密封瓦是汽轮发电机的关键部件，为了防止氢气泄漏，它的间隙非常小，通常只有轴颈直径的1‰[1]。发电机运行时，如果密封瓦安装不规范，或者参数调整不当，容易造成密封瓦卡涩、磨损等情况，继而引起机组发生不稳定振动。以下结合笔者实践经验，探讨了密封瓦引发不稳定振动的原因和处理方法。
1．密封瓦的工作原理和力学分析模型
1.1 工作原理
汽轮发电机在运行时，使用氢气作为冷却剂，密封瓦安装在发电机轴端，目的是防止氢气泄露。根据密封瓦的构造不同，可分为环式（单流环式、双流环式）、盘式等多种类型。其中，环式密封瓦的密封间隙较大，对油质的要求不高；即使短时间内断油，也可以正常运行；尤其安装和检修时简单、方便。总结起来，密封瓦的工作原理是：将压力油注入密封瓦和轴颈间隙内，轴颈高速旋转后形成油膜，可避免氢气泄露，从而达到密封效果[2]。
1.2 力学分析模型
以单流环式密封瓦为例，结构见图1。密封油首先进入密封瓦和轴颈间隙，然后分散流向两侧，而密封瓦浮在轴颈上。
图1：单流环式密封瓦的结构示意图
继续看密封瓦的受力情况和油膜润滑情况，如下图2。其中O是轴承的中心，O0是轴颈的中心，e是轴颈的偏心量，φ是偏位角，θ是截面轴向角度，hmax、hmin分别是油膜的最大和最小厚度。受到氢气侧压力，密封瓦压倒空侧瓦座，就会形成轴向压力；密封瓦浮动情况下，会产生径向摩擦力。在油膜作用下，密封瓦的重力和这个摩擦力，就能处于平衡状态[3]。
图2：密封瓦受力和油膜润滑模型
轴颈转动时，密封环浮在轴颈上，此时密封瓦和轴颈的相对位置是稳定的，采用雷诺方程，密封环内的流体压力计算公式是：
（式1）
式中p代表油膜压力，r代表轴颈的半径，μ代表油粘度，z代表轴向尺度，ω代表旋转角速度，h代表油膜的厚度，c代表密封瓦间隙，ε代表偏心率。
2．密封瓦工作时引起的热效应
2.1 涡动
密封瓦工作时，一旦受力不平衡，轴颈就会出现涡动，涡动的位移量表示为：
（式2）
式中Zw代表涡动位移，x代表水平方向位移，y代表垂直方向位移，c代表余弦项，s代表正弦项。
进一步地，可将涡动位移划分为同步正向和反向涡动，是这两种涡动的组合结果。同步正向涡动时，轴颈表面点位不变，油膜厚度最小的部位、轴颈温度最高，油膜厚度最大的部位、轴颈温度最低[4]。此时轴颈截面上就出现了温差，而且随着涡动位移量增大，温差也会变大。同步反向涡动时，则不会出现温差。依据热弹性力学理论，轴颈截面温差造成的弯矩是：
（式3）
式中，Mx代表x方向上的弯矩，My代表y方向上的弯矩，γ代表转子的线热膨胀系数，E代表弹性模量，A代表轴颈截面积。
2.2 轴系弯曲变形
受到弯矩作用，轴系发生弯曲变形，这个变形量表示为：
（式4）
式中，v代表x方向上的变形量，w代表y方向上的变形量，Ix和Iy是截面对x轴和y轴的惯性矩。
当轴系发生弯曲变形，又会产生新的不平衡力，表示为：
（式5）
式中，Ft,x代表x方向上弯曲产生的不平衡力，Ft,y代表y方向上弯曲产生的不平衡力，m代表弯曲截面处的节点质量。
2.3 影响因素
第一，氢气侧压力对密封瓦浮动性的影响。氢气侧压力增大，密封瓦的端部压力增加，相应的摩擦力增加，为了平衡摩擦力，就要增大偏心率，甚至处于大偏心状态。随着氢气侧压力不断增大，密封瓦就可能出现卡涩。
第二，密封瓦卡涩对热效应的影响。一方面，偏心率增大后，油膜温度升高，轴颈截面温差变大。密封瓦间隙变大后，端部摩擦力减小，润滑油的流量也变大，此时油膜温度降低[5]。另一方面，偏心率增大后，轴颈截面温差变大，会造成转子热弯曲变形量变大，这个数据变化直接影响转子的振动情况。
3．汽轮发电机密封瓦引发的不稳定振动及处理方法
3.1 不稳定振动现象
选取汽轮发电机的力学分析模型，密封瓦主要性能参数如下：氢气侧压力为0.300 MPa，油压差为0.050 MPa，密封环质量为16.5 kg，轴颈直径为800 mm，密封瓦外径为866 mm，密封瓦氢侧间隙0.11±0.02 mm，密封瓦空侧间隙0.06±0.02 mm，正常工况下转速为1500 r/min。发电机运行时，当转速达到1500 r/min、负荷运行20 h，前、后两个轴承均出现周期性的振动，振动幅度分别是8-10 μm、50-60 μm，振动时相位变化分别是10-25°、0-90°。针对不稳定振动现象，开展变密封油温试验，发现密封油温从38℃升高至50℃，轴承的振动幅度变小。结合上文研究结果，密封油温变化会影响密封瓦的工况，因此初步怀疑是密封瓦卡涩引起的。
3.2 原因分析
