汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)故障

汽輪機(jī)因振動(dòng)過大形成的事故一般有：轉(zhuǎn)軸徑向碰磨引起彎軸和軸封嚴(yán)重磨損，軸系破壞毀機(jī)，軸瓦烏金碾壓和碎裂，軸瓦緊力消失，轉(zhuǎn)動(dòng)部件不均勻磨損，動(dòng)靜件疲勞損壞，危急保安器及保護(hù)儀表誤動(dòng)作等事故。

一、轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡引起的軸系破壞

根據(jù)機(jī)組大量運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)、振動(dòng)故障診斷實(shí)踐，國內(nèi)外軸系破壞事故調(diào)查結(jié)果歸納，轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡是汽輪發(fā)電機(jī)組Z常見的振動(dòng)故障，它約占故障總數(shù)的80%。

隨著制造廠加工，裝配精度以及電廠檢修質(zhì)量的提高，這類故障的發(fā)生率正在逐漸減少，過去國內(nèi)大型汽輪機(jī)廠中只有個(gè)別廠家可以對(duì)大型汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行高速動(dòng)平衡，現(xiàn)在幾乎全部廠家都可以做。至于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的高速平衡，各電機(jī)廠早已能夠進(jìn)行?，F(xiàn)場檢修過程中的轉(zhuǎn)子平衡方法也在不斷改進(jìn)。低速動(dòng)平衡有些電廠已經(jīng)拋棄了老式的動(dòng)平衡機(jī)，取而代之是使用先進(jìn)的移動(dòng)式動(dòng)平衡機(jī)。即便如此，質(zhì)量不平衡目前仍是現(xiàn)場振動(dòng)的主要故障。

1轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡的特征

汽輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子的質(zhì)量不平衡產(chǎn)生的原因有三個(gè)：原始不平衡、轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的部件飛脫、松動(dòng)以及轉(zhuǎn)子的熱彎曲，其中原始不平衡是主要原因。

原始質(zhì)量不平衡

原始質(zhì)量不平衡指的是轉(zhuǎn)子開始轉(zhuǎn)動(dòng)之前在轉(zhuǎn)子上已經(jīng)有的不平衡，它通常是在加工制造過程中或檢修時(shí)更換轉(zhuǎn)動(dòng)部件造成的。

這種不平衡的特點(diǎn)除了上面介紹的振幅和相位的常規(guī)特征外，它的Z顯著特征是“穩(wěn)定”。這個(gè)穩(wěn)定是指在一定的轉(zhuǎn)速下振動(dòng)特征穩(wěn)定，振幅和相位受機(jī)組參數(shù)影響不大，與升速或帶負(fù)荷的時(shí)間延續(xù)沒有直接的關(guān)聯(lián)，也不受啟動(dòng)方式的影響。

轉(zhuǎn)動(dòng)部件飛脫和松動(dòng)

汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)部件飛脫可能有葉片、圍帶、拉金以及平衡質(zhì)量塊，發(fā)生松動(dòng)的部件可能有轉(zhuǎn)子線圈、槽楔、聯(lián)軸器等。

飛脫時(shí)產(chǎn)生的工頻振動(dòng)是突發(fā)性的，在數(shù)秒內(nèi)以某一瓦振或軸振為主，振幅迅速增大到一個(gè)固定值，相位也同時(shí)出現(xiàn)一個(gè)固定的變化。相鄰軸承振動(dòng)也會(huì)增大，但變化的量值不及前者大。這種故障一般發(fā)生在機(jī)組帶有某一負(fù)荷的情況。

轉(zhuǎn)動(dòng)部件損壞飛脫，對(duì)轉(zhuǎn)子將產(chǎn)生不平衡力沖擊，激起瞬態(tài)響應(yīng)，待瞬態(tài)響應(yīng)消失后，有可能還會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定的不平衡振動(dòng)。穩(wěn)定的不平衡振動(dòng)能否產(chǎn)生，是由飛脫部件結(jié)構(gòu)決定的。部件的碎裂飛脫，一般只激起瞬態(tài)響應(yīng)，不會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)的不平衡振動(dòng)。

