超臨界汽輪發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁轉(zhuǎn)子的安裝找正及對(duì)尾瓦軸振的影響

孔 源，田國(guó)成

（1.華能山東分公司，山東 濟(jì)南 250025；2.山東電力研究院，山東 濟(jì)南 250002）

0 引言

某電廠5號(hào)機(jī)組由N670-24.2/566/566型汽輪機(jī)和QFSN-670-2型發(fā)電機(jī)組成，由高中壓轉(zhuǎn)子、低壓轉(zhuǎn)子、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和集電環(huán)轉(zhuǎn)子組成軸系，轉(zhuǎn)子間為剛性聯(lián)軸器連接，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和集電環(huán)轉(zhuǎn)子為三支撐結(jié)構(gòu)，9號(hào)瓦為四塊均布式可傾瓦。該機(jī)在試運(yùn)及試生產(chǎn)期間，機(jī)組尾部9號(hào)瓦的振動(dòng)一直惡變，最大軸振振幅曾超過(guò)500mm，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，多臺(tái)660MW系列機(jī)組該處存在振動(dòng)或瓦溫異常，屬共性問(wèn)題，應(yīng)引起設(shè)計(jì)制造、安裝、調(diào)試以及檢修人員的高度重視。

1 集電環(huán)轉(zhuǎn)子的安裝與找正技術(shù)

1.1 集發(fā)對(duì)輪初找正與二次灌漿

1.1.1 就位前的準(zhǔn)備和檢查

1）按配對(duì)標(biāo)記分組放好墊片,就位前在基架與底板間平均抽去兩張0.15mm左右的墊片，作為二次灌漿后最終找正時(shí)的調(diào)節(jié)余量。

2）在底板上平直放置集電環(huán)裝置，檢查轉(zhuǎn)子兩端相對(duì)于基架的平行度以及轉(zhuǎn)子相對(duì)軸承座的垂直度。平行度＜0.075mm，超差時(shí)可通過(guò)調(diào)節(jié)運(yùn)輸托架下的墊片進(jìn)行調(diào)整；垂直度＜0.13mm，超差時(shí)需要與制造廠聯(lián)系進(jìn)行處理。

3）按“軸系找中圖”將轉(zhuǎn)子初步找正到標(biāo)高,方法見(jiàn)圖1。

圖1 確定轉(zhuǎn)子標(biāo)高

4）控制對(duì)輪瓢偏度在0.013 mm范圍內(nèi)，若超差可現(xiàn)場(chǎng)鏟刮處理。止口徑向須留間隙但不超過(guò)0.05mm，若超差應(yīng)與制造廠聯(lián)系；軸向只要有間隙即可；凹凸止口倒角不可相碰，防止配合失效。

5）逐一檢查與集發(fā)對(duì)輪螺栓孔的配合尺寸與精度，將剪切套筒按編號(hào)一一推入聯(lián)軸器的孔內(nèi)，檢查剪切套筒的頸、孔配合應(yīng)滑爽，精度應(yīng)合格，然后全部取下妥善保存待用。

6）集電環(huán)轉(zhuǎn)子做第一次頂載試驗(yàn)，方法參見(jiàn)二次頂載試驗(yàn)。

1.1.2 集電環(huán)二次灌漿前的裝配

集電環(huán)基架按要求初找正完畢，將轉(zhuǎn)子向9號(hào)瓦移動(dòng)，按圖2測(cè)取X值，計(jì)算δ=X-Y（設(shè)計(jì)值），作為集發(fā)對(duì)輪端面間的開(kāi)口值，δ應(yīng)大于聯(lián)軸器耦合止口的深度。然后按δ值進(jìn)行集電環(huán)軸向就位。

張延青等[30]通過(guò)A/0工藝研究了直接利用排放后的城市海水對(duì)污水處理廠中生物處理系統(tǒng)造成的影響。證明當(dāng)海水含有的鹽濃度過(guò)高時(shí)，生物處理體系嚴(yán)重受到高鹽度水平的影響限制，并且生物的活性很難再次恢復(fù)到正常水平，氨氮和COD的減除效率顯著降低很多，并且出水質(zhì)量完全達(dá)不到城市污水廠二級(jí)出水排放水質(zhì)的國(guó)家規(guī)定。

