某330 MW汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子葉片斷裂振動(dòng)故障診斷研究

王廣庭，張 爽，羅 凱，范春生，黃中柏

（國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢430077）

0 引言

目前燃煤火力發(fā)電機(jī)組仍為國(guó)內(nèi)電源主力機(jī)組，由于長(zhǎng)期高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速運(yùn)行，機(jī)組葉片斷裂故障仍然時(shí)有發(fā)生［1-8］，對(duì)機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生很大影響。利用發(fā)電機(jī)組振動(dòng)信號(hào)變化特征診斷機(jī)組故障，是目前故障診斷主要手段之一［9-30］。

1 機(jī)組軸系及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

某發(fā)電公司4號(hào)汽輪發(fā)電機(jī)組是由東方電氣聯(lián)合公司生產(chǎn)的N300－16.7/537/537－4 型、亞臨界、雙缸雙排氣、一次再熱凝汽式汽輪機(jī)和QFSW－30－2型氫冷發(fā)電機(jī)組。

機(jī)組共有7個(gè)軸承，其中：1號(hào)、2號(hào)軸承支撐汽輪機(jī)高中轉(zhuǎn)子，3號(hào)、4號(hào)軸承支撐汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子，5號(hào)、6號(hào)軸承支撐發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，7號(hào)軸承支撐碳刷。整個(gè)軸系支撐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 軸系結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Shaft structure diagram of unit

2 機(jī)組振動(dòng)現(xiàn)象及歷史數(shù)據(jù)分析

2015 年4 月5 日06：30，4 號(hào)機(jī)組振動(dòng)出現(xiàn)突增現(xiàn)象，2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)號(hào)軸承座振動(dòng)均明顯增大。調(diào)取機(jī)組振動(dòng)突變前后的DCS 歷史數(shù)據(jù)，可以看出：在1 s 內(nèi)，2X-5X 軸振幅值分別從52 μm、71 μm、57 μm 突增至102 μm、163 μm、170 μm，幅值增大量為60 μm，92 μm，113 μm；15S內(nèi)，2 V-4 V瓦振幅值分別從7 μm、15 μm、32 μm突增至10 μm、47 μm、72 μm，幅值增大量分別為3 μm，32 μm，40 μm，詳細(xì)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 故障突發(fā)前后機(jī)組振動(dòng)DCS歷史數(shù)據(jù)（單位：μm）Table 1 Historical data of DCS of unit Vibration before and after fault outbreak(unit:μm)

3 機(jī)組振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)分析

2015年4月5日16：44，負(fù)荷160 MW，用振動(dòng)測(cè)試儀對(duì)機(jī)組振動(dòng)進(jìn)行全面測(cè)試，從測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出：3X-4X 軸振分別為154 μm∠231o、140 μm∠6o，3Y-4Y軸振分別79.9 μm∠340o、110 μm∠100o，3V-4V 軸振分別59.2 μm∠326o、99.6 μm∠134o，5X 軸振同4X 軸振接近，6X軸振明顯偏小，具體數(shù)據(jù)如表2所示。

從機(jī)組頻譜圖可以看出，2X-5X 軸振1 倍頻分量（通頻值）分別為：139（145）μm、153（163）μm、140（154）μm、91.4（99.3）μm，1倍頻分量均占了主導(dǎo)地位且相位穩(wěn)定；2 V-4 V 瓦振1 倍頻分量（通頻值）分別為：10.3（13.8）μm、59.2（64.4）μm、99.6（112）μm，1倍頻分量也占了主導(dǎo)地位且相位穩(wěn)定。具體情況如圖2～圖5所示。

表2 故障發(fā)生后機(jī)組振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)（單位：μm）Table 2 Vibration test data of unit after failure(unit:μm)

圖3 4X/5X頻譜圖Fig.3 The 4X/5X spectrum

圖4 2 V/3 V頻譜圖Fig.4 The 2 V/3 V spectrum

圖5 4 V頻譜圖Fig.5 The 4 V spectrum

4 機(jī)組停機(jī)過(guò)程振動(dòng)數(shù)據(jù)分析

2015年4月5日17：52，打閘，破壞真空停機(jī)，從機(jī)組停機(jī)振動(dòng)波德圖變化情況可以看出：機(jī)組振動(dòng)隨著轉(zhuǎn)速下降逐漸降低，且在在1 200 r/min 啟動(dòng)頂軸油泵時(shí)，機(jī)組瓦振出現(xiàn)峰值現(xiàn)象，而機(jī)組過(guò)臨界時(shí)振動(dòng)增加量不明顯，詳細(xì)情況如圖6～圖9所示。

