燃气轮机单轴机组轴系振动原因分析及处理措施

燃气轮机单轴机组轴系振动原因分析及处理措施

一、单轴机组结构特点

上世纪80年代末，为缓解大庆油田用电的紧张局面，我厂先后从美国GE公司引进两台PG6531(MS6001B )系列燃气轮机发电机组，1#机组为热电联供机组，后改造为燃气-蒸汽联合循环机组；2#机组为单轴燃气-蒸汽联合循环机组，该机组主体设备包括燃气轮机、汽轮机、发电机、余热锅炉各一台。其布置方式如图1所示：

图1机组主体设备俯视图

1启动电机88CR 2液力变扭器 3增速齿轮箱 4辅助齿轮箱 5燃气轮机 6负荷齿轮箱 7发电机 8汽轮机 9余热锅炉

A．辅机间 B．轮机间 C．齿轮间

辅助齿轮箱通过充油齿式联轴器与燃机转子相连，燃机、负荷齿轮箱、发电机、汽轮机之间则通过刚性联轴器连接在一起。发电机位于燃机、汽机之间，由二者共同拖动作功，这种结构俗称“两头抬”式。燃机、汽机、发电机三大旋转设备共轴，整个机组轴系分布为单轴结构。这种结构机型为GE公司70年代末试验产品，生产数量不多。

由于汽机与燃机共轴，其中任何一台设备出现严重故障时，整个机组都得停运，所以缺乏灵活性，目前，这种轴系分布的机组几乎不再生产。

机组运行过程中只有启动电机88CR与轴系脱开，其余设备均随主机一起运转。由于整个轴系跨距达三十余米，相连设备又多，因此机组运行时经常发生设备振动情况。

二、振动及其危害

1、振动的分类

振动的分类方式比较多，按照振动产生的原因分有：自由振动、受迫振动、参数振动、自激振动；按振动的位移特征分有扭转振动、摆动、角振动、横向振动、纵向振动、直线振动；此外还可以按照振动的规律、振动系统的自由度、振动系统结构参数特性及其它方面来划分振动的种类。针对2#机组来看，整套装置中既存在受迫振动，如轴系中某一设备受到临近设备的振动干扰；又存在自激振动，如轴瓦乌金面磨损，工况恶化引起的振动。既有扭转振动，如负荷齿轮箱两个弹性轴传递机组突变力引起的振动；又有横向、纵向和直线振动，如负荷齿轮箱轴瓦前后、左右、上下的振动。

2、振动的危害

2.1振动造成动静部件之间的摩擦和碰撞

实测MS6001B型燃气轮机透平转子上动叶及其气封齿与静止部件的径向间隙在2.65～5.00mm之间，燃气轮机压气机动叶与缸体、静叶与转子的径向间隙在0.65～1.20mm之间，轴承气封与转轴的径向间隙在0.15～0.25mm之间。如此小的间隙无疑是为了提高机组的工作效率，减小漏气损失。但当机组发生剧烈振动时，将导致动静部件之间的摩擦和碰撞，造成气封齿损坏，叶片磨损、变形、掉块，甚

至断裂的严重事故。2#组大修时检查发现压气机动、静叶叶顶部位均有轻微擦痕，由于压气机叶片具有良好的塑性，因此形成叶顶堆积。动叶叶顶堆积方向与转子转向相同，静叶叶顶堆积方向与转子转向相反。这是典型的由振动引起摩擦变形的例子。

2.2振动造成轴与轴瓦的磨损

当机组发生剧烈振动时，建立在轴和轴瓦之间的支撑油膜将被破坏，造成轴和轴瓦的碰撞、摩擦，导致轴瓦乌金因摩擦过热而脱落，形成沟痕，进一步恶化了油膜的承载和润滑效果，引起油膜震荡。同时，长期的振动也导致轴径磨损，使机组的振动进一步加剧。振动和轴瓦的损坏是相辅相成的，振动导致了轴瓦的损坏，轴瓦的损坏又加剧了振动。