圖2 集電環(huán)轉(zhuǎn)子軸向位置的確定及聯(lián)軸器找正

1.1.3 集發(fā)對(duì)輪的找正方法及要求

按圖2，盤(pán)轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)子測(cè)取集電環(huán)轉(zhuǎn)子同心度，通過(guò)調(diào)整底板使同心度達(dá)到要求，并在維持這個(gè)同心度的前提下找正聯(lián)軸器端面。需要調(diào)整基架相對(duì)底板的高度時(shí)，可采用事先取出的兩只0.15mm的墊片。預(yù)找正后，復(fù)測(cè)集電環(huán)各部位的軸向和徑向間隙，若與就位前相比變動(dòng)較大，則必須重新復(fù)原并找正。

在集電環(huán)轉(zhuǎn)子盤(pán)轉(zhuǎn)180°后復(fù)測(cè)不變化的前提下，同心度要求最大值與最小值之差不大于0.05mm。將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子分別盤(pán)轉(zhuǎn) 0°、90°、180°、270°時(shí)測(cè)量對(duì)輪張口值，再將集電環(huán)轉(zhuǎn)子翻轉(zhuǎn)180°后按上述步驟進(jìn)行復(fù)測(cè)，在兩次測(cè)量值基本不變的前提下，下張口要求在0.06～0.08mm之內(nèi)。

1.1.4 集電環(huán)裝置底板的二次灌漿

因集電環(huán)裝置的底板面積很大，底板上又僅設(shè)一個(gè)軸承座，其支承剛度對(duì)轉(zhuǎn)軸的不平衡響應(yīng)非常敏感。因此，建議采用大流動(dòng)度、不收縮、高強(qiáng)度的材料二次灌漿，以保證大底板及砂漿墊層只承受分布均勻的壓力，并使接觸面達(dá)95%以上。

1.2 集電環(huán)裝置的最終安裝

1.2.1 集電環(huán)裝置的底板固定

二次灌漿7天后重新吊出集電環(huán)，用敲擊法檢測(cè)底板下是否有空洞發(fā)出的聲音。若發(fā)現(xiàn)局部、小范圍的空洞可用鉆孔法將拌有玻璃纖維的環(huán)氧樹(shù)脂漿體進(jìn)行補(bǔ)灌填充；若空洞面積較大，特別是軸承座下部有空殼存在，則必須果斷返工，重新灌漿。灌漿合格后，以820Nm的擰緊力矩將基架通過(guò)底板和地腳螺栓固定于砂漿墊層上。

1.2.2 集發(fā)對(duì)輪的最終找正與對(duì)接

1.2.3 轉(zhuǎn)子晃度的檢查與校正

在軸承座合縫面上安裝測(cè)量垂直、水平位移的百分表。用鑲有巴氏合金的托環(huán)托住轉(zhuǎn)子軸肩，用行車(chē)懸掛一個(gè)5 t手拉葫蘆掛住托環(huán)，并保證釣鉤正確對(duì)中。略微吊起轉(zhuǎn)子0.35mm，翻出下瓦，再緩慢降低將轉(zhuǎn)子降回原始位置，耐心等待垂直表讀數(shù)穩(wěn)定并同時(shí)察看水平表讀數(shù)是否還原，若偏差太大，則應(yīng)糾正釣鉤的對(duì)中。

