前言

汽輪機(jī)的振動(dòng)大小，是評(píng)價(jià)汽輪機(jī)組運(yùn)行可靠性的重要指標(biāo)。對(duì)于高速轉(zhuǎn)動(dòng)的汽輪機(jī)來說，微小的振動(dòng)是不可避免的，振動(dòng)幅度不超過規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)屬于正常振動(dòng)。對(duì)汽輪機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)沒有影響，但是當(dāng)振動(dòng)超過規(guī)定限值時(shí)，對(duì)整個(gè)汽輪機(jī)組的運(yùn)行是有害的，表明機(jī)組內(nèi)部存在缺陷。本文所分析的就是這種振動(dòng)過大的異常振動(dòng)產(chǎn)生的原因和減小振動(dòng)的方法。

一、汽輪機(jī)振動(dòng)過大的危害

汽輪機(jī)組振動(dòng)過大，會(huì)使機(jī)組內(nèi)部部件的連接松動(dòng)，基礎(chǔ)臺(tái)板和基礎(chǔ)之間的剛性連接削弱，或使機(jī)組的動(dòng)靜部分發(fā)生摩擦，造成轉(zhuǎn)子變形、彎曲、斷裂，甚至是葉片損壞。當(dāng)機(jī)頭發(fā)生振動(dòng)時(shí)，可能直接導(dǎo)致危機(jī)保安器動(dòng)作，造成停機(jī)事故。當(dāng)汽輪機(jī)動(dòng)靜葉片由于過大的振動(dòng)而發(fā)生相對(duì)偏移時(shí)，會(huì)造成高低壓端部軸封發(fā)生不正常磨損。低壓缸端軸封的磨損破壞軸封的密封作用，使空氣被吸入負(fù)壓狀態(tài)下的低壓缸，破壞凝汽器的真空，直接影響汽輪機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。高壓缸端軸封的破壞會(huì)使高壓缸的蒸汽大量向外泄露，降低高壓缸做功能力，甚至?xí)疝D(zhuǎn)子發(fā)生局部熱彎曲。泄露的高壓蒸汽如果進(jìn)入軸封系統(tǒng)的油檔中，使?jié)櫥蛢?nèi)混入水分，造成油膜失穩(wěn)，也可能產(chǎn)生油膜振蕩，造成軸瓦烏金熔化。當(dāng)過大的振動(dòng)造成軸彎曲時(shí)，可能使發(fā)電機(jī)滑環(huán)和電刷的磨損加劇、靜子槽楔松動(dòng)、絕緣被破壞，造成發(fā)電機(jī)或勵(lì)磁機(jī)事故。當(dāng)過大的振動(dòng)造成某些緊固螺絲松脫、斷裂時(shí)，甚至?xí)斐烧麄€(gè)汽輪機(jī)組的報(bào)廢。所以，消除異常振動(dòng)，是確保安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。

二、汽輪機(jī)異常振動(dòng)的原因分析與解決方法

汽輪機(jī)組負(fù)擔(dān)著將熱能轉(zhuǎn)化為電能的任務(wù)，由于其長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行、關(guān)鍵部位長(zhǎng)期磨損等特點(diǎn)，各種故障時(shí)常發(fā)生，其中，振動(dòng)異常是汽輪機(jī)組常見故障中最頻繁的一種，嚴(yán)重影響了電廠的正常發(fā)電。由于振動(dòng)產(chǎn)生的原因非常復(fù)雜，汽輪機(jī)組的任何一個(gè)設(shè)備或者介質(zhì)的異常，都可能造成機(jī)組振動(dòng)，比如進(jìn)汽參數(shù)、疏水、油溫、油質(zhì)等。因此，想要解決汽輪機(jī)的異常振動(dòng)，針對(duì)導(dǎo)致異常振動(dòng)的原因分析尤為重要，只有查明原因，對(duì)癥維修，才能最根本的解決問題。

造成汽輪機(jī)組振動(dòng)異常的主要原因有以下幾種：轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡、轉(zhuǎn)子彎曲、中心不正、油膜自激振蕩、汽流激振等。

