組末端瓦為11號瓦，高中壓合缸600 MW機組末端瓦為9號瓦，且均采用靜態(tài)勵磁集電環(huán)結(jié)構(gòu)，都存在勵磁機末端瓦不穩(wěn)定振動問題。曾出現(xiàn)不穩(wěn)定振動的時間和振動值見表1，可知這些機組勵磁機末端瓦振動的共同特征為：

（1）振動以1倍頻分量為主。

（2）振動爬升量（變化量）仍然以1倍頻分量為主，屬于工頻同步失穩(wěn)問題。

表1 勵磁機末端瓦振動爬升情況匯總（通頻/1倍頻∠相位）μm/μm∠°

（3）剛到額定轉(zhuǎn)速時振動不明顯，一般在空載未帶負(fù)荷時振動會出現(xiàn)爬升現(xiàn)象，帶負(fù)荷后振動變化更為明顯。

（4）大多數(shù)機組振動的爬升都僅限于振幅的爬升，振動的相位變化不大。

2 振動機理分析

由上述振動特征可知，勵磁機振動爬升屬于不穩(wěn)定強迫振動。對引進型300 MW機組振動問題的處理經(jīng)驗表明[1-3]，勵磁機組末端瓦振動不穩(wěn)定的主要原因是結(jié)構(gòu)設(shè)計以及制造和安裝方面存在一定的缺陷，特別是發(fā)電機轉(zhuǎn)子和勵磁機的三支承設(shè)計結(jié)構(gòu)容易引起振動的爬升。

2.1 勵磁機不平衡響應(yīng)

300 MW機組發(fā)電機-勵磁機轉(zhuǎn)子不平衡響應(yīng)特別大，即勵磁機轉(zhuǎn)子軸振的影響系數(shù)比正常值大很多，這是因為勵磁機實際臨界轉(zhuǎn)速與工作轉(zhuǎn)速過于接近，形成共振狀態(tài)[1，2]。經(jīng)過改造后，采用靜態(tài)勵磁系統(tǒng)，勵磁機實際臨界轉(zhuǎn)速已遠離工作轉(zhuǎn)速，因此勵磁機不平衡響應(yīng)也基本恢復(fù)到正常水平。

部分改造后機組的勵磁機或發(fā)電機-勵磁機靠背輪上加重后軸振詳細(xì)數(shù)據(jù)見表2，由表2可以看出振動響應(yīng)值在100～240 mm/kg左右，說明勵磁機不平衡響應(yīng)已在正常范圍內(nèi)，不再是引起振動爬升的關(guān)鍵因素。

2.2 密封瓦碰摩影響

三支承結(jié)構(gòu)的發(fā)電機和勵磁機相互作用，發(fā)電機轉(zhuǎn)子變化引起勵磁機轉(zhuǎn)子的變化，或是勵磁機轉(zhuǎn)子自身先變化，都作為發(fā)電機轉(zhuǎn)子的外伸端影響發(fā)電機組轉(zhuǎn)子的振動，從而改變轉(zhuǎn)子密封瓦間的間隙，引起摩擦。摩擦程度與密封瓦結(jié)構(gòu)、安裝精度、密封瓦潤滑條件等多種因素有關(guān)。當(dāng)密封瓦處發(fā)生碰摩時，密封油溫對振動影響較大，由此判斷是否存在密封瓦碰摩，主要看機組振動爬升是否與密封油溫有密切的關(guān)系。密封油溫的提高能有效改善末端瓦振動，因此可以認(rèn)為振動主要由密封瓦碰摩引起。

表2 3 000 r/min時不同加重位置的相對軸振不平衡響應(yīng)情況 μm/kg

此外，也可以對比密封瓦碰摩前后發(fā)電機軸承溫度，如果密封瓦安裝間隙過小，密封瓦就會起支撐軸承的作用，承擔(dān)發(fā)電機轉(zhuǎn)子的部分重量，導(dǎo)致發(fā)電機軸承負(fù)載偏輕，發(fā)電機軸承金屬溫度會有所降低。

2.3 勵磁機安裝參數(shù)影響

作為發(fā)電機轉(zhuǎn)子的外伸端，三支承結(jié)構(gòu)的勵磁機轉(zhuǎn)子要利用勵磁機末端輕載瓦的支撐來穩(wěn)定軸承，這就對機組安裝提出了非常嚴(yán)格的要求。若安裝不到位，容易使末端瓦失去支撐作用，從而使發(fā)電機-勵磁機形成一個類似懸臂梁的振動形態(tài)，使末端瓦處的振動放大并爬升。

末端瓦的負(fù)載主要通過發(fā)電機-勵磁機對輪下張口來調(diào)整，要求是0.08～0.12 mm，實際上相當(dāng)于末端瓦抬軸量在0.24～0.36 mm。部分機組的運行情況表明，末端瓦的負(fù)載仍然不足，帶負(fù)荷工況下，振動仍會出現(xiàn)爬升現(xiàn)象。末端瓦溫偏低也是承載不足的證據(jù)之一，說明末端瓦的穩(wěn)定性較差。