緩慢盤(pán)動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，按聯(lián)軸器的螺栓編號(hào)讀取每個(gè)晃動(dòng)值，同一測(cè)點(diǎn)處的讀數(shù)至少應(yīng)重復(fù)出現(xiàn)兩遍，數(shù)值才有效。按圖3計(jì)算容許晃度值A(chǔ)，以9號(hào)瓦軸頸處的讀數(shù)為準(zhǔn)，表計(jì)讀數(shù)最大值減去最小值應(yīng)≯A。若晃度不合格，可增加100～200 Nm的力矩，先從需要借正的一組螺栓開(kāi)始，對(duì)角均勻地緊固一遍聯(lián)軸器螺栓，并保證對(duì)輪端面的平行度不變，然后進(jìn)行第二次晃度值測(cè)量校正。重復(fù)上述步驟，直至螺栓力矩達(dá)到1 250 Nm左右、晃度值合格。從這時(shí)起，至少盤(pán)車(chē)半小時(shí)或待晃度達(dá)到穩(wěn)定后，再以不同的力矩分別緊固螺栓，直到最小力矩值大于1 660Nm為止。若此時(shí)晃度不符合要求時(shí)，可使最大力矩達(dá)到1 930Nm，但不能再大，晃度若仍超差，則必須松開(kāi)聯(lián)接對(duì)輪，鏟刮端面后再按上述步驟重新進(jìn)行晃度校正?；味群细窈?，繼續(xù)盤(pán)車(chē)30min以上并到晃度不再隨時(shí)間變化為止。

圖3 晃度計(jì)算示意圖

1.2.4 集電環(huán)軸承的二次頂載試驗(yàn)

鑒于9號(hào)瓦負(fù)載對(duì)軸振的影響非常敏感，故必須達(dá)到或稍大于設(shè)計(jì)負(fù)載。第二次頂載試驗(yàn)可以實(shí)現(xiàn)這一目的，但應(yīng)注意頂載試驗(yàn)不能替代晃度校正。

二次頂載試驗(yàn)應(yīng)在發(fā)電機(jī)大齒（或小齒）垂直時(shí)進(jìn)行,0°～360°范圍內(nèi),每隔 90°測(cè)量 1 次，得到的負(fù)載值應(yīng)相近，偏差在±157 Nm左右，若偏差太大，則說(shuō)明轉(zhuǎn)子找正有問(wèn)題，須重新進(jìn)行找正。此外，在制造廠內(nèi)已采用預(yù)加載工藝的轉(zhuǎn)子，一般可不再在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行頂載試驗(yàn)，特殊情況時(shí)例外。

1）取下上半軸瓦，在盡量靠近軸承座的地方安置一臺(tái)千斤頂，調(diào)好對(duì)中，在軸頸上方安放一只百分表監(jiān)視轉(zhuǎn)子的頂升量。

2）在千斤頂上放置一個(gè)壓力傳感器，配以相應(yīng)的測(cè)量?jī)x器。在垂直方向上用千斤頂緩緩頂升轉(zhuǎn)子，每頂升0.02mm從測(cè)量?jī)x器上讀取一個(gè)負(fù)載值，直到負(fù)載值不再隨頂升量而上升，即，轉(zhuǎn)子與軸瓦脫離為止。此后，繼續(xù)頂升轉(zhuǎn)子，每升高0.05mm讀一次數(shù)，測(cè)試四到五個(gè)點(diǎn)。

3）以頂升位移值為橫坐標(biāo)，以頂起負(fù)載為縱坐標(biāo)，將轉(zhuǎn)子脫離軸瓦前的各點(diǎn)連成一條曲線，再將脫離后的5個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)連成直線，則兩條線段的交點(diǎn)即為脫離前軸承的負(fù)載值F，相應(yīng)的橫坐標(biāo)即為轉(zhuǎn)子脫離前的位移h。后五點(diǎn)連線的斜率Δy/Δx，是轉(zhuǎn)子的剛度系數(shù)。軸承靜止時(shí)的負(fù)載為：PS=F-h（Δy/Δx）。由于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)8號(hào)瓦大軸承與9號(hào)瓦小軸承的油膜厚度不同，其差為ε，此外，分塊可傾瓦在運(yùn)行中會(huì)將轉(zhuǎn)子中心抬高l，故在額定轉(zhuǎn)速時(shí)軸承的動(dòng)負(fù)載為：Pd=F-（h+ε-λ）（Δy/Δx）。若 Pd小于軸承負(fù)荷設(shè)計(jì)值，應(yīng)增加基架與底板間的墊片抬高軸承座，同時(shí)增加對(duì)輪的開(kāi)口量，使其等于第一次預(yù)加載試驗(yàn)得到的原始負(fù)載值±{（0～670）+（聯(lián)軸器下開(kāi)口值）×（ι/d）×（Δy/Δx）}Nm。其中：ι為 9 號(hào)軸承軸頸中點(diǎn)到聯(lián)軸器外端面的長(zhǎng)度，mm；d為聯(lián)軸器直徑，mm；下開(kāi)口值，1/100 mm；Δy/Δx為轉(zhuǎn)軸剛度系數(shù)，N/（1/100mm）。