5 機(jī)組振動(dòng)特征及故障診斷

根據(jù)上述數(shù)據(jù)和機(jī)理分析可以看出機(jī)組振動(dòng)特點(diǎn)：

1）機(jī)組振動(dòng)突變前后軸振、瓦振幅值變化顯著；

圖6 2X/3X軸振波德圖Fig.6 2X/3X axial vibration bode diagram

2）機(jī)組振動(dòng)突變后，幅值相位均維持穩(wěn)定；

3）3 號(hào)、4 號(hào)軸承支撐的低壓轉(zhuǎn)子振動(dòng)變化最為突出；

4）機(jī)組墮走振動(dòng)幅值隨轉(zhuǎn)速下降明顯降低。

汽輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)可分為強(qiáng)迫振動(dòng)和自激振動(dòng)兩大類，根據(jù)振動(dòng)力學(xué)原理，強(qiáng)迫振動(dòng)的振幅可以表示為：

式（1）中：A 為振幅，mm；E 為常數(shù)；P 為不平衡量，N；K為軸承座剛度，N/mm。

圖7 4X/5X軸振波德圖Fig.7 4X/5X axial vibration bode diagram

圖8 2 V/3 V瓦振波德圖Fig.8 2 V/3 V Bearing vibration bode diagram

圖9 4 V軸振波德圖Fig.9 4 V Bearing vibration bode diagram

從式（1）可知振動(dòng)的振幅與不平衡量成正比，與軸承座剛度成反比；因此當(dāng)軸承座的剛度一定而不平衡量發(fā)生變化時(shí)，汽輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)就會(huì)隨之變化，當(dāng)轉(zhuǎn)子上有大幅不平衡量變化時(shí)，機(jī)組振動(dòng)將會(huì)發(fā)生顯著變化。

綜上所述，故障發(fā)生前機(jī)組不存在振動(dòng)突變或增大的趨勢(shì)，故障發(fā)生后，機(jī)組振動(dòng)呈現(xiàn)出階躍突增現(xiàn)象，因此，可認(rèn)為該故障是由于低壓轉(zhuǎn)子上有部件脫落而引起質(zhì)量不平衡所致。

6 機(jī)組故障檢查

機(jī)組停機(jī)，待低壓缸的溫度冷卻后，通過(guò)人孔門對(duì)低壓轉(zhuǎn)子進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)低壓轉(zhuǎn)子反向第一級(jí)9號(hào)葉片斷裂，葉片斷裂長(zhǎng)度約為25 cm，具體情況如圖10所示。

圖10 轉(zhuǎn)子斷裂部位Fig.10 Rotor fracture site

7 機(jī)組葉片修復(fù)后振動(dòng)情況

對(duì)機(jī)組葉片進(jìn)行更換，修復(fù)正常后，再次點(diǎn)火啟動(dòng)帶負(fù)荷，對(duì)機(jī)組振動(dòng)測(cè)試詳細(xì)情況如下：機(jī)組3 000 r/min空載和帶負(fù)荷工況下，振動(dòng)均合格，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表3所示。

表3 葉片修復(fù)后機(jī)組空載和帶負(fù)荷振動(dòng)數(shù)據(jù)（單位：μm）Table 3 Vibration data of the unit without load and with load after blade repair(Unit:μm)

8 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)機(jī)組振動(dòng)突變前后、振動(dòng)穩(wěn)定后、停機(jī)墮走等3個(gè)階段的機(jī)組軸振、瓦振數(shù)據(jù)變化的詳細(xì)情況，來(lái)分析機(jī)組振動(dòng)特征和規(guī)律，成功診斷出該機(jī)組由于低壓轉(zhuǎn)子葉片斷裂引發(fā)的振動(dòng)故障，該案例可作為同類故障診斷問(wèn)題的參考。

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