汽轮机转子轴向窜动和轴向位移

张学延，等

西安热工研究院有限公司

1 机组简介和故障情况

某电厂 2 号机组是上海电气集团股份有限公司引进西门子公司技术生产的 1 000 MW 超超临界汽轮发电机组。该机组汽轮机采用补汽阀技术， 从主汽门后、主调门前引出额定进汽量 8% 的新蒸汽，经补汽阀节流降低参数后，分左右 2 根管道进入高压第 5 级动叶后，主汽流与这 2 股蒸汽混合后在后续各级继续膨胀做功。补汽阀全开后，机组负荷提高约 50 MW。

根据以往的经验，该型机组在夏季额定负荷工况下补汽阀开启时，高压转子通常会出现汽流激振故障，引起 1、2 号轴承轴振大幅升高，故机组运行中通常不开补汽阀。在补汽阀全关方式下运行，夏季机组最大负荷仅能带到 950 MW。为解决夏季出力问题，2016 年 12 月，电厂联合上海汽轮机厂（简称上汽厂）及西门子公司对补汽阀系统进行了优化改造，并于 2017 年 5 月利用 2 号机组 C 修机会，在其两侧进汽管路上各增加 1 个均流孔板。

根据上汽厂汽轮机轴向推力计算报告，在955 MW 补汽阀临界开启工况和 1 000 MW 补汽阀开启试验工况下整个机组轴向推力分别为–90.5 kN 和 156.4 kN，该数值均在推力轴承许用运行范围之内（许用最大值±376 kN，短期内许用最大值±451 kN）。

2017 年 7 月 19 日至 20 日， 2 号机组进行补汽阀试验测试。7 月 19 日 12:14—15:23 和 7 月 20 日09:53—12:46 ，分别进行了 800 MW 和 950 MW工况补汽阀扰动试验，开度由 0% 开至 40%，试验过程中振动、轴向位移等参数均正常。7 月 20 日13:20，试验过程中，负荷由 870 MW 加至 1000 MW，13:27 补汽阀由 0% 开至 40%，主蒸汽压由 25.7 MPa波动至 26.3 MPa，主蒸汽流量由 2 634 t/h 波动至900 t/h。13:53 汽轮机轴向位移突然超出限值（轴向位移有 3 个测点，报警值为±0.5 mm，跳闸值为±1 mm，采用三取二延时 1 s 保护动作），引发跳闸停机。跳闸前高压转子 1 号轴承轴振合成值由 30 μm 突升至 65 μm， 2 号轴承轴振合成值由65 μm 突升至 132 μm。跳闸后 3 s 推力瓦调侧 30 度方向瓦块温度上升 3 ℃，其中一个测点温度由 68 ℃升至 71 ℃，持续大约 10 s 后下降。大轴惰走时间约为 2 h 4 min，对比历次停机过程没有异常，盘车系统自动投入，就地检查没有发现异常。停机后现场检查轴向位移和键相探头情况，发现均出现不同程度的磨损。

表 1 和表 2 分别给出了跳闸前后 DEH 系统中记录的相关测点的振动、轴向位移以及 DEH 系统中跳机信号动作顺序。

2 故障诊断和检查结果

由表 1 可知， 13:53:48.426 时 1、2 号轴振动分别为 32.8 和 65.6 μm， 13:53:48.748 时 1、2 号轴振动分别达到 60.0 和 132.7 μm，振动突变速率很快， 320 ms 内 1 号轴振动上涨了近 30 μm， 2 号轴振动上涨了近 70 μm，并且记录的振动数据呈不稳定特征；轴向位移 2 测点信号在 13:53:49.490出现跳变，从– 0.062 5 mm 突变至– 1.263 9 mm，之后，轴向位移 3 测点信号于 13:53:49.756 出现跳变，从– 0.153 9 mm 突变至– 1.743 1 mm。由表 2 可知，在轴向位移跳闸信号发出之前，从 13:52:25.302开始，机组多次发出 2 号轴振超限（限值为 83 μm）报警信号，13:53:49.652 轴向位移跳闸信号发出。从上汽厂 Bently 408 测振仪表现场振动测量的数据看，跳机前的 2 号轴承 X 方向轴振– 幅图谱中 1 倍频分量为 34 μm， 1.25 Hz 的近似直流分量为 61.7 μm（峰峰值）。这种近似直流分量像是在某种外力冲击作用下由转子突然移位产生的。