2.1  轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡引起的振動(dòng)

轉(zhuǎn)子上的裝配部件在機(jī)械加工時(shí)，內(nèi)孔與轉(zhuǎn)子中心不同心，或部件質(zhì)量對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)中心不對(duì)稱；轉(zhuǎn)子上的葉片、拉金斷落或不對(duì)稱磨損；轉(zhuǎn)子鍛件在加工及處理過程中有過大的殘余變形，引起轉(zhuǎn)子永久性撓曲；在檢修時(shí)，在轉(zhuǎn)子上進(jìn)行拆裝葉輪和葉片、更換聯(lián)軸器零件、更換發(fā)電機(jī)線圈、車削轉(zhuǎn)子軸頸或直軸等工作，都有可能造成轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡。

轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡是汽輪機(jī)振動(dòng)異常的最主要原因，70%以上的異常振動(dòng)是轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡引起的，其特點(diǎn)是，振幅與不平衡質(zhì)量成正比，振動(dòng)頻率等于轉(zhuǎn)子的振動(dòng)頻率，波形為正弦波，振幅及相位始終保持常數(shù)，而與負(fù)荷無關(guān)。

這類振動(dòng)只需要找好平衡即可解決。由于其發(fā)生概率高，解決方便，在汽輪機(jī)組發(fā)生振動(dòng)時(shí)，應(yīng)成為首要分析對(duì)象。

2.2  轉(zhuǎn)子彎曲

轉(zhuǎn)子彎曲引起的振動(dòng)，由于彎曲的原因不同，各自振動(dòng)的變現(xiàn)特點(diǎn)也不同。當(dāng)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生永久彎曲而引起振動(dòng)時(shí)，其特點(diǎn)與質(zhì)量不平衡時(shí)的振動(dòng)情況相同，在通過臨界轉(zhuǎn)速時(shí)振動(dòng)幅值特別明顯地增大；在汽輪機(jī)啟動(dòng)、停機(jī)過程中，由于加熱或冷卻不均勻而引起的彈性熱彎曲也會(huì)引起振動(dòng)。可以通過停機(jī)重啟或降低轉(zhuǎn)速，延長(zhǎng)暖機(jī)時(shí)間等方法，待轉(zhuǎn)子溫度均勻后，熱彎曲消除，即可消除振動(dòng)。但是，當(dāng)彎曲造成汽輪機(jī)動(dòng)靜部分摩擦?xí)r，如果摩擦力很大，將進(jìn)一步破壞轉(zhuǎn)子的平衡，使摩擦增大，形成惡性循環(huán)，振動(dòng)波形紊亂，應(yīng)迅速停機(jī)，否則由于局部過熱可能造成轉(zhuǎn)子永久彎曲；用有缺陷的材料來鍛造轉(zhuǎn)子，具有熱不穩(wěn)定性。這種轉(zhuǎn)子隨著被加熱而出現(xiàn)彈性熱撓性變形。由于熱不穩(wěn)定性而引起汽輪機(jī)振動(dòng)，其幅值與負(fù)荷成正比，振幅變化在時(shí)間上與負(fù)荷變化滯后1-3小時(shí)。滯后時(shí)間取決于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、質(zhì)量和蒸汽參數(shù)；轉(zhuǎn)子裝配時(shí)，可能由于葉輪與軸的配合不良、鍵在鍵槽中歪斜等原因產(chǎn)生撓性變形，引起汽輪機(jī)振動(dòng)。這種振動(dòng)常常因?yàn)槎啻螁⑼?，造成配合削弱，振幅與相位隨之變化。

如果轉(zhuǎn)子由于溫度不均勻或裝配問題造成彎曲，可通過停機(jī)重啟、降低轉(zhuǎn)速、延長(zhǎng)暖機(jī)時(shí)間、重新裝配等方法恢復(fù)的，轉(zhuǎn)子可繼續(xù)使用。如果轉(zhuǎn)子由于各種原因已經(jīng)產(chǎn)生了永久性彎曲，只有更換轉(zhuǎn)子才能消除振動(dòng)。所以，在轉(zhuǎn)子制造時(shí)的材料監(jiān)督、裝配時(shí)的安裝精度以及啟停機(jī)時(shí)的轉(zhuǎn)速控制都應(yīng)尤為重視，避免造成轉(zhuǎn)子永久性彎曲，影響正常生產(chǎn)。

