汽轮机振动故障分析

汽轮机振动故障分析

刘世堂

（中国铝业中州分公司 热电厂 河南 焦作 454174）

摘 要： 振动异常是汽轮机组运行中主要故障之一，面对汽轮机振动故障，必须尽快查明产生振动的原因，因此掌握机组的振动状态，是进行故障诊断和降低振动的前提。分析汽轮机各种振动故障产生的原因和其特征机理。

关键词： 汽轮机；振动；原因

中图分类号：TK26 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）0910158－02

汽轮发电机组是电站的重要设备之一，其稳定运行影响着电厂的安全经济运行。而汽轮机的振动一直是其主要故障，振动过大对机组的危害性极大，同时振动水平的高低也是检查机组制造、安装和运行等工作总体质量的重要指标。汽轮机一旦发生振动故障，不仅原因很难判断，处理起来时间也很长。下面就振动的原因给以分析阐述。

1 转子故障引起的振动

1.1 转子质量不平衡

在现场发生的机组振动过大，按其原因分，属于转子质量不平衡的占了绝大部分，转子质量不平衡可分为转子残余不平衡和转子部分缺损两种情况。转子质量不平衡所引起振动有下列特点：整个汽轮机转子的轴承均发生较大的振动；在转子通过临界转速时振幅有特别显著的增大；在高速下随转轴转速上升振动很快增大；振动频率与转速相等且为正弦波；在机组没有带负荷时振动就达到最大值。

1.2 转子中心不正

机组各转子中心不正对轴承振动的影响很大，它是产生转子扰动力的原因之一，而影响转子中心不正的原因很多，其中有由于转子中心测量调整不精确造成的，有由于联轴器缺陷造成的。

1.2.1 转子与汽缸或静子的同心度

检查转子与汽缸或静子同心度，是机组安装、检修中较熟悉的工作，如其偏差过大，则可能引起汽流激振、电磁激振、动静碰摩。若碰摩发生在转轴处，会使转子发生热弯曲而引起不稳定普通强迫振动。

1.2.2 轴承坐标高和左右位置偏移

如果忽略联轴器缺陷，当其圆周、端面开口存在显著偏差时，拧紧联轴器螺栓，虽然连接的轴系仍然同心和平直，在旋转状态下并不直接产生振动的激振力，但它会改变轴瓦的载荷分配，改变动静间隙和转子振型曲线以及轴承承受预载荷。

1.2.3 联轴器缺陷

当联轴器法兰外圆与轴颈不同心，联轴器法兰止口或螺栓孔节圆不同心，端面瓢偏、连接螺丝紧力明显不对称时，不论圆周和端面如何正确，都会使连接轴系不同心和不平直，还会使转子产生预载荷。

1.3 转子热弯曲

转子热弯曲包括发电机转子热弯曲和汽轮机转子热弯曲两部分。发电机在热态时振动较大，其原因是由于转子在径向受到不均匀的加热或冷却，使转子热弯曲。汽轮机转子产生热弯曲的原因有些与发电机转子相同，有些则不同，其产生原因有以下几方面：

1）转轴材质不均匀；

2）汽轮机叶轮的轮毂之间或大轴上其它套装零件与轴凸台之间轴向间隙不足或不均匀；

3）转轴存在径向不对称温差。其振动特征如下：

1）在冷态启动时和通过一阶临界转速时，振动变化不明显，运行一段时间或延长暖机时间，振动增大；

2）负荷增加时，振动明显增大；3）振幅、相位变化缓慢。

1.4 转子产生裂纹

转子轴系是大功率动力机械的重要部件，其工作环境极其恶劣，在高温、高压下的蒸汽环境中，并高速运行，不但要受到机械载荷的作用，还要承受交变热负荷。转子在铸造和机械加工过程中形成的缺陷在交变的机械应力下和热应力下，会形成疲劳裂纹。这些疲劳裂纹不及早发现，就会在交变载荷的作用下扩展到引起灾难性的断裂事故。

2 转轴碰摩引起振动

转轴径向碰摩是机组启动和正常运行中振动突然增大的主要故障之一，据国内汽轮机转轴事故统计表明，其中的86%是由转轴碰摩引起的，转轴碰摩严重时还会引起轴系破坏事故，因此正确地诊断机组启停和运行中转轴碰摩具有非常重大的意义。

转轴碰摩具体又可分为机组启停中碰摩和工作转速下的碰摩，下面将分别给予分析。

2.1 机组启停中的转轴碰摩

在机组启停的过程中，随转轴碰摩严重程度不同，振幅变化有显著的差别，根据这些变化特征可把转轴碰摩分为早期碰摩、中期碰摩、晚期碰摩三个阶段。在这三个阶段，碰摩形成振动的特征和机理都是不同的。

2.1.1 早期

在转轴碰摩的早期阶段，由于碰摩较轻，热弯曲量较小；另一方面接触部分的金属很快磨损，自动脱离接触，碰摩消失，碰摩使转轴热弯曲只发生在一个不长的轴段上，所以碰摩一旦停止，转轴径向不对称温差即消失，振动复原；转速升高，转轴振动增大，转轴又发生碰摩，形成间断性碰摩，振幅时大时小地波动。

