汽轮发电机组发电机后轴承轴向振动大原因分析及处理

汽轮发电机组发电机后轴承轴向振动大原因分析及处理
作者：徐冉郭刚
来源：《中国科技博览》2016年第02期
[摘要]山东济矿鲁能煤电股份有限公司阳城电厂安装2台150MW凝汽式汽轮机，两台机组发电机后轴承轴向振动均出现了振幅较大的问题，本文主要介绍了汽轮发电机组发电机后轴承轴向振动严重超标的几种原因及消除对策，结合现场实际情况，用简单的基础理论，解释较难解决的发电机后轴承轴向振动产生的因素。

[关键词]发电机组；轴承；轴向振动；转子弯曲；轴承座；力平衡
中图分类号：TM311 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）02-0040-01
1 概况
山东济矿鲁能煤电股份有限公司阳城电厂#2机组自2010年开始，发电机后轴承轴向的振动经常出现，而振动值明显地呈上升态势，振动值增大的幅度越发明显，致使振动值严重超标，经监视测量，轴承座顶部轴向振动值达300 μm以上。

汽轮发电机组的振动，是评价机组运行可靠性的重要指标。

能引起汽轮发电机组振动的原因很多，这些原因不仅与制造、安装、检修和运行管理的水平有关，而且它们之间又互相影响。

这种情况下，找出产生振源的主要因素、使振动叠加、放大、共振的重要因素，并非一件容易的事。

本文主要研究大型汽轮发电机组发电机后轴承常见的轴向振动严重超标的几种原因及消除对策。

2 轴承轴向振动产生的原因
在测量机组振动的过程中，常常发现轴承的轴向振动过大，其轴向振动幅值往往是垂直和水平振动幅值的几倍甚至达到几十倍，而这种轴向振动过大现象，又绝大多数发生在发电机后轴承，联系阳城电厂#2机组#5轴承振动情况分析，引起发电机后轴承轴向振动过大的原因有如下几点。

2.1 转子弯曲
机组发电机转子前后轴颈之间轴向距离一般较长，加上材料的刚性及制造质量等诸多因素，就不可避免地使转轴存在一定的静挠度。

发电机在运转时，如遇到转子同定子间空气间隙
不均匀时，转子受到周期性的电磁力作用或转子置于不均匀温度场中，都可能使转子在力（热）的作用下发生弯曲。

弯曲的转子在旋转时，轴颈产生偏转，轴颈在轴瓦内的油膜承力中心沿轴向随转速发生周期变化，从而引起轴承跟随轴颈偏转，然后再传递给轴承座，最终导致轴承座的轴向振动。

振动的烈度同转子弯曲度呈正比，通常由转子弯曲引起的振动偏大的同时，也伴随着垂直方向和水平的振动偏大。

2.2 轴承座不稳固
一般情况下，发电机运转时，其轴挠曲和轴振是不可避免的，挠曲的转子在旋转时，力图使轴瓦及轴承座作相应的偏转。

但如果轴承无法追随轴颈的偏转，将加剧轴承座的轴向振动。

如果机组在安装时，轴承座底部与台板的接触不符合要求，接触面积达不到75%以上，且接触点分部又不均匀，可直接导致轴承轴向振动剧烈。

2.3 轴承壳对轴瓦过盈量偏大
挠曲的转子在旋转时，轴承无法追随轴颈的偏转而形成轴向振动偏大。

但在检修时，往往被错误认为，轴承紧力越大越能抑制轴承的振动，而容易忽视了轴承无法追随轴颈偏转运动，将轴振直接传递给轴承座，反而增加了轴承座的轴向振动幅度。

弄清轴承盖对轴瓦的紧力有些需要大一些，有的需要小一些的原因，需要区别每一个轴承所处的位置、环境和工作条件。

转子、轴瓦及轴承壳之间既是相互依赖的联合体，又是相互独立的组合体，机组正常工作时转子高速旋转必定要受到油膜的摩擦阻力的作用，而油膜运动又要受到轴瓦乌金表面的摩擦阻力的作用。

这两个摩擦阻力并没有真正作功必定要产生热量，这些热量大部分被油流带走，而少部分传递给了轴瓦、垫块和轴承壳体，从而造成机组运行时轴承的温升，进而必然会产生膨胀，其膨胀量与温度的变化量及自身的膨胀系数成正比。

发电机后轴承所处的环境是在常温下的空气中，如果将此轴承的过盈量任意放大，就等于将轴承壳体对垫块的压力增大，那么轴承垫块与壳体之间的摩擦力增大，其结果就是直接导致轴承不能追随轴颈发生偏转，使轴承座的轴向振动更加增大。