2.3  中心不正

一種是轉(zhuǎn)子軸線中心不在一條直線上。產(chǎn)生這種問題的原因除找中心的質(zhì)量不好之外，還可能是汽缸熱膨脹受阻、蒸汽管道熱膨脹補(bǔ)償不足。對(duì)于核電廠汽輪機(jī)的撓性轉(zhuǎn)軸，兩軸線不同心會(huì)使聯(lián)軸器的磨損加速，表面摩擦系數(shù)增大，導(dǎo)致?lián)闲月?lián)軸器無法起到補(bǔ)償調(diào)節(jié)的作用。另一種是汽輪機(jī)與發(fā)電機(jī)兩個(gè)轉(zhuǎn)子之間聯(lián)軸器中心偏差過大或聯(lián)軸器有缺陷。對(duì)于用撓性聯(lián)軸器連接的轉(zhuǎn)子，當(dāng)聯(lián)軸器有缺陷不能對(duì)中心自動(dòng)調(diào)整時(shí)，可能發(fā)生振動(dòng)。當(dāng)聯(lián)軸器耦合原件之間正常嚙合被破壞，從而導(dǎo)致傳遞扭矩在聯(lián)軸器周上分布不均勻時(shí)，也會(huì)發(fā)生振動(dòng)。中心不正的振動(dòng)特點(diǎn)是波形呈正弦波，振動(dòng)的頻率等于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，與機(jī)組的工況無關(guān)。由于轉(zhuǎn)子柔度與軸承油膜的彈性影響，只有靠近有缺陷聯(lián)軸器的軸承才會(huì)出現(xiàn)明顯的振動(dòng)。相鄰的兩個(gè)軸的振動(dòng)相位相反。

針對(duì)中心不正引起的振動(dòng)解決方法主要靠檢修和安裝調(diào)試時(shí)的細(xì)心工作，從而保證汽輪機(jī)組的正常工作。

2.4  油膜自激振蕩

油膜自激振蕩是汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在軸承油膜上高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，喪失動(dòng)力穩(wěn)定性的結(jié)果。其特點(diǎn)是振蕩主頻約等于發(fā)電機(jī)的一階臨界轉(zhuǎn)速，且不隨轉(zhuǎn)速變化而變化。

當(dāng)汽輪機(jī)組發(fā)生油膜振蕩時(shí)，應(yīng)增加軸瓦比壓，方法是縮短軸瓦長(zhǎng)度，即減小長(zhǎng)徑比，或調(diào)整聯(lián)軸器中心，保證熱態(tài)時(shí)各軸瓦負(fù)荷分配均勻。

2.5  汽流激振

汽流激振有兩個(gè)主要特征：一，出現(xiàn)較大值的低頻分量；二，振動(dòng)受運(yùn)行參數(shù)影響明顯，且增大呈突發(fā)性。其主要原因是由于葉片受到不均衡的汽流沖擊。對(duì)于大型機(jī)組，由于末級(jí)較長(zhǎng)，汽體在葉片末端膨脹所產(chǎn)生的紊流也可能造成汽流激振。同時(shí)，軸封也可能發(fā)生氣流激振現(xiàn)象。

針對(duì)汽輪機(jī)組氣流激振的特點(diǎn)，其故障分析要通過長(zhǎng)時(shí)間的記錄機(jī)組的振動(dòng)數(shù)據(jù)，做成成組的曲線，觀察曲線的變化趨勢(shì)和范圍。通過改變升降負(fù)荷速率，觀察曲線的變化情況，最終有目的的改變汽輪機(jī)不同負(fù)荷時(shí)的高壓調(diào)速汽門的重疊特性，消除汽流激振。也就是，確定機(jī)組產(chǎn)生汽流激振的工作狀態(tài)，采用降低負(fù)荷變化率和避開氣流激振的負(fù)荷范圍的方式來避免汽流激振的產(chǎn)生。