密封瓦卡涩，是一种常见的故障，此时瓦块不能浮动，轴颈的偏心率变大，油膜流动时产生摩擦热，促使轴颈截面的温度分布不均匀，最终造成热变形。在1阶模态下，转子的临界转速值是620 r/min；在2阶模态下，转子的临界转速值是1430 r/min，已经接近实际工作转速。密封瓦外侧是悬臂端，出现不平衡时灵敏度高，即使是微小的弯曲变形，也会造成严重的振动现象。对发电机进行过动平衡试验，部分试验结果如下：原始轴振振幅是85 μm，动平衡加重量是300 g，动平衡加重后轴振振幅是45 μm，加重影响系数是0.139 μm/g。根据加重影响系数的相位角，计算得到轴承振动响应和不平衡力的滞后角是135°。
3.3 处理方法
对于以上问题，分析原因主要是密封瓦所致，采取的处理方法是：①对发电机和悬臂端进行精细化调整，提高动平衡程度，减小轴颈的晃动情况，避免出现同步涡动；②在氢气泄漏允许值范围内，适当增大密封瓦的间隙；③发电机运行过程中，检测氢气侧压力大小，确保不会超标。
4．实例分析
4.1 机组概况
某核电站内，使用超临界汽轮发电机组，轴系包括8个支撑轴瓦。
4.2 振动问题
2号机204大修后，于2020年6月11日冲转起机，机组满功率状态汽轮发电机组轴系振动稳定，无周期性波动，发电机6#轴瓦振动幅度相对其他轴瓦偏高，水平振动值2GME207MV为64 μm，垂直振动值2GME206MV为51 μm。2020年12月31日5:00左右，汽轮发电机组5-8瓦开始出现周期性波动，波动周期为5小时左右。其中6#轴瓦的水平方向轴振波动幅度相对最大，且幅值最高，最大/最小值为72.6 μm、49.8 μm，最大波动幅度约23 μm。
4.3 原因分析
针对6#轴瓦振动现象进行原因分析：①振动波动位置分析，发现6瓦波动幅度最大，各瓦的振动波动周期一致。虽然6瓦振动波动最大，但其振动值不是最大，振动最高位置位于8瓦。②振动波动与功率关系分析，发现满功率波动多，840MW基本不波动。③波动幅度和频率分析，发现为1倍频。④调研同行电厂，发现方家山、红沿河、宁德核电都有机组出现振动波动。综合分析结果，认为振动原因包括：①多因素影响；②密封瓦处动静碰磨；③轴径处出现莫顿效应；④轴系与其弹簧基础平台之间存在振动耦合。
4.4 处理措施
结合本发电机的运行特征以及振动原因，为解决6#轴瓦不稳定振动问题，采取的措施如下：①铣F面、检查接触，车削密封瓦块A、B面，抛光瓦室B、C、G、F面，密封瓦室中分面对研磨。②将4块密封瓦块平放在专用加工的胎具上，B面朝上，检查瓦块E面与胎具无间隙，然后进行瓦块车床找正，架表监视两瓦块间的径向对缝错口要求≤0.02 mm。③车完的A、B面进行抛光，加工结果见表1。④汽端密封瓦室：以D面圆周找正，对B、C、G面整圈打表测量原始状态平面度，加工后B、C平面度为0.01 mm。⑤G面车削时发现两处深度分别为0.35 mm、0.25 mm的凹点缺陷，对缺陷进行补焊、再车削，加工后平面度为0.02 mm。⑥B、C、F面车削、抛光，平面度≤0.02 mm。⑦汽励端密封瓦室中分面对研，回装时涂抹密封胶对间隙进行补偿。经过以上处理，发电机整体气密试验显示最终压降为6 mbar/24H，数据结果优秀，启机后验证效果良好，振动问题消除。
表1：A、B面加工结果 （单位：mm）
5．结语
综上所述，汽轮发电机空侧和氢气侧有压力差，易造成密封瓦卡涩，轴颈截面出现温差，继而影响密封瓦间隙、油粘度、偏心率等指标，是引起发电机不稳定振动的主要原因。为了解决这一问题，可以减小转子和轴颈的同步涡动幅度，适当增大密封瓦间隙，监测氢气侧压力防止超标，调整密封油的温度等。本研究结合实际案例，针对密封瓦不稳当振动问题进行处理，结果表明振动消除，发电机安全稳定运行。
参考文献：
[1]陈就兴.9E燃气轮机轴瓦不稳定振动问题监测分析及试验研究[D].华南理工大学,2020.
[2]张文涛,夏亚磊,李勇,等.汽轮发电机密封瓦引发的不稳定振动分析[J].动力工程学报,2020,40(7):549-555.
[3]牟法海,昃刚,吕冬梅,等.发电机不稳定振动故障的诊断与处理[J].电机技术,2019(5):43-47.
[4]牟法海,吕冬梅,曹伟,等.600MW汽轮发电机不稳定振动故障诊断与处理[J].大电机技术,2019(3):38-42.
[5]王凤良.基于工程实践的汽轮发电机组不稳定振动的研究[J].汽轮机技术,2016,58(5):383-386.
[6]何文强,田永伟,杨建刚.滑动轴承轴颈温度分布及其对振动的影响[J].动力工程学报,2015,35(6):451-456.