另外，从现场汽轮发电机组振动在线状态监测和分析系统（turbine diagnosis management，TDM） 中记录到的跳机前后情况来看， 13:41:43.040— 13:55:54.007（时钟未与 DEH 统一）转速信号为2 994~3 007 r/min，此时机组仍并列在电网上，转速不应该出现如此大范围的波动，再查看 DEH 系统，转速在跳机前稳定在 3 000±1 r/min。由于DEH 转速信号来自齿轮盘测速装置（探头径向布置）， 而 TDM的转速信号来自推力盘键相触发（探头轴向布置），说明此时键相传感器沿轴向受到了比较大的干扰，在降速过程中也可以看出，TDM 系统丢失了一段转速信号。停机后的检查结果也表明键相探头出现了轻微磨损现象。

鉴于试验中补汽阀开度在达到 40% 一段时间后机组才出现上述的振动突增、键相探头转速信号受干扰、轴向位移瞬间超限等现象，说明存在一个沿着轴向的突发性不平衡推力作用在转子上，最有可能是推力轴承出现了故障。

7 月 26 日，缸温冷却到 300 ℃ 以内，揭开2 号轴承上瓦盖检查，在回油腔室内发现乌金碎片。推轴实验表明，推力间隙有 3.07 mm。7 月29 日，待缸温降至运行规程要求范围以内，停盘车对推力瓦进行翻瓦检查，发现推力瓦瓦块装倒，调侧推力瓦出现严重磨损，部分钨金脱落， 电侧推力瓦出现轻微刮痕（见图 1）。另外还发现，由于推力瓦块装倒，瓦温探头实际并未接触到设计的瓦温测点位置。

3 故障原因进一步分析

查看上次开机（ 2017 年 2 月）和本次开机（ 2017 年 6 月）机组运行 1 个月的时间里轴向位移的变化趋势图发现， 在 2 月份开机后运行的1 个月时间里，轴位移基本稳定， 而 6 月份开机后运行的 1 个月时间里轴位移呈缓慢降低趋势。

图 1 推力瓦瓦块磨损情况

6 月 26 日和 7 月 8 日，同是 950 MW 负荷，轴位移由 0.203 mm 降至 0.163 mm，变化了 0.04 mm。对比来看， 6 月份开机之后，推力瓦可能就出现了摩擦现象，但由于正常运行过程中没有开启补汽阀，轴向推力并不大（–90.5 kN），此时推力瓦是电侧受力，摩擦程度较轻，从图 1 中也能看出，推力瓦电侧钨金出现了轻微刮痕，并没有严重的磨损现象。

在这种罕见的瓦块倒装安装方式下，润滑油在推力瓦内不能形成稳定的油膜，推力盘与推力瓦之间接触部分没有得到很好的润滑，失去推力瓦的功能，存在轻微干摩擦现象。但机组在未开启补汽阀的正常运行过程中，由于轴向推力不大，轴向位移数值变化不大，运行人员不易察觉。夏季额定负荷工况补汽阀开启后，沿发电机方向的轴向推力增大（ 156.4 kN），转子向发电机方向移动，加剧了推力盘与推力瓦之间的干摩擦（靠调侧的推力瓦块），使得乌金碎裂，以致于轴位移出现突变现象。另外，在轴位移突变前，振动发生较大的突变，其原因应该是在较大轴向推力作用下，瓦块与推力盘之间的干摩擦加剧，干摩擦产生的碰摩力使得瓦块发生来回摆动，摆动又会产生反向的冲击力，直接作用在转子上，导致振动出现阶跃性突变。

注：本文节选自西安热工院张学延，屈杰等的论文“大型汽轮发电机组非典型故障分析”，原文发表于《中国电力》2020年第12期。