2 檢修要求及電廠發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題

2.1 集電環(huán)轉(zhuǎn)子的檢修技術(shù)要求

1）集發(fā)對(duì)輪下張口 0.08～0.10mm；2）垂直度≤0.08mm；3）與 9 號(hào)軸承的同心度 0～0.03mm；4）對(duì)輪瓢偏度≤0.02mm；5）9號(hào)軸承的頂隙應(yīng)為轉(zhuǎn)子軸頸的1.5‰～1.8‰，制造廠要求控制在0.19～0.28mm范圍內(nèi)；而瓦蓋緊力為0～0.05mm。6）根據(jù)出廠資料及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)知：Λ=0.015mm,L=2160mm，D=650mm，由圖3求得轉(zhuǎn)子的最大容許晃度A=0.05mm。

2.2 5號(hào)機(jī)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題

1）在機(jī)組試生產(chǎn)階段5號(hào)機(jī)9號(hào)瓦的軸振隨開(kāi)機(jī)次數(shù)和運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸增大，最大≥500μm，在打閘試驗(yàn)、甩負(fù)荷試驗(yàn)、超速試驗(yàn)等特殊工況時(shí)的振幅與增大速率尤其顯著。但該瓦處的瓦溫較低且基本不變；2）第一次大修測(cè)量的軸徑晃度為0.09mm，同心度為：水平右偏0.3 mm，垂直上偏1.24 mm；3）集發(fā)對(duì)輪連接狀態(tài)下，測(cè)得對(duì)輪瓢偏為0.05mm；4）翻瓦前測(cè)量，軸徑在水平方向右移了0.07 mm，垂直方向下降了0.18mm；5）9號(hào)軸承蓋的緊力為：左側(cè)-0.17 mm，右側(cè)-0.33 mm ；6）9號(hào)軸承的頂部間隙為：左側(cè)0.82mm，右側(cè)0.38 mm。7）對(duì)輪連接螺栓的力矩均＜1 600 Nm，各螺栓之間的力矩偏差均＞160 Nm。8）9號(hào)瓦軸承座定位銷(xiāo)處存在6絲左右的徑向間隙。9）復(fù)測(cè)二次頂載情況，9號(hào)瓦負(fù)載小與設(shè)計(jì)負(fù)載偏差大，不合格。

3 問(wèn)題分析與現(xiàn)場(chǎng)處理

3.1 問(wèn)題分析

由于是新機(jī)組的首次大修，且機(jī)組試生產(chǎn)期內(nèi)的運(yùn)行操作均符合規(guī)程，因此，可以斷定上述問(wèn)題源于安裝或制造不良。查閱機(jī)組安裝記錄發(fā)現(xiàn)上述技術(shù)參數(shù)均合格，由此判定參數(shù)是在運(yùn)行過(guò)程中“游移”的。由于主要技術(shù)參數(shù)全部超標(biāo)，而發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一切正常，因此判斷集電環(huán)裝置的基準(zhǔn)性結(jié)構(gòu)發(fā)生了故障，分析可知，與安裝參量相關(guān)的基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)主要有兩個(gè)：集發(fā)對(duì)輪和9號(hào)軸承座。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)處理