2.3振动造成传动齿轮的损坏

MS6001B型机组主轴系中需要增、减速的设备多，所以采用齿轮传动，如液力变扭器、增速齿轮箱、辅助齿轮箱、负荷齿轮箱、辅机与燃机之间的充油齿式联轴器等都分别采用了直齿、斜齿或是人字齿轮传动。当机组发生强烈振动时，相互啮合的齿轮之间将发生冲击、碰撞，破坏齿轮间的润滑油膜，导致齿轮磨损加剧，甚至发生断齿的严重事故。为避免设备因振动造成严重的损坏，在机组的轴瓦上安装有振动探头，输出信号送到中央控制室的控制保护装置中并设定保护定值，当机组振动值达到保护定值时，控制系统保护动作，发出信号遮断机组。

当燃机、发电机和汽轮机运行平稳时，发电机和汽轮机的振动一般保持在 1.5mm/s以下，燃机的振动略高，在3～8 mm/s范围内变化，小于极限值12.7mm/s很多。燃机的振动主要与两端的齿轮箱有关，因此整个轴系的振动主要集中在辅助齿轮箱系统和负荷齿轮箱系

统。由于振动过大，已造成机组多次被迫停机，严重影响了机组的安全稳定运行。

三、振动原因分析

1、负荷齿轮箱系统振动原因

由于燃气轮机额定转速为5080r/min，而发电机的转速为3000r/min，因此，负荷齿轮箱担负着把燃机的转速降到发电机转速的任务。齿轮箱为一级减速，包括两个互相啮合的人字齿轮。其结构图如2所示。

这种结构的人字齿轮设计思想比较独特。大小齿轮结构相似，以小齿轮为例，首先，小齿轮6加工成内部中空结构，细长的弹性轴3从小齿轮中间通过。小齿轮的一端加工有花键8，与小齿轮花键齿套9套接在一起互相啮合。小齿轮花键齿套与小齿轮端的法兰通过螺栓连在一起。当燃气轮机扭矩通过刚性联轴器传递给小齿轮弹性轴后，弹性轴通过花键传递给花键齿套，花键齿套再传递给小齿轮，小齿轮与大齿轮互相啮合，最后把燃机的扭矩传递给发电机。

图2负荷齿轮箱啮合齿轮主视图

1燃气轮机转子靠背轮 2刚性联轴器 3小齿轮弹性轴 4定心环

5可倾瓦及椭圆瓦 6小齿轮（已剖开）7椭圆瓦8啮合花键

9小齿轮花键齿套10大齿轮花键齿套11椭圆瓦12大齿轮（未剖开）13椭圆瓦14发电机转子靠背轮15大齿轮弹性轴

当机组工况改变时，燃机的扭矩发生突变，如果齿轮没有弹性轴，则大小齿轮将会受到强烈的冲击，久而久之，容易导致轮齿的过度磨损，甚至断裂，引发严重的机械事故。由于弹性轴具有良好的弹性，可以迅速吸收燃机突变产生能量，再通过花键、齿套、小齿轮传递给大齿轮，这就延长了力矩的传递时间，根据动量原理可知，传递到大齿轮上的突变力将大大减小。

弹性轴的存在固然可以减缓变工况下大小齿轮的冲击力，但由于刚性联轴器和小齿轮弹性轴细而长，总长度超过3 m，弹性好而刚性差，如果对中或动平衡不好，高速旋转时极易产生振动并传递给小齿轮。

左右对称的人字齿轮可以平衡轴向推力，因此负荷齿轮箱大小齿轮两侧均未加装推力瓦，大小齿轮可以轴向窜动 5 -10 mm，其定位由燃机主副推力瓦决定。这种结构为刚性联轴器的拆装提供足够的空间，但必须承受由燃机和发电机端传递过来的轴向力。当机组负荷变化时，燃气和蒸汽的参数变化导致燃机转子和发电机转子轴向位移波动，二者交汇到大小齿轮处必然引起振动。

由机械原理可知，齿轮具有传递效率高，传递扭矩大等优点，但同时容易产生轮齿冲声和噪声，这是齿轮传递无法克服的缺陷。加之2#机组负荷齿轮箱已运行十余年，轮齿必然会有不同程度的磨损，造成啮合间隙逐渐增大，加上齿轮弹性刚度的周期性变化造成的激励，这些都是导致负荷齿轮箱振动的原因。

2001年8月，2#机组负荷齿轮箱剧烈振动，停机检查发现齿轮