2.6  軸承的軸向振動(dòng)

在測(cè)量汽輪機(jī)組振動(dòng)過程中，也會(huì)發(fā)現(xiàn)軸承軸向振動(dòng)過大的現(xiàn)象。其振動(dòng)特點(diǎn)是頻率與轉(zhuǎn)速相同，軸向振動(dòng)的幅值與轉(zhuǎn)子的撓曲程度成正比，而各軸承的振動(dòng)相位取決于轉(zhuǎn)子撓曲彈性線的形狀：在一階臨界轉(zhuǎn)速附近，兩個(gè)軸承的軸向振動(dòng)相位相反；在二階臨界轉(zhuǎn)速附近，兩個(gè)軸承的軸向振動(dòng)相位則相同。由于情況比較特殊，將軸向振動(dòng)歸為一種振動(dòng)現(xiàn)象。其主要原因有三種：一、彎曲的轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)時(shí)，軸頸產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，軸頸在軸瓦內(nèi)的油膜承力中心沿軸向隨轉(zhuǎn)速發(fā)生周期性變化，從而引起軸承座軸向振動(dòng)；二、軸瓦受力中心與軸承座幾何中心不重合；三、軸承座不穩(wěn)固。撓性轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)時(shí)，將會(huì)使軸瓦及軸承座做相應(yīng)的偏轉(zhuǎn)，但軸承無法追隨軸頸的偏轉(zhuǎn)只能形成軸向振動(dòng)。

針對(duì)前兩種振動(dòng)原因的解決方法，前文中都有提到，在此不做復(fù)述。對(duì)于軸承座不穩(wěn)固而引起的振動(dòng)，做到及時(shí)發(fā)現(xiàn)，及時(shí)加固即可解決。

三、振動(dòng)的在線監(jiān)測(cè)

目前大型機(jī)組都裝有軸系監(jiān)測(cè)裝置，對(duì)振動(dòng)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，為振動(dòng)監(jiān)測(cè)及分析創(chuàng)造了良好的條件。對(duì)于振動(dòng)的在線監(jiān)測(cè)，要做好記錄工作，以便在發(fā)生異常振動(dòng)時(shí)進(jìn)行對(duì)比分析，找出振動(dòng)的原因。如果在運(yùn)行時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)組振動(dòng)異常，應(yīng)馬上派人進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，如果振動(dòng)確實(shí)超過了規(guī)定限值，應(yīng)做到及時(shí)停機(jī)，防止對(duì)機(jī)組造成破壞；對(duì)于未超過限值的振動(dòng)異常增大，要及時(shí)查找原因，并采取措施，防止振動(dòng)繼續(xù)增大。如果在線監(jiān)測(cè)儀表未出現(xiàn)異常變化，但現(xiàn)場(chǎng)人員聽到汽輪機(jī)組有異常聲響時(shí)，也應(yīng)進(jìn)行停機(jī)檢查，防止葉片脫落或有異物進(jìn)去汽輪機(jī)，對(duì)汽輪機(jī)組造成破壞。

四、總結(jié)

振動(dòng)產(chǎn)生的原因是十分復(fù)雜的，而且每個(gè)汽輪機(jī)組的情況也都不同，因此需要針對(duì)每一個(gè)機(jī)組，進(jìn)行一系列的試驗(yàn)，找出振動(dòng)的規(guī)律，做好記錄工作，結(jié)合運(yùn)行與檢修時(shí)的資料，進(jìn)行綜合分析，才能找到振動(dòng)的原因，加以消除。在生產(chǎn)運(yùn)行中，還必須做好振動(dòng)監(jiān)測(cè)工作。避免異常振動(dòng)的發(fā)生，確保整個(gè)電廠的正常運(yùn)行。

END

來源于：中鋁山東熱電技術(shù)中心