1）按要求重新找正集電環(huán)轉(zhuǎn)子：水平≤0.07mm，垂直≤0.02mm；2）調(diào)整9號(hào)瓦的緊力與間隙，要求：頂部0.20mm，左右兩側(cè)0.11mm；瓦蓋緊力0.03mm；3）找正集發(fā)對(duì)輪中心：圓周≤0.02mm，左右≤0.02mm，下開(kāi)口0.08mm；4）加工修正剪切套筒的長(zhǎng)度配合尺寸及精度，其它配合尺寸、精度保持原始加工狀態(tài)；5）調(diào)整螺栓緊力：首先控制在1 200Nm以下，然后根據(jù)晃度調(diào)整力矩，在晃度合格的基礎(chǔ)上，控制最大力矩1 900～2 000 Nm，最小力矩1 600Nm。6）晃度合格后，根據(jù)頂載試驗(yàn)復(fù)查結(jié)果，決定將9號(hào)軸承座抬高0.20mm。

4 修后開(kāi)機(jī)的振動(dòng)故障及處理

4.1 大修后的開(kāi)機(jī)情況

修后首次開(kāi)機(jī),9號(hào)瓦軸振最大為0.101mm，3 000 r/min時(shí)逐漸降至0.056mm。打閘試驗(yàn)后,第二次啟動(dòng)時(shí)波德圖見(jiàn)圖4，3 000 r/min時(shí)，9X、9Y軸振分別為136mm、135mm，定速后隨著時(shí)間的增加軸振迅速爬升。25 min后，9X、9Y分別增至251mm、236mm，再次打閘停機(jī)。取掉轉(zhuǎn)子的全部整流碳刷，第三次啟動(dòng)并加強(qiáng)暖機(jī)時(shí)間，升速至3 000 r/min時(shí),振動(dòng)基本不變，決定停機(jī)檢查9號(hào)瓦。軸瓦解體后發(fā)現(xiàn)：上瓦瓦蓋緊力分別為：左側(cè)-0.05mm，右側(cè)-0.20mm。頂部間隙：左側(cè)0.48mm，右側(cè)0.27mm；二者均發(fā)生了很大變化。測(cè)量9號(hào)軸徑晃度為0.07mm，也發(fā)生了較大變化。由前述分析認(rèn)為，上述變化是由打閘試驗(yàn)導(dǎo)致對(duì)輪螺栓力矩變化引起的。以1 800Nm的力矩將聯(lián)軸器螺栓全部重緊一遍，測(cè)量晃度為0.06mm；再用1900Nm的力矩復(fù)緊后晃度變?yōu)?.02mm；最后用2 000Nm的力矩全緊一遍，晃度最大0.03mm，證明了緊力變化且影響晃度的判斷。重新按標(biāo)準(zhǔn)安裝找正后第四次開(kāi)機(jī)，9號(hào)瓦軸振及爬升情況與首次啟動(dòng)時(shí)基本相同。

4.2 9號(hào)瓦的振動(dòng)特征

1）打閘試驗(yàn)后再次達(dá)到3 000 r/min時(shí)，9X、9Y同時(shí)增大，爬升快、幅度大，但瓦溫低。8X軸振與9號(hào)瓦振幅值均較小，分別為43mm、9mm,且二者基本無(wú)變化。2）取掉全部整流碳刷后9號(hào)瓦的軸振特征基本不變，降速過(guò)程中軸振明顯比升速時(shí)大，臨界對(duì)軸振影響大。3）隨9號(hào)瓦軸振的爬升，其軸心軌跡不斷外延，但形狀基本不變，9X、9Y分別為248mm、228mm時(shí)的軸心軌跡圖，見(jiàn)圖5。4）3 000 r/min時(shí)9號(hào)軸振的主要成分為工頻，其它分量很小。（5）軸承座各連接部分及其與基架、底板、基礎(chǔ)間的垂直方向差別振動(dòng)很小。

圖4 9X（左）、9Y（中）軸振升降速波德圖以及9Y軸振爬升真趨勢(shì)圖

圖5 定速時(shí)9號(hào)軸振心軌跡圖

4.3 振動(dòng)原因分析

由特征1）可見(jiàn)軸振對(duì)造成軸系外力（矩）突變的運(yùn)行工況非常敏感，瓦的負(fù)荷較輕，振動(dòng)與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子無(wú)關(guān)；2）、3）、4）可排除動(dòng)靜碰磨原因，但 3）表明9號(hào)軸頸的水平晃度大、水平瓦隙大，水平剛度弱。5）可排除垂直安裝剛度弱的原因；4）則表明9號(hào)軸振屬普通強(qiáng)迫振動(dòng)，轉(zhuǎn)子存在一定的質(zhì)量不平衡。