冷態(tài)下，發(fā)電機與勵磁機的靠背輪對中較好，符合安裝要求。但是聯(lián)軸器連接螺栓緊力不足或不均勻時,在機組長時間運行的過程中，靠背輪的螺栓松動、軸系的熱態(tài)變化，會使勵磁機轉(zhuǎn)子的晃度超標(biāo)，放大了不平衡質(zhì)量，造成振動逐漸爬升。此外，外部的電氣沖擊會使轉(zhuǎn)子承受很大的沖擊扭矩，引起聯(lián)軸器連接狀態(tài)的改變，也會引起末端瓦振動爬升。

末端瓦的標(biāo)高、頂隙及側(cè)隙也是影響末端瓦振動波動的原因之一。若標(biāo)高偏低、頂隙偏大，都可能使該瓦承載和動剛度隨機組工況的變化而變化，其振動波動較大。

2.4 勵磁機轉(zhuǎn)子熱彎曲

上電集團600 MW勵磁機轉(zhuǎn)子集電環(huán)由通風(fēng)斜孔來冷卻。若通風(fēng)斜孔堵塞，特別是部分堵塞會引起勵磁機組轉(zhuǎn)子熱彎曲，其表現(xiàn)為末端瓦振動工頻分量隨勵磁電流變化而變化，且振動對環(huán)境溫度較為敏感，隨著環(huán)境溫度的變化而變化，環(huán)境溫度越低振動越小。

3 振動問題診斷和治理方法

由上述分析可知，勵磁機工頻不穩(wěn)定振動的影響因素多種多樣，甚至還有多種因素耦合在一起，需借助相關(guān)振動試驗和分析來診斷。根據(jù)振動處理經(jīng)驗，做出一個診斷策略流程，如圖1所示。

圖1 勵磁機不穩(wěn)定振動診斷策略

（1）判斷振動不穩(wěn)定是否以工頻為主，以此來確定是否存在油膜振蕩或電氣故障。

（2）通過啟停機振動測試確定勵磁機臨界轉(zhuǎn)速，采用靜態(tài)勵磁后，基本未見勵磁機臨界轉(zhuǎn)速過于接近工作轉(zhuǎn)速。

（3）通過變油溫試驗觀察發(fā)電機軸承溫度變化，判斷是否存在密封瓦碰摩。

（4）通過變無功試驗，結(jié)合環(huán)境溫度的影響，判斷是否存在勵磁機轉(zhuǎn)子熱彎曲。

（5）通過有功試驗，結(jié)合相位分析，判斷對輪中心是否出現(xiàn)問題。各種試驗都能影響勵磁機振動的波動且量值有限，如果振動波動過程相位變化較大的，說明軸承穩(wěn)定性較差，則軸承安裝不良可能性比較大；如果振動波動過程相位基本不變化，則勵磁機末端瓦承載不足可能性比較大。

針對發(fā)電機-勵磁機三支承末端瓦不穩(wěn)定振動特點，通過數(shù)十臺次的治理實踐，提出了勵磁機末端瓦不穩(wěn)定振動治理方法：

（1）為了提高末端瓦承載，在檢修時嚴(yán)格控制各關(guān)鍵安裝參數(shù)：下張口0.12～0.15 mm；勵磁機晃度在0.03 mm以內(nèi)；對輪螺栓力矩增大至1 950 N·m，軸瓦間隙和緊力與設(shè)計值取設(shè)計值上限。

（2）采用精確動平衡方法，降低發(fā)電機或勵磁機轉(zhuǎn)子的殘余不平衡量，加重位置在對輪處或勵磁機轉(zhuǎn)子燕尾槽處。

（3）定期清理勵磁機冷卻通風(fēng)孔，不再采用熱態(tài)動平衡法降低振動。

（4）在機組啟動或正常運行過程中，將發(fā)電機組密封瓦的油溫提高至46～49℃，以降低發(fā)電機組轉(zhuǎn)子與密封瓦的碰摩程度。對密封油溫敏感的機組，采取密封油管加保溫層措施。在冬季工況下，由于密封瓦進口處油溫比測點處溫度低約7℃，密封瓦油溫可提高至52～53℃。

對上電集團600 MW和300 MW機組都采取了以上治理措施，對哈電集團的機組主要采用動平衡方法處理，但部分機組也采取了以上措施，解決了勵磁機末端瓦不穩(wěn)定振動問題，勵磁機末端瓦振動值均達到優(yōu)良水平（見表3）。由表3可知，勵磁機不穩(wěn)定振動基本上是多種因素耦合的故障，其中末端瓦承載不足和安裝不良引起的不穩(wěn)定問題占大多數(shù)。

4 結(jié)論

勵磁機末端瓦不穩(wěn)定振動以耦合故障形式表現(xiàn)出來：靜態(tài)勵磁機的不平衡響應(yīng)已在正常范圍，不再是影響振動爬升的因素之一；密封瓦碰摩現(xiàn)象在部分機組中仍然存在，主要和密封瓦的安裝質(zhì)量有較大的關(guān)系；勵磁機末端軸承安裝質(zhì)量控制不嚴(yán)引起不穩(wěn)定振動較為普遍；軸瓦溫度偏低，導(dǎo)致軸承穩(wěn)定性偏差。

表3 勵磁機不穩(wěn)定振動治理效果μm

提出的增大發(fā)電機-勵磁機靠背輪下張口、增加末端瓦負(fù)載、減少末端瓦頂隙、控制轉(zhuǎn)軸晃度和精確動平衡等一整套治理措施和診斷方法，有效解決了發(fā)電機-勵磁機三支承末端瓦不穩(wěn)定振動的難題。

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