2.2.2 中期和晚期

转轴碰摩处在中期时，动静部件磨损量始终小于转子热弯曲和振动地增长量，所以振动不再波动；如碰摩不断加重，这样就会形成恶性循环。这种碰摩如果发生在转子一阶临界转速以下，及时发现打闸停机，振动还可控制；如果发生在一阶临界转速以上，即使停机，在降低通过转子一阶临界转速时，共振，还会使转轴摩擦急剧加重，碰摩很快进入晚期，这时即使转速将至一阶临界转速下，振动还会增大，事实上振动已经失控，弯轴事故不可避免。

2.2 工作转速下的转轴碰摩

目前国内已有多台机组在空负荷或带负荷下多次发生突发性振动或振幅长时间大幅度波动，经分析研究，这些振动是由工作转速下的转轴径向碰摩引起的。工作转速下转轴碰摩振动特征如下：

1）振动的基频分量波动和突变

转轴碰摩振动频谱特征是转子热弯曲振动，即以基频为主，并含有明显的2X 、3X 等高阶分量。

2）振幅波动和不稳定

振幅随时间波动，且随机组运行时间增长而增大或减小；启动定速后轴瓦振动平均值存在较大差别；另外，在空负荷或带负荷下振动突然升高。

3）在第一临界转速下振动不大

工作转速下转轴碰摩，振动过大而打闸停机后，通过相应转子临界转

速时的振动与启动相比，无多大变化，在整个降速过程中，轴瓦振动没有出现明显的峰值，说明通过转子一阶临界转速时，转子不存在热弯曲。

4）振动开始增大时以较大的斜率直线上升，接近最高点时，振动增长率较慢，曲线开始弯曲，而这些振动特征显然由转子热不平衡引起的。

总之，碰摩故障的处理可以采用避开敏感的临界转速，让动静部位长时间充分摩擦，扩大动静间隙，消除碰摩。而对于汽缸变形、跑偏引起的动静碰摩，在消除其振动源后，碰摩也就自然消失了。

3 自激振动

所谓自激振动，是指振动系统通过本身的运动，不断地向振动系统内馈送能量，它与外界激励无关，完全依靠本身的运动来激励振动。

在汽轮机组上可能发生的自激振动有轴瓦自激振动、汽流激振、摩擦涡动、转子材料弹性滞后引起的自激和参数振动等。

3.1 轴瓦自激振动

轴瓦自激振动一般分为半速涡动和油膜振荡两个过程。转子工作转速在两倍转子第一临界转速以下所发生的轴瓦自激振动，称为半速涡动，此时自激振动频率近似为转子工作频率的一半。转子工作转速高于两倍第一临界转速时所发生的轴瓦自激振动，称为油膜振荡，此时振动频率与转子第一临界转速接近，从而发生共振，转子表现为强烈的振动。

3.2 参数振动

汽轮发电机组上发生的参数振动，是由于转轴径向刚性不对称引起的。除发电机转子存在转轴径向刚性不对称外，汽机和发电机转子产生横向裂纹并且发展到一定深度，也会引起转子径向刚性不对称。

参数激振的振动特征如下：1）频率为二倍频；

2）振动频率下的垂直方向振动幅值最大；

3）波形：从转子振动波形上能直接观察到显著的二倍频振动分量；4）测量转轴不同方向上的挠曲值有差别。3.3 汽流激振

引起汽流激振的机理主要是由于密封间隙内压力径向分布不均和转子转矩径向不平衡产生的，其振动特性如下：

1）振动频率低于转子工作频率；2）振动有良好的再现性；

3）只能在大容量汽轮机高压转子上发生波形。

4 其它常见的振动

4.1 基础台板与基础接触不良

造成基础台板与基础接触不良的原因有：

1）二次灌浆质量不高；2）基础台板垫铁走动；3）基础台板垫铁过高；4）基础台板垫铁氧化；5）轴承座漏油；6）轴承座振动过大。

4.2 润滑油不足或油质不良其振动特性如下：

1）振动时有时无，当运行方式改变时振动有变化；2）振动时机组响应很不平常，好象在抖动；

3）振动频率和转速不符，波形紊乱，振幅不稳定；

4）一旦振动突发增大后，增加转速或增加负荷不能使振动明显减弱。

4.3 轴承工作特性不良其振动特性如下：

1）机组空负荷运行时就在某一轴承处发生明显振动；2）振幅不稳定，且与负荷大小无明显关系；3）振动频率与转速相符；

4）运行工况改变时，振动特性略有变化。5 结束语

汽轮机在运行过程中不仅要承受汽流的作用力和由叶片、叶轮本身离心力所引起的应力，而且还承受着由温度差所引起的热应力等多种作用力，因此汽轮机的振动在所难免。要获得正确的振动故障诊断，首先要认识机组的振动特征规律，辅已搜集的振动数据和测试结果，进行仔细的分析和推理，才能对汽轮机的振动故障作出明确的诊断。

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（上接第174页）

验的是比较精确的。由于有限元中是假设了物体振动的位移，相对于附加了约束就提高了刚度，因此计算所得得频率是结构的真实频率的上6 结束语

本文利用了欧拉梁理论和有限元仿真模拟实验来测定悬臂梁的低阶

固有频率，从实验结果中可以看出，有限元仿真实验更接近实验测定的真值，从本实验也可以看出振动物体的约束对物体固有频率具有很大的影响，在进行模态分析时应多注意。

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图2