0 概述
秦山核電站的汽輪發電機組是第一台國產300MW飽和蒸汽輪機（HN310－54．5型），型式為單軸、三缸、反動式、凝汽式、帶中間汽水分離再熱。其軸系由一個中壓轉子、2個低壓轉子、一個發電機轉子和一個勵磁機轉子組成，每個轉子由兩個軸承支撐。
2001年1月15日4：40，汽輪發電機組大修后首次沖轉至3000 r／min，進行空載狀態下的各項功能性試驗。6：00凝汽器真空降至－0．094 MPa（表壓）時投入第2台主抽，6：15凝汽器真空回升至－0．1 MPa（表壓）。當凝汽器真空上升時汽輪機低壓缸軸承的振動出現明顯的上升趨勢。6：35汽輪機低壓缸4、5、6號軸承的振動持續上升，都出現高報警（＞125μm）。由於運行人員對振動故障產生原因沒有正確的判斷，未能及時處理，造成振動持續上升。6：44 5號軸承的振動升至240μm，汽輪機1、2號低壓缸軸承振動變化趨勢圖見圖1，立即手動脫扣停機。對事件進行分析后，將凝汽器真空維持穩定在－0．095 MPa（表壓）左右，再次沖轉至3000 r／min），沖轉過程中無異常振動出現。14：584號軸振開始出現異常波動（在95～115μm之間），10 min后波動停止，4號軸振穩定在85μm左右。機組在50％負荷下運行時出現4號軸承的振動隨真空的變化而異常變化，但在75％以上負荷時凝汽器維持高真空運行機組各軸承振動都正常。
1 振動故障原因分析
機組大修后冷態啟動沖轉過程和帶負荷運行中，若凝汽器真空保持穩定，機組低壓缸各軸承的振動沒有異常的變化。這可以說明：一是軸系平衡較好；二是軸承座支承動剛度正常。
根據事件過程的參數記錄，可以確定機組振動異常和真空變化有直接關係。在空載和低負荷運行時，1號低壓缸后軸承（4號軸瓦）的振動對真空變化特別敏感。在第2次啟動后的空載運行中出現過軸振波動，持續時間約10 min左右，振幅上下波動約20μm，表現出典型的轉軸碰磨的特徵。在50％額定負荷運行中凝汽器真空從－0．094 MPa（表壓）上升至－0．1 MPa（表壓）時，4號軸承的軸振由85μm升至105μm，真空上下變化時，4號軸振也跟隨上下變化。當負荷升到75％額定負荷以上時上述現象消失。
汽輪發電機組冷態啟動過程中，汽輪機的各軸承座的熱態標高相對冷態時標高會發生較大的變化，特別是機組抽真空過程對各軸承標高變化影響最大。由於低壓缸軸承座與低壓外缸座架為一體結構，兩者一起支承於基礎台板上。當低壓缸軸承座的位置標高改變時直接影響到低壓轉子的中心和低壓缸各軸承的負載分配，同時使低壓缸動靜部分間隙發生了變化。汽輪機的低壓缸採用了雙層內缸加外缸的三層缸結構，汽缸和轉子的膨脹關係比較複雜，運行參數的變化勢必會引起汽缸膨脹或收縮。若汽缸和轉子受到不均勻加熱或冷卻，將會引起動靜部分的間隙減少。
由於發電機空載試驗的需要，汽輪機在空轉工況下長時間運行（約2 h），汽輪機轉子葉片磨擦鼓風所消耗的功變為熱量被蒸汽吸收，會使蒸汽溫度上升，出現過熱現象。轉子高速旋轉時汽流對其沖刷速度大，相互之間的傳熱也大，這樣促使轉子溫度上升。當凝汽器真空從－0．094 MPa（表壓）上升至－0．1 MPa（表壓）時，低壓排汽缸溫度從46℃下降到23℃，低壓缸進口金屬溫度降低了2℃。此時，汽缸被冷卻，使通流部分的動靜間隙減小。
由於汽輪發電機組解體大修中，重新按出廠標準調整了汽缸汽封間隙，低壓缸更換了新軸承，並重新調整了軸系中心。汽輪機低壓缸動靜部分徑向間隙最小的部位是汽封（如低壓端軸封間隙為0．46～0．56 mm，低壓缸各級靜葉汽封徑向間隙為0．02～2．54 mm）。若軸封徑向間隙消失，會出現轉軸與軸封齒碰磨。在機組起動過程中，汽缸與轉子的相對脹差變化在正常值範圍內，即表示汽輪機動靜部分軸向間隙的變化情況正常，沒有發生汽輪機動靜部分的軸向碰磨，只可能發生徑向的摩擦。