阳城电厂2号机组5号轴承在复测紧力时，发现紧力为0mm，因为轴承座本身就不稳固，再加上轴承壳对轴承没有紧力，所以判定这些是造成轴向振动严重超标的重要原因。

2.4 电磁力不平衡和通风量不平衡
在发电机部分，单纯由转子弯曲直接造成轴向振动超标的情况并不多见，分析使发电机转子产生轴窜的原因，有必要引入两个新的概念，即电磁力不平衡和通风量不平衡。

2.4.1 电磁力不平衡
这里所研究的是单纯引发发电机转子产生轴向位移的电磁力不平衡，而不是传统意义上由于空气间隙不均匀所造成的电磁力不平衡。

发电机的工作原理是利用汽轮机作为原动机驱动发电机转子旋转，磁极磁场旋转而使静子绕组中导线切割磁力线产生电流。

当静子线圈中有电流通过时，也将会产生电枢磁场，正常运行中，一旦发生发电机转子与静子沿轴线方向上的对称中心偏置，静子绕组感应磁极磁场的磁通量，前后部分就会不相等，那么前半部分线圈与后半部分线圈感受磁极磁场的电磁力也会不相等，这就会使电磁力失去平衡。

2.4.2 通风量不平衡
当出现发电机转子与静子或励磁机转子与静子中心偏置时，也伴随着通风量的不平衡，是因为转子偏置后，装设在发电机转子或励磁机转子两头的风叶也同时向一端发生了位移，造成两端通风面积变化，面积大的一端风压就会比面积小的一端风压低，产生风压不平衡，因此转子凸肩端面所承受的风压力就会不平衡，从而迫使转子由风压高的一端移向风压低的一端，由此产生轴向推力。

以上电磁力不平衡是在负荷情况下的干扰力不平衡，当发电机卸荷后，电磁力不平衡即会消失，而通风量不平衡是转子达到一定的转速后即会产生，前提都是转子与静子在轴向上几何中心存在偏差。

3 发电机后轴承轴向振动消除方法
通过上面大量的测量数据和充分的理论分析判断后，根据掌握的知识和经验，针对振动的情况及特点，制定出相应方案并实施，在实施中首先考虑的是抓住主要原因，彻底消除振源，针对以上分析的振动原因，消除措施如下：
（1）调整发电机或励磁机的磁力中心，彻底消除电磁力不平衡和通风量不平衡。

实际上消除电磁力不平衡和风压不平衡比较简单，不需要通过复杂的计算和反复多次的试验，只需将转子与静子的磁力中心调至重合，即转子和静子的轴向几何中心一致，但在调整过程中，不可忽视热态时自汽轮机推力盘向后各转子的轴向热胀伸长量，因此，所谓的转子与静子轴向几何中心重合是指机组在热态的，有载的情况下的几何中心重合，而不是指冷态的，静止的和空载的。

（2）复紧台板地脚螺栓，并探明螺栓松驰的原因，测量螺帽复紧角度，计算出螺栓的松驰程度及松驰速度，搞清楚是否存在应力松驰或螺栓的疲劳情况，并作好记录，螺帽锁紧后并用焊点加固，以防再次发生地脚螺栓松驰。

（3）重新研磨并铲刮轴承座接触处的台板，确保轴承座与台板接触面积达75%以上，且做到接触点分布均匀，轴承座下调整垫片重新更换为厚薄均匀，强度较高的垫片。

（4）重新调整轴承与瓦壳之间的过盈量。

确保轴承内外紧力均在标准规定的范围内，以保证轴瓦能够追随轴颈偏转，不再使轴承座受轴颈和轴瓦的牵制。

4 结束语
转动机械在运转时总是存在着振动现象，汽轮发电机组也不例外，但是超过允许范围的振动往往是导致设备损坏的信号。

为了保证机组的安全运行，在设备的设计制造、安装和运行中都必须做到严格执行质量标准和工艺要求，无论哪一方面出问题，都会从机组的振动上表现出来。

汽轮发电机组运行的可靠性，在很大程度上是由机组的振动状态来决定的，但是机组偶尔出现振动并不可怕，只要在振动出现的初期及时发现，做到准确的分析，就能彻底地将振动完全消除，对保证机组的安全运行极有好处。

参考文献
【1】汽轮机技术（2005.6）
【2】汽轮机设备--华北电力大学
[作者简介] 徐冉（1987.03-），男，汉，山东省菏泽，山东科技大学，热能与动力学院2012级本科生，助理工程师，主要从事汽轮机与辅机检修工作中更科学与经济性的研究；单位：山东济矿鲁能煤电股份有限公司阳城电厂。

郭刚（1973.03-）男，汉，山东省济宁，东北电力学院，热能与动力学院2000级本科生，高级工程师，主要从事汽轮机与辅机检修工作中更科学与经济性的研究。