由此可見(jiàn)，9號(hào)瓦軸振增大與爬升的主要原因是：機(jī)組在甩負(fù)荷、打閘試驗(yàn)、超速等可使軸系產(chǎn)生較大外力（矩）突變的工況下，由于剪切套筒或?qū)喡菟ù嬖谥圃旎虬惭b不良等缺陷，導(dǎo)致對(duì)輪各連接螺栓與螺栓孔之間的配合與連接力矩不均勻，部分螺栓產(chǎn)生松弛誘發(fā)對(duì)輪螺栓連接力矩發(fā)生動(dòng)態(tài)改變，使轉(zhuǎn)子晃度發(fā)生“漂移”?；味茸兓纬赊D(zhuǎn)子附加不平衡質(zhì)量，由于9號(hào)瓦軸振對(duì)動(dòng)不平衡響應(yīng)的敏感性，必然形成較大的轉(zhuǎn)子振動(dòng)；而9號(hào)瓦負(fù)荷較輕，瓦的間隙和緊力不合理等安裝缺陷，致使轉(zhuǎn)子的外部約束對(duì)振動(dòng)響應(yīng)失去有效性；同時(shí)，軸承座定位銷(xiāo)處的徑向間隙又導(dǎo)致其橫向連接剛度大幅降低，使振動(dòng)幅度在水平方向進(jìn)一步放大。缺乏約束又存在放大因素的轉(zhuǎn)子振動(dòng)必然反過(guò)來(lái)使螺栓緊力更加松弛，形成力矩松弛—晃度改變—附加不平衡—振動(dòng)—振動(dòng)放大—力矩更加松弛的惡性循環(huán)，使9號(hào)軸振急劇衍化，從而在很短時(shí)間內(nèi)形成振動(dòng)攀升和振動(dòng)故障跳機(jī)。

4.4 振動(dòng)處理

重新修配定位銷(xiāo)，緊固9號(hào)軸承座地腳螺栓并在第四次開(kāi)機(jī)的基礎(chǔ)上對(duì)集電環(huán)轉(zhuǎn)子進(jìn)行高速動(dòng)平衡，處理后，第五次開(kāi)機(jī)時(shí)9X軸振的升速波德圖，見(jiàn)圖6，其軸振不再變化并達(dá)到優(yōu)良。

圖6 動(dòng)平衡后9X軸振的升、降速波德圖

5 結(jié)論

1）9號(hào)瓦軸振對(duì)轉(zhuǎn)子的質(zhì)量不平衡響應(yīng)敏感，主要原因是由于其特殊的三支撐結(jié)構(gòu)對(duì)軸承負(fù)荷、安裝剛度等響應(yīng)敏感，振動(dòng)容易被放大或不能得到有效限制。因此應(yīng)嚴(yán)格按要求進(jìn)行9號(hào)瓦加載試驗(yàn)，對(duì)已經(jīng)采用預(yù)加載工藝的轉(zhuǎn)子，若發(fā)現(xiàn)瓦溫偏低、晃度變化并軸振異常時(shí)，建議增加二次加載試驗(yàn)。

2）重視螺栓剪切套筒的形式、加工精度和裝配質(zhì)量。建議采用錐形等新型結(jié)構(gòu)的套筒或螺栓，保證螺栓與螺栓孔間的接觸均勻性和脹緊可靠性，增強(qiáng)對(duì)輪連接剛度，以防止對(duì)輪連接再次松弛引發(fā)振動(dòng)。

3）對(duì)集電環(huán)轉(zhuǎn)子的異常軸振分析和處理，應(yīng)同時(shí)兼顧軸承座或軸瓦的支撐剛度、對(duì)輪連接剛度以及轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡三個(gè)方面。在保證晃度合格的基礎(chǔ)上應(yīng)盡量采用上限力矩連接對(duì)輪。