從振動故障診斷系統監測到的數據中可以看出，本次振動故障的表現為基頻振幅、相位隨運行時間和運行工況的變化而變化的特徵。利用汽輪發電機組振動分類方法，可確定這次振動是不穩定普通強迫振動，是由激振力變化引起。在運行中突然產生不平衡的原因有動靜摩擦、發電機負序電流太大、轉動部件飛脫、轉軸與水接觸等。因此，根據本次故障及運行的參數，可以排除其它原因引起的振動，從而確定振動是低壓缸發生徑向動靜摩擦，造成轉軸局部彈性熱彎曲而引起的。
2 轉軸碰磨引起振動故障的機理
轉軸碰磨引起振動的主要分量是基頻，且屬於普通強迫振動。轉軸徑向碰磨之所以會引起振動是由於碰磨使轉軸表面徑向受熱不均，引起熱彎曲產生不平衡振動，振動頻譜特徵以基頻為主，並含有2X、3X等高階分量。
轉軸因徑向碰磨產生熱彎曲而引起的振動，根據碰磨嚴重程度的不同，振幅變化特徵的差別，可分為早期、中期和晚期碰磨3個階段。在早期階段由於碰磨較輕，熱彎曲量較小，另外接觸部分的金屬很快被磨損，這時動靜部件磨損量大於轉軸碰磨點熱彎曲增長量，從而形成間斷碰磨，造成振動時大時小地隨機波動，或維持在某一水平上。碰磨處於中期時，動靜部件磨損量始終小於轉子熱彎曲的振動的增長量，碰磨會不斷加重，使熱彎曲和振動進一步加大，形成惡性循環。轉軸碰磨進入中期時軸振增長率高達150～200μm／min，若不及時打閘停機控制振動，很快轉軸碰磨會進入晚期，而晚期振動增長率將幾倍於中期，會出現轉軸彎曲處擠壓應力大於材料屈服極限，將造成彎軸事故。
從有關資料得知，由於高低壓轉子在結構和支承剛度等方面有很大不同，在啟動過程中汽輪機高壓轉子易發生轉軸碰磨，而在工作轉速下低壓轉子易發生轉軸碰磨。與多起空負荷或帶負荷下因低壓轉子轉軸碰磨造成軸振突然升高的典型事例來比較分析，這次在工作轉速下汽輪機低壓缸4、5號軸承的振動急劇升高，是由於低壓轉子發生了碰磨引起，且碰磨進入了中期。若在工作轉速下發生碰磨不是很嚴重，沒有進入晚期階段，而且轉軸熱彎曲只局限在一個不長的軸段上，轉軸上徑向不對稱溫差不大，及時採取措施停止碰磨，在短時間內轉子熱彎曲即可消失，轉子可變直。所以在停機惰走過程中，通過臨界轉速時振動並不大，在盤車狀態下轉子彎曲值也正常。
3 小結
（1）在機組啟停過程中，往往只注意汽輪機沖轉過臨界時的共振，缺乏對工作轉速下發生振動問題的了解，不清楚振動故障發生的原因和機理，不能及時分析出引起振動的原因，做出正確的判斷處理。
（2）大修后機組的首次啟動中發生動靜碰磨的可能性較大，在沖轉和空載運行時應保持運行參數的穩定，避免運行參數對機組狀態的影響。應注意況，盡量維持參數的穩定，防止動靜碰磨現象的發生。機組經過多次啟停的考驗后，可以消除因軸封間隙過小、汽缸跑偏過大引起的動靜碰磨現象。
（4）在運行中發現機組振動有增大趨勢時，要嚴密監視振動情況，並進行減負荷運行。如振動上升速度較快時，要嚴格按運行規程進行操作，必要時進行緊急停機，以防造成設備損壞和人員傷害事故。
（5）汽輪發電機振動故障原因診斷的難點是如何準確推斷出故障點和故障產生的機理。應認真查找原因，在原因查明並作出防範措施后，才允許重新開機，避免再次造成設備事故。
參考文獻：
［1］ 施維新．汽輪發電機組振動及事故［M］．北京：中國電力出版社，1999．
［2］ 顧晃．汽輪發電機的振動與平衡［M］．北京：中國電力出版社，1998．