轉(zhuǎn)子熱彎曲

轉(zhuǎn)子熱彎曲引起的質(zhì)量不平衡的主要特征是工頻振動(dòng)隨時(shí)間的變化，隨機(jī)組參數(shù)的提高和高參數(shù)下運(yùn)行時(shí)間的延續(xù)，工頻振幅逐漸增大，相位也隨之緩慢變化，一定時(shí)間內(nèi)這種變化趨緩，基本保持不變。存在熱彎曲的轉(zhuǎn)子降速過程的振幅，尤其是過臨界轉(zhuǎn)速時(shí)的振幅，要比轉(zhuǎn)子溫度低啟機(jī)升速的振幅大。兩種情況下的波特圖可以用來判斷是否存在熱彎曲。

新機(jī)轉(zhuǎn)子的熱彎曲一般來自材質(zhì)熱應(yīng)力。這種熱彎曲是固有的，可重復(fù)的，因而可用平衡的方法處理。有時(shí)運(yùn)行原因也會(huì)導(dǎo)致熱彎曲，如汽缸進(jìn)水、進(jìn)冷空氣、動(dòng)靜摩擦等。只要沒有使轉(zhuǎn)子發(fā)生永久朔性變行，這類熱彎曲都是可以恢復(fù)的，引起熱彎曲的根源消除后，工頻振動(dòng)大的現(xiàn)象也會(huì)隨之自行消失。

二、動(dòng)靜摩擦

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部件與靜止部件的碰摩是運(yùn)行中常見故障。隨著現(xiàn)代機(jī)械向著高性能、高效率發(fā)展，動(dòng)靜間隙變小，碰摩的可能性隨之增加。

碰摩使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生非常復(fù)雜的振動(dòng)，是轉(zhuǎn)子系統(tǒng)發(fā)生失穩(wěn)的一個(gè)重要原因。輕者使得機(jī)組出現(xiàn)強(qiáng)烈振動(dòng)，嚴(yán)重的可以造成轉(zhuǎn)軸永久彎曲，甚至整個(gè)軸系毀壞。

因此，對(duì)汽輪機(jī)碰摩的診斷和預(yù)報(bào)無疑會(huì)有效地提高運(yùn)行的安全性，防止重大事故發(fā)生。

1機(jī)組動(dòng)靜碰磨起因

機(jī)組動(dòng)靜碰磨通常是由于轉(zhuǎn)軸振動(dòng)過大。引起轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)軸振動(dòng)過大的原因：

轉(zhuǎn)子存在穩(wěn)定的一階不平衡

轉(zhuǎn)子原來不平衡較大或存在彎曲，機(jī)組每次啟停在臨界轉(zhuǎn)速下都會(huì)產(chǎn)生顯著振動(dòng)，這種不平衡量值和方向雖是穩(wěn)定的，但當(dāng)軸封間隙較小時(shí)，會(huì)引起轉(zhuǎn)軸徑向碰磨，而使轉(zhuǎn)子一階不平衡顯著增大。

轉(zhuǎn)子殘留熱彎曲

機(jī)組啟動(dòng)前和運(yùn)行中，轉(zhuǎn)子都可能產(chǎn)生明顯的熱彎曲。前者啟動(dòng)中發(fā)生較大振動(dòng)，后者在帶負(fù)荷和停機(jī)過程中發(fā)生較大振動(dòng)，兩者都會(huì)使轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生碰磨而形成彎軸。

轉(zhuǎn)子殘留熱彎曲啟動(dòng)，一方面使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生顯著的一階不平衡，另一方面使轉(zhuǎn)子中部晃擺?增大，在正常的軸封間隙下，也會(huì)使轉(zhuǎn)軸發(fā)生碰磨，當(dāng)轉(zhuǎn)速接近臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，因共振放大和碰磨重點(diǎn)與熱彎曲高點(diǎn)相同，可使轉(zhuǎn)子中部撓曲迅速擴(kuò)大，使轉(zhuǎn)軸碰磨很快進(jìn)入晚期。

2機(jī)組動(dòng)靜碰摩的診斷方法

機(jī)組動(dòng)靜碰摩的現(xiàn)場診斷是一項(xiàng)難度比較大的技術(shù)，如果認(rèn)為發(fā)生了碰摩，常常需要開缸處理，工作量較大，這就要求診斷的高準(zhǔn)確性。

現(xiàn)有的診斷方法主要還是根據(jù)振幅、頻譜和軸心軌跡。碰摩的確定，還需要了解機(jī)組安裝或大修中的情況，查閱有關(guān)的間隙記錄。這些在診斷過程可以有機(jī)的結(jié)合起來，提高診斷的準(zhǔn)確性。但要注意，由于高中壓缸都是雙層缸，有的機(jī)組低壓缸也是雙層缸，通流部分的碰摩很難傳出來，只有軸端汽封的碰摩聲比較容易聽到。因而，不能片面地將某一種方法的結(jié)論作為是否發(fā)生碰摩的決定性判據(jù)。

三、汽流激振

汽流激振通常發(fā)生在高參數(shù)機(jī)組的高壓轉(zhuǎn)子上，特別是超臨界機(jī)組，都出現(xiàn)過高壓轉(zhuǎn)子軸振過大現(xiàn)象。

渦動(dòng)震蕩自激振動(dòng)的進(jìn)動(dòng)方向是向前的，軌跡是圓或近似圓形。振蕩是隨振幅逐漸接近偏心率，自激振動(dòng)的頻率接近轉(zhuǎn)子橫向的固有頻率。

汽流激振的治理

增大軸頸在軸承中的偏心率；

增大油膜的徑向剛度；

改變潤滑油溫；

加轉(zhuǎn)子的剛度。

四、聯(lián)軸器不對(duì)中

聯(lián)軸器不對(duì)中也是汽輪機(jī)振動(dòng)常見故障。關(guān)于機(jī)組軸線的幾何形狀有兩個(gè)定義，一個(gè)是軸承的對(duì)中，它是指軸承內(nèi)孔幾何中心在橫截面的垂直和水平方向上與轉(zhuǎn)子軸頸中心預(yù)定位置的重合程度。另一個(gè)是聯(lián)軸器的對(duì)中，也就是軸系轉(zhuǎn)子個(gè)軸線的對(duì)中。

聯(lián)軸器不對(duì)中是指相鄰兩根轉(zhuǎn)軸軸線不在同一直線上，或不是一根光滑的曲線，在聯(lián)軸器部位存在拐點(diǎn)或階躍點(diǎn)。設(shè)計(jì)階段，根據(jù)選用的軸承、轉(zhuǎn)子的質(zhì)量、軸承標(biāo)高的熱變化量等確定各軸承的負(fù)荷分配，再計(jì)算確定各個(gè)軸頸中心在軸承中的偏心角和偏心率，即軸頸靜態(tài)位置。然后根據(jù)轉(zhuǎn)子的重力撓度曲線確定各軸承的揚(yáng)度，供安裝時(shí)使用，同時(shí)各軸承的靜態(tài)負(fù)荷也隨之確定。

機(jī)組安裝時(shí)依照這些值對(duì)各軸承座和缸體進(jìn)行找正找平，使各個(gè)軸承的靜態(tài)負(fù)荷達(dá)到預(yù)定值，同時(shí)也自然保證了軸頸中心在軸承中的位置與原定的一致。

五、轉(zhuǎn)子中心孔進(jìn)油

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子中心孔進(jìn)油在現(xiàn)場時(shí)有發(fā)生。造成進(jìn)油的原因有兩種可能：

一是中心孔探傷后油沒有及時(shí)清理干凈，殘存在孔內(nèi)；

二是大軸端部堵頭不嚴(yán)，運(yùn)轉(zhuǎn)起來后由于孔內(nèi)外壓差使的潤滑油被逐漸吸入孔內(nèi)。

中心孔有油后會(huì)使轉(zhuǎn)軸出現(xiàn)振動(dòng)問題，它造成的振動(dòng)在機(jī)理上有數(shù)種不同的說法：

一種說法認(rèn)為，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)孔內(nèi)液體轉(zhuǎn)速比轉(zhuǎn)軸低，這樣液體會(huì)產(chǎn)生一個(gè)比轉(zhuǎn)動(dòng)頻率低，但是頻率接近轉(zhuǎn)速的次同步激振力，這個(gè)激振力和工作轉(zhuǎn)速合成后可以產(chǎn)生拍振或和差振動(dòng)。

另一種說法認(rèn)為，當(dāng)轉(zhuǎn)子加熱到一定溫度時(shí)，黏附在中心孔壁上的潤滑油發(fā)生熱交換，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生不對(duì)稱溫差，轉(zhuǎn)子內(nèi)壁局部被加熱或冷卻進(jìn)而發(fā)生熱彎曲，所產(chǎn)生的不平衡質(zhì)量引起振動(dòng)增大。

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