汽輪機低壓轉子葉片脫落故障振動特征分析

辛士紅，袁 海，吳興燕，俎海東

（1.內蒙古電力（集團）有限責任公司內蒙古電力科學研究院分公司，呼和浩特 010020；2.內蒙古電力（集團）有限責任公司蒙電項目建管分公司，呼和浩特 010020；3.內蒙古電力（集團）有限責任公司培訓中心，呼和浩特 010020）

0 引言

在雙碳戰略目標背景下，清潔能源裝機量和發電量占比不斷增加，火電機組積極開展轉型升級，節能降耗改造、供熱改造和靈活性改造的三改聯動逐步推進，以滿足節能降耗和消納風電、光伏等清潔能源的要求[1-2]。然而火電機組實施的各種改造和快速啟停、深度調峰等靈活性運行方式使得汽輪機設備運行偏離了原有的設計工況[3-4]，安全可靠性降低、故障頻次增多、故障嚴重程度增大，其中汽輪機低壓轉子末幾級葉片脫落故障就是典型故障之一[5]。本文針對汽輪機轉動部件脫落故障歸納了故障過程振動趨勢的變化特征，并以某300 MW 汽輪機低壓轉子汽側次末級葉片脫落故障為案例，進行故障發生前后及故障發生過程中機組軸系振動分析，總結了該類典型故障的振動趨勢和振動數據特征，為其他機組類似故障的振動分析和診斷提供參考[6-11]。

1 機組概況

某電廠300 MW機組汽輪機為哈爾濱汽輪機廠有限責任公司生產的CZK/300/350-24.2/566/566/0.4型超臨界、單軸、雙缸雙排汽、中間再熱、直接空冷、采暖供熱抽汽式汽輪機，發電機為哈爾濱電機廠生產的QFSN-350-2型水-氫-氫冷卻發電機。機組軸系由高中壓轉子、低壓轉子和發電機轉子組成，軸系由1 號軸承箱內的推力軸承定位，由6 個徑向軸承支撐；高中壓轉子、低壓轉子和發電機轉子間均采用法蘭式剛性聯軸器連接，構成了軸系。機組軸系結構和支承情況如圖1所示。

圖1 機組軸系結構和支承情況示意圖Fig.1 Schematic diagram of the shafting structure and support of the unit

2 故障過程

某日07：00，機組負荷261 MW，各項運行參數正常；07：06，機組軸系各軸承處振動均突升，隨后穩定在突升后高值，其中低壓轉子3 號、4 號軸承處振動幅值變化最大；機組快速降負荷至175 MW，軸系各軸承處振動無明顯變化；隨后機組正?；瑓低C，機組投入連續盤車后盤車電流、轉子惰走時間等技術參數均正常。最終對機組低壓缸進行檢查，發現低壓轉子汽側次末級葉片斷裂，斷裂位置為自葉片根部平臺上方約20 mm 處，葉片下半部分仍鑲嵌于葉根槽內，上半部分脫落掉入下缸內，并將相鄰的多片次末級葉片和末級葉片擊打損傷。低壓轉子汽側次末級葉片斷裂位置和脫落部件如圖2所示。

圖2 低壓轉子汽側次末級葉片斷裂位置和脫落部件Fig.2 Fracture position and detached components of the penultimate blade on the vapor side of the low-pressure rotor

3 振動趨勢分析

機組故障過程中低壓轉子3號、4號軸承處振動趨勢如圖3 所示。軸系各軸承處振動特征主要如下：

圖3 機組故障過程低壓轉子3號、4號軸承處振動趨勢圖Fig.3 Vibration trend diagram of bearing 3 and bearing 4 of low-pressure rotor during the fault process of the unit

（1）機組軸系各軸承處振動（軸振、座振）均同時發生不同程度突增，其中低壓轉子兩端軸承處振動突增幅值最大。

（2）故障前機組軸系各軸承處振動相對穩定；故障過程中各軸承處振動幅值均在1～3 s突增，隨后經2 min 左右過渡，穩定在某一數值后不再明顯變化。

（3）故障后機組軸系各軸承處振動相對穩定，不隨機組負荷、潤滑油溫度等相關運行參數變化而明顯變化[12-17]。

4 振動數據分析

機組故障過程中各軸承處振動數據變化情況見表1。分析其主要特征如下：

表1 機組故障過程中各軸承處振動數據變化情況Tab.1 Changes of vibration data of each bearing during the fault process of the unit

（1）各軸承處振動均明顯變化，其中低壓轉子兩端軸承處振動變化最大，相鄰的高中壓轉子和發電機轉子兩端軸承處振動變化相對較小。

（2）故障前振動主要以1倍頻振動分量為主，1倍頻振動分量幅值、相位均相對穩定；故障后振動也主要為1 倍頻振動分量，1 倍頻振動分量幅值、相位均相對穩定。

（3）振動變化主要為1倍頻振動分量變化，1倍頻振動分量幅值、相位均不同程度變化。

（4）低壓轉子兩端軸承處振動幅值、1 倍頻振動分量變化最大，相鄰高中壓轉子和發電機轉子兩端軸承處振動幅值、1倍頻振動分量變化相對較小。

（5）低壓轉子兩端軸承處振動同相分量、反相分量均明顯變化，其中反相分量變化較同相分量變化數值大。

（6）高中壓轉子兩端軸承處振動同相分量、反相分量均變化，其中反相分量變化較同相分量變化數值大。

（7）發電機轉子兩端軸承處振動同相分量、反相分量均變化，其中同相分量變化較反相分量變化數值大。

5 故障振動特征分析

從汽輪發電機組轉動部件脫落故障引起振動的機理分析，主要是當轉動部件脫落發生時軸系的平衡狀態突變，從一個平衡狀態快速改變為另一個新的平衡狀態，與平衡狀態相對應的振動也隨之變化。但需要說明的是振動變化指的是振動矢量變化，包含振動幅值和相位，而非單指振動幅值[7]。

上述汽輪機低壓轉子汽側次末級葉片脫落故障，屬于低壓轉子跨內轉動部件脫落；從轉子振動機理看，相當于低壓轉子跨內部分失衡引起的振動響應，其振動響應具有轉子跨內失衡的特點，有別于低壓轉子、發電機組轉子跨外低發聯軸器轉動部件脫落故障[18-22]。

分析總結上述汽輪機低壓轉子汽側次末級葉片脫落故障振動特征主要如下：

（1）從機組軸系振動趨勢看，故障發生前各軸承處振動相對穩定，故障發生時各軸承處振動（軸振、座振）均同時快速突變（在數秒內變化），故障發生后經過一個短時間的過渡過程振動基本穩定在一個新的狀態，且振動不隨機組負荷、潤滑油溫度等相關的運行參數變化而明顯變化。

（2）從機組軸系振動數據看，故障發生前各軸承處振動以1 倍頻振動分量為主，振動通頻幅值、1倍頻振動分量幅值和相位相對穩定；故障發生時振動變化主要為1 倍頻振動分量變化；故障發生后振動以1 倍頻振動分量為主，振動通頻幅值、1 倍頻振動分量幅值和相位穩定在一個新的狀態。

（3）從機組軸系各轉子振動數據變化看，低壓轉子跨內轉動部件脫落故障發生后低壓轉子兩端振動矢量變化較大，相鄰轉子振動矢量變化相對較小。

（4）從機組軸系各轉子振動數據同相分量和反相分量變化看，低壓轉子汽側次末級葉片脫落故障發生后低壓轉子兩端振動矢量同相分量與反相分量均變化，其中反相分量變化較同相分量變化大；高壓轉子兩端振動矢量反相分量變化較同相分量變化大；發電機轉子兩端振動矢量同相分量變化較反相分量變化大。

汽輪發電機組轉動部件脫落故障，一方面部件脫落發生突然，導致軸系振動狀態會突變，振動狀態具有突變的明顯特征；另一方面部件脫落勢必造成軸系平衡狀態改變，振動狀態改變主要為1 倍頻振動分量的改變，個別情況會因間接引發其他故障而導致非1倍頻振動分量變化。汽輪發電機組軸系不同位置部件脫落失衡會引起軸系不同的振動響應，對于軸系某一轉子主要分為跨內部件脫落失衡引起的振動響應好跨外部件脫落失衡引起的振動響應。汽輪機低壓轉子汽側次末級葉片脫落故障對于低壓轉子為跨內部件脫落失衡引起的振動響應，因為汽輪發電機組工作轉速3000 r/min 處于低壓轉子一階和二階臨界轉速之間且接近二階臨界轉速，所以振動響應主要為反相分量；對于高中壓轉子為跨外部件脫落失衡引起的振動響應，因為3000 r/min 處于高中壓轉子一階和二階臨界轉速之間且跨外不平衡主要激發高中壓轉子二階振型，所以振動響應主要為反相分量；對于發電機轉子為跨外部件脫落失衡引起的振動響應，因為3000 r/min處于發電機轉子二階和三階臨界轉速之間且跨外不平衡主要激發發電機轉子三階振型，所以振動響應主要為同相分量[11]。

6 結語

本文以汽輪機低壓轉子汽側次末級葉片脫落故障典型案例為對象，研究了故障發生前后及過程中機組軸系振動趨勢和振動數據，分析總結了故障發生過程機組軸系振動趨勢和振動數據的變化特征，為機組頻發的汽輪機低壓轉子轉動部件脫落故障分析及診斷提供參考，對機組類似故障的快速、精確診斷